Grundlagen der Ring-Hauptschaltanlage: Was sie ist und wie sie in der Stromverteilung funktioniert

Heute‘s Strom Lieferung muss sein äußerst zuverlässig und sicher. Leistung Ausfälle sind nicht einfach eine lästige Angelegenheit; sie können bedeuten kostspielige Ausfallzeiten für Fertigung Branchen, Sicherheitsrisiken für die Öffentlichkeit Gebäude, und Unannehmlichkeiten für Haushalt Gemeinden. Für Energieversorger und Anlagenbetreiber besteht die Herausforderung darin, eine unterbrechungsfreie Versorgung aufrechtzuerhalten, selbst wenn in einem Teil des Netzes eine Störung auftritt.

Eine der Schlüsseltechnologien, die diese Zuverlässigkeit ermöglichen, ist die Ringhauptschaltanlage (RMU). RMUs sind kompakt und dennoch leistungsstark und spielen eine entscheidende Rolle in Mittelspannungs-Stromverteilungssystemen, da sie sicherstellen, dass Fehler isoliert werden können, ohne das gesamte Netz abschalten zu müssen.

In diesem Artikel wird näher darauf eingegangen, was RMUs sind, wie sie funktionieren, welche Hauptkomponenten sie haben, welche Arten es gibt, wofür sie eingesetzt werden und welche Faktoren bei der Auswahl zu berücksichtigen sind.

Was ist eine Ring-Main-Unit (RMU)?

Eine Ringhauptschaltanlage ist eine Art Mittelspannungsschaltanlage, die als Bestandteil eines ringförmigen Verteilungsnetzes konzipiert ist. Leistung in einem Ring System kann geliefert werden von entweder Richtung. Wenn Auf der einen Seite ist abgetrennt—aufgrund von Fehler oder Wartung—der andere könnte Weiter zu Lieferung die Last.

Zu den wichtigsten Funktionen gehören:

• Umschalten– Das sichere Ein- und Ausschalten von Netzabschnitten unter normalen Lastbedingungen.
• Isolation– Ausfallende Abschnitte vom Netz trennen, um Schäden zu vermeiden und Wartungsarbeiten zu ermöglichen.
• Schutz– Unterbrechung von Fehlerströmen mittels Leistungsschaltern oder Sicherungen.

Im Gegensatz zur herkömmlichen radialen Verteilung, bei der ein einziger Fehler die Stromversorgung eines gesamten Abschnitts unterbrechen kann, minimiert ein RMU-basiertes Ringnetz Stromausfälle und ist daher die bevorzugte Wahl in städtischen Netzen, Industriegebieten und Projekten im Bereich erneuerbarer Energien.

Was ist das Stromverteilungssystem?

Um die Rolle der RMU richtig einschätzen zu können, ist es wichtig, die Stromversorgungskette zu verstehen:

1. Generation– Strom wird in Kraftwerken (Wärme-, Wasser-, Kern-, Wind- und Solarkraftwerke) bei Spannungen von typischerweise 10–25 kV erzeugt.
2. Getriebe– Für den Ferntransport wird die Spannung erhöht (häufig auf 110–765 kV).
3. Unterverteilung und Verteilung– In Primärumspannwerken wird die Spannung für die regionale Verteilung auf Mittelspannung (in der Regel 11, 22 oder 33 kV) abgesenkt.
4. Endauslieferung– Verteiltransformatoren wandeln die Spannung für die Verbraucher auf 230/400 V herunter.

Die RMU wird auf der Mittelspannungsstufe installiert, in der Regel zwischen dem Primärumspannwerk und den Verteilungstransformatoren. Sie ist gebraucht in ein ringförmiges Versorgungsnetz, das es ermöglicht, dass der Strom über verschiedene Wege zu den Verbrauchern gelangt.

Beispiel: In einem Stadtblock mit unterirdischen Kabeln verbinden RMUs in Kiosken am Straßenrand verschiedene Gebäude miteinander. Wird ein Kabel bei Aushubarbeiten beschädigt, schaltet die RMU diesen Abschnitt ab und versorgt den Bereich über die Ersatzzuleitung, wodurch ein Stromausfall vermieden wird.

Wesentliche Komponenten einer RMU

Eine RMU ist eine eigenständige, modulare Schaltanlage, deren einzelne Komponenten jeweils für eine bestimmte Funktion im Bereich der Schaltung, Trennung und Absicherung ausgelegt sind.

Lasttrennschalter (LBS)

• Funktion: Schaltet Stromkreise unter Last sicher und ohne übermäßige Lichtbogenbildung.
• Design: Oft federbetätigt, um eine schnelle und zuverlässige Funktion zu gewährleisten.
• Lichtbogenlöschmedium: SF₆-Gas, Vakuum oder Luft.
• Anwendungsfall: Routinemäßige Lastumschaltung und Abschaltung von Abzweigleitungen während Wartungsarbeiten, ohne die Gesamtstromversorgung zu unterbrechen.

Leistungsschalter (CB)

• Funktion: Unterbricht Fehlerströme automatisch.
• Typen:
  1. Vakuum-Leistungsschalter (VCB)– Zuverlässig für Mittelspannungsnetze, wartungsarm.
  2. SF₆-Leistungsschalter– Kompakt, hohe Unterbrechungsleistung, unterliegt jedoch umweltrechtlichen Auflagen.
• Integration: Arbeitet mit Schutzrelais zusammen, um Fehler präzise zu beseitigen.

Sammelschienen

• Rolle: Leitfähige Kupfer- oder Aluminiumschienen, die den Strom intern zwischen den Abzweigleitungen verteilen.
• Design: Der Querschnitt und die Isolierung hängen von der Nennstromstärke und der Fehlerstromfestigkeit ab.

• Relais– Fehler erkennen und eine Abschaltung auslösen.
• Sicherungen– Bietet schnell wirkenden Schutz für kleinere Futterstellen.
• Erdungsschalter– Erdungskreise für die Sicherheit bei Wartungsarbeiten.

Isolier- und Lichtbogenlöschmedium

Das Isolier- und Lichtbogenlöschmedium in einer RMU bestimmt deren Größe, Leistungsfähigkeit und Umweltprofil.

• SF₆-Gas– Bietet eine außergewöhnliche Durchschlagfestigkeit und Lichtbogenlöschleistung, was kompakte, versiegelte Konstruktionen ermöglicht, die sich ideal für Standorte mit beengten Platzverhältnissen eignen. Allerdings ist SF₆ ein starkes Treibhausgas mit einem hohen Treibhauspotenzial (GWP). Die Handhabung, Befüllung oder das Recycling von SF₆ erfordert geschultes und zertifiziertes Personal, da in vielen Regionen strenge Umweltvorschriften für dessen Verwendung gelten. Energieversorger und Hersteller suchen zunehmend nach SF₆-freien Alternativen, um ihre Nachhaltigkeitsziele zu erreichen.
• Luft– Geringe Umweltbelastung, benötigt jedoch mehr Platz.
• Festes Dielektrikum– Umweltfreundlich und wartungsfrei, geeignet für moderne städtische Anlagen.

Anlage

• Material: Verzinkter Stahl, Edelstahl oder Aluminium.
• Schutzart (IP): Schutzklasse IP54 oder höher hinsichtlich Staub- und Feuchtigkeitsbeständigkeit.
• Lichtbogenfestigkeit: Lichtbogensichere Konstruktionen schützen das Bedienpersonal vor den Gefahren eines Lichtbogens.

Steuerungs- und Kommunikationsmodule

• Aktivieren Fernbedienung über SCADA- oder Verteilungsmanagementsysteme (DMS).
• Bereitstellen Echtzeitüberwachung der Last, der Spannung und des Schalterstatus.
• Support Fehlerprotokollierung und -analyse für die vorausschauende Instandhaltung.

So funktioniert eine Ring-Main-Unit

Eine RMU arbeitet in einem ringförmigen Verteilersystem, in dem Strom aus zwei Quellen zirkulieren kann. Bei dieser Anordnung kann der Strom umgeleitet werden, falls ein Teil davon ausfällt. Das funktioniert in vier Schritten:

1. Normalbetrieb – Strom fließt sowohl aus der Zuleitung A als auch aus der Zuleitung B in das Netz. Jede RMU leitet den Strom weiter, sodass die Verbraucher über beide Wege mit Strom versorgt werden. Diese Redundanz bedeutet, dass beide Wege jederzeit aktiv und verfügbar sind.
2. Auftreten eines Fehlers – Bei Auftreten eines Fehlers zwischen zwei RMUs (z. B. Kabelbruch) erkennen Schutzrelais diesen sofort. Die RMUs in der Nähe der Fehlerstelle öffnen automatisch ihre Leistungsschalter oder Schalter und trennen nur den beschädigten Abschnitt vom Netz.
3. Kontinuierliche Versorgung – Selbst wenn das defekte Segment abgeschnitten wird, wird der Rest der Schleife weiterhin über die zweite Zuleitung mit Strom versorgt. Bei den Kunden kommt es so gut wie nie zu einer Unterbrechung der Stromversorgung, da der Strom einfach über die andere Route um die Schleife herum fließt.
4. Restaurierung – Nach Abschluss der Reparaturarbeiten werden die geöffneten Schalter von den Bedienern wieder geschlossen, wodurch die Schleife so wiederhergestellt wird, dass beide Zuleitungen das Netz erneut versorgen. Das System erlangt wieder seine volle Redundanz.

Arten von Ring-Hauptgeräten

Nach Dämmung

• Gasisoliert (SF₆)– Kompakt und zuverlässig, wirft jedoch aufgrund seines Treibhausgaspotenzials Umweltbedenken auf.
• Luftisoliert– Größer und stärker von Umgebungsbedingungen beeinflusst, vermeidet jedoch Probleme mit SF₆.
• Festisoliert– Umweltfreundlich, kompakt und für den Einsatz in der Stadt geeignet.

Nach Konfiguration

• Erweiterbar– Kann erweitert werden, um in Zukunft weitere Futterstellen unterzubringen.
• Nicht erweiterbar– Feste Anzahl an Zuführungen, kompakter.

Nach Vorgang

• Handbuch– Wird direkt vor Ort betrieben.
• Motorisiert– Ermöglicht die Fernsteuerung, erfordert jedoch weiterhin eine manuelle Datensicherung.
• Vollautomatische / intelligente RMUs – In digitale Netzwerke integriert für die Steuerung in Echtzeit.

Anwendungen von RMUs in der Stromverteilung

Städtische Netzwerke

• Sie werden in Kiosken am Straßenrand oder in Gebäudekellern installiert.
• Ist für die Verlegung von Erdkabeln zuständig, die Bürohochhäuser, Einkaufszentren und Wohnanlagen versorgen.
• Reduziert die optische Beeinträchtigung im Vergleich zu Freiluftschaltanlagen.

Industrieanlagen

• Schützt empfindliche Ladungen in Produktionsanlagen.
• Stellt sicher, dass die Produktion auch dann weiterläuft, wenn ein Zuführer ausfällt.
• Häufig in die SCADA-Systeme der Fabrik integriert.

Erneuerbare Energien

Quelle: Zonen für erneuerbare Energien in Australien

• Verbindet Solar- oder Windparks mit Mittelspannungsnetzen.
• Hilft dabei, Schwankungen in der Produktionsleistung zu bewältigen, indem einzelne Abschnitte für Wartungsarbeiten schnell isoliert werden können.

Elektrifizierung ländlicher Gebiete

• Unterstützt lange Zuführleitungen durch eine flexible Neukonfiguration des Netzwerks.
• Verkürzt die Ausfallzeiten in abgelegenen Gebieten, in denen Reparaturteams länger brauchen, um vor Ort zu sein.

Vorteile des Einsatzes von RMUs

• Kompakte Bauweise– Platzsparend, insbesondere in städtischen Gebieten.
• Hohe Zuverlässigkeit– Das Ringnetz sorgt für Ausweichwege bei der Stromversorgung.
• Betriebssicherheit– Abgedichtete, geerdete Gehäuse schützen das Bedienpersonal.
• Geringerer Wartungsaufwand– Viele sind “lebenslang versiegelt”, wodurch der Wartungsaufwand auf ein Minimum reduziert wird.
• Schnelle Fehlerlokalisierung– Verkürzt Ausfallzeiten und steigert die Kundenzufriedenheit.
• Skalierbarkeit– Skalierbare Konzepte unterstützen das Wachstum des Netzwerks.
• Intelligente Integration– Digitale RMUs ermöglichen eine Echtzeitüberwachung und vorausschauende Instandhaltung.

Wichtige Aspekte bei der Auswahl einer RMU

Bei der Auswahl einer RMU sollten Sie Folgendes prüfen:

Die Bewertung dieser Faktoren trägt dazu bei, dass Sie sich für eine RMU entscheiden, die heute Zuverlässigkeit bietet und gleichzeitig zukünftige Netzwerkanforderungen erfüllt.

Bewährte Verfahren für die Wartung

Vorbeugende Wartung

• Überprüfen Sie die Gehäuse auf Korrosion oder Undichtigkeiten.
• Die Funktion von Lasttrennschaltern und Leistungsschaltern prüfen.
• Den SF₆-Druck prüfen und gegebenenfalls nachfüllen.
• Verbindungen reinigen und festziehen.

Zustandsüberwachung

• Verwenden Sie die Wärmebildtechnik, um Hotspots zu erkennen.
• Überwachen Sie die Teilentladungswerte in der Isolierung.

Korrektivwartung

• Ersetzen Sie verschlissene oder defekte Bauteile.
• Aktualisierung der Steuerungssoftware in automatisierten RMUs.

Tipp: Selbst “wartungsfreie” RMUs sollten jährlich einer Sicht- und Funktionsprüfung unterzogen werden, um ihre Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Was ist der Unterschied zwischen einer RMU und einer Schaltanlage?

Zwar werden sowohl RMUs als auch herkömmliche Schaltanlagen zum Schalten und zum Schutz in Stromnetzen eingesetzt, doch unterscheiden sich ihre Konfigurationen und Anwendungsbereiche:

• Schaltanlage ist ein weit gefasster Begriff, der alle Geräte umfasst, die elektrische Stromkreise steuern, schützen und trennen. Er kann in Strahl- oder Ringnetzen verwendet werden und umfasst Geräte wie Leistungsschalter, Schütze und Trennschalter.
• RMUs sind ein bestimmter Schaltanlagentyp konzipiert für Ringnetze (Schleifennetze). Es handelt sich um kompakte, gekapselte Einheiten mit mehreren Lasttrennschaltern und/oder Leistungsschaltern, die einen unterbrechungsfreien Stromfluss auch dann gewährleisten, wenn eine Zuleitung außer Betrieb ist.

Beispiel: Ein Energieversorger kann in einem Umspannwerk große Schaltanlagen offener Bauart für die Zuleitungen einsetzen, aber zur Erhöhung der Ausfallsicherheit RMUs in Kiosken am Straßenrand installieren, um städtische unterirdische Kabelschleifen anzuschließen.

Frage 2: Was sind die wichtigsten Wartungsarbeiten an einer RMU?

Auch wenn der Wartungsaufwand variieren kann, gehören zu den üblichen Aufgaben:

• Sichtprüfungen– Überprüfung auf Unversehrtheit des Gehäuses, Korrosion oder ungewöhnliche Gerüche (die auf eine Überhitzung hindeuten).
• Gasdruckprüfungen– Sicherstellung, dass die SF₆-Konzentrationen innerhalb der Grenzwerte liegen.
• Funktionsprüfung– Betätigen von Schaltern und Leistungsschaltern, um deren mechanische Unversehrtheit zu überprüfen.
• Kalibrierung des Relais– Sicherstellen, dass die Schutzsysteme ordnungsgemäß reagieren.

Tipp: Technologien zur Zustandsüberwachung, wie beispielsweise Wärmebildkameras und Teilentladungssensoren, können dazu beitragen, Probleme vorherzusagen, bevor sie zu Ausfällen führen.

Frage 3: Können RMUs für Projekte im Bereich erneuerbare Energien eingesetzt werden?

Ja. RMUs kommen zunehmend bei der Einbindung erneuerbarer Energien zum Einsatz, beispielsweise:

• Solarparks– Anschluss von Solaranlagen an Mittelspannungsleitungen bei gleichzeitiger Isolierung von Fehlern, ohne die Stromerzeugung zu unterbrechen.
• Windparks– Verwaltung mehrerer Turbinen-Zuleitungen und Gewährleistung des Fehlerschutzes.
• Hybridsysteme– Kombination von Netzversorgung und dezentraler Stromerzeugung.

Dank ihrer kompakten Bauweise und ihrer Zuverlässigkeit eignen sie sich ideal für abgelegene Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien, bei denen Ausfallzeiten hohe Kosten verursachen können.