Aus Vermutung wird Wissen

Sieht spielerisch aus, ist es aber nicht. Um den Wechselspannungsschalter von Amprion zu testen, mussten Cristian Mutascu (l.) und Florian Zellmer (r.) zunächst Gleichspannungsgeneratoren für 420.000 Volt bauen. Foto: WH

Jeder kennt Hochspannungsmasten. Wie nackte Weihnachtsbäume stehen sie in der Landschaft und die Leitungen an ihnen transportieren Strom mit einer Spannung im 420-Kilovolt-Bereich. Sie bilden ein Stromversorgungsnetz, in dem immer wieder Netzteile aus- und eingeschaltet werden müssen. Meterhohe, T-förmige Leistungsschalter dafür stellen dabei die Verbindungen her. Das Labor für Hochspannungstechnik der Westfälischen Hochschule hat neulich im Auftrag des Höchstspannungsnetzbetreibers Amprion einen solchen Schalter experimentell erforscht, denn manches, was dabei passiert, ist den Praktikern zwar geläufig, wurde aber nie in Zahlen nachgemessen.

(BL) „Wenn man einen solchen Höchstspannungsleistungsschalter auslöst, bewegen sich die von mechanischen Federn angetriebenen Hochstromkontakte im T-Kopf des Leistungsschalters mit hoher Geschwindigkeit aufeinander zu und schließen die Verbindung“, erläutert Florian Zellmer, Master-Student und wissenschaftlicher Mitarbeiter im Hochspannungslabor. Für den Beobachter ist das als Knall hörbar, sodass man meint, der Schalterschluss erfolgt quasi ohne Zeitverbrauch. „Stimmt aber nicht“, sagt Zellmer, „auch das braucht Zeit und zwar gar nicht so wenig, auch wenn wir uns dabei im Millisekundenbereich befinden.“ Die kurze Zeitspanne reicht aber, dass beispielsweise bereits vor dem Schalterschluss Vorzünd-Lichtbögen entstehen. Für den Netzbetreiber ist es wichtig, das Vorzündverhalten genau zu kennen. Nur mit dieser Kenntnis kann der Schaltvorgang exakt zum gewünschten Zeitpunkt der Sinuskurve der Wechselspannung erfolgen. „Exaktes Schalten beugt Überspannungen und hohen Einschaltströmen vor und reduziert den Verschleiß“, rechnet Zellmer vor. So ein Schalter kann nämlich mehrere Hunderttausend Euro kosten.

Zum Ausbau des Stromnetzes für die Energiewende benötigt Amprion Energiespeicher zur Bereitstellung von induktiven und kapazitiven Ladeleistungen. Diese Speicher müssen exakt ein- und ausgeschaltet werden. Daher bestellte Amprion bei der Westfälischen Hochschule ein Messverfahren, das exakt sagen kann, wieviele Millisekunden zwischen Schalten und Vorzünden verstreichen, um so die Schalter exakt zu betätigen. Kein leichtes elektrisches Unterfangen. Laborleiter Cristian Mutascu und Student Florian Zellmer erdachten ein Messverfahren, bei dem ein Wechselstromschalter mit entsprechend hoher Gleichspannung getestet wurde. Dafür bauten sie eigens eine dreistufige Transformatorkaskade, um auf die nötigen Schaltspannungen des 420.000-Volt- Höchstspannungsnetzes zu kommen. Da die Höchstspannungsschalter so groß und schwer sind, dass sie nicht zur Hochschule kommen konnten, musste das Labor zum Schalter kommen: In einer Amprion-Halle in Wesel bauten die beiden zusammen mit Amprion-Mitarbeitern ihre Versuchsanlage auf und maßen zwei Wochen lang die Zeitdifferenz zwischen Auslösimpuls für den Schalter und Verbindungsschluss. Jeden Tag steigerten sie die Spannung, nicht nur im Schalter, sondern auch bei sich und den beteiligten Amprions. Am Ende hatten die Wissenschaftler massenweise Messdaten gesammelt: „Je nach Spannung treten Vorzündungen in einem Bereich von bis zu fünf Millisekunden auf“, fasst Florian Zellmer das Ergebnis zusammen. Amprion lieferten sie damit eine exakte Schaltverzögerungszeittabelle: Aus Erfahrung wurde Wissen.

Das Wissen kostete Amprion deutlich weniger als ein Schalterpreis als Drittmittel-Honorar für den Forschungsauftrag an die Westfälische Hochschule. Das Labor für Hochspannungstechnik hat sich von seinem Gewinnanteil ein neues Spannungsmessgerät gegönnt. Mutascu und Zellmer: „Eine Investition in die Zukunft.“