Umspannwerk

Aufgabe und Bedeutung

Ein Umspannwerk, auch Umspannanlage genannt, ist ein Teil des elektrischen Versorgungsnetzes. Es verbindet unterschiedliche Spannungsebenen miteinander. Leistungstransformatoren verändern dabei die Spannung, während Schaltanlagen die ein- und ausgehenden Leitungen schalten und verteilen. Hinzu kommen Einrichtungen zur Messung, Steuerung, Regelung und Überwachung. Anlagen ohne Transformatoren heißen Lastverteilerwerk, Lastverteiler oder Schaltwerk. In der Schweiz ist auch die Bezeichnung Unterwerk üblich; im übrigen deutschen Sprachgebiet wird dieser Begriff vor allem für Bahnstromanlagen verwendet.

Elektrische Energie wird auf dem Weg vom Kraftwerk zum Verbraucher über mehrere Spannungsebenen transportiert, damit die Übertragung möglichst verlustarm erfolgt. Welche Spannung günstig ist, hängt von der zu übertragenden Leistung und der Entfernung ab. Viele Umspannwerke arbeiten wegen ihres hohen Automatisierungsgrades ohne Personal vor Ort; auch Schalthandlungen können vollautomatisch erfolgen.

Spannungsebenen und Bauformen

Typische Spannungsebenen sind:

• überregionale Transportnetze mit 220 kV oder 400 kV und größer sowie Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen; die Anlagen sind meist Freiluftanlagen, manchmal Innenraumanlagen,
• regionale Transportnetze mit 110 kV; dafür werden Freiluftanlagen oder in Städten Innenraumanlagen eingesetzt,
• überörtliche Verteilnetze mit 30 bis 60 kV, meist als Innenraumanlagen,
• überörtliche oder örtliche Verteilnetze mit 6 bis 20 kV, ebenfalls meist als Innenraumanlagen.

Die Schaltanlage kann offen als Freiluftschaltanlage oder gekapselt als gasisolierte Schaltanlage ausgeführt sein. Anlagen, welche die Spannung auf die für Endverbraucher bestimmte Niederspannung umwandeln, heißen Transformatorenstationen, Umspannstationen oder Ortsnetzstationen.

Primärtechnik

Zur Primärtechnik gehören die unmittelbar für Umspannung und Stromführung benötigten Betriebsmittel, besonders Leistungstransformatoren, Schaltanlagen, Sammelschienen und Leitungen. Sammelschienen sind zentrale elektrische Verbindungen, über die mehrere Leitungen oder Transformatoren miteinander verbunden werden. Schaltanlagen befinden sich sowohl auf der Oberspannungsseite als auch auf der Unterspannungsseite.

Technische Einrichtungen und Leitungen sind in der Regel redundant ausgelegt. Redundanz bedeutet, dass wichtige Komponenten mehrfach oder mit Ersatzwegen vorhanden sind. Fällt ein Betriebsmittel aus, soll die Stromversorgung dadurch weiterhin gewährleistet bleiben.

Steuerung, Schutz und Versorgung

Die Sekundärtechnik ist nicht direkt an der Umspannung beteiligt, übernimmt aber wichtige Betriebs- und Sicherheitsaufgaben:

• Die lokale Steuerung bedient einzelne Schaltanlagenfelder vor Ort, meist über einen Feldsteuerschrank.
• Die Spannungsregelung hält die Netzspannung bei unterschiedlichen Belastungen möglichst konstant.
• Der Netzschutz überwacht Leitungen auf Kurzschluss oder Erdschluss und schaltet die betroffene Leitung ab.
• Die Energiezählung erfasst übertragene elektrische Energie.
• Fernmessung übermittelt Messwerte an eine entfernte Netzleitstelle; Fernsteuerung ermöglicht von dort die Steuerung und Überwachung.
• Der Eigenbedarf versorgt die Anlage gesichert mit Gleich- und Wechselspannung. Batterieanlagen sowie Gleich- und Wechselrichter erhalten wichtige Funktionen auch bei Stromausfällen oder Netzstörungen aufrecht.
• Eine Rundsteueranlage steuert Verbraucher im Netz und dient damit dem Lastmanagement.

Sonderformen und geteilte Anlagen

Das vereinfachte Umspannwerk (VUW) ist eine kostengünstigere Sonderform für Anlagen mit nur zwei bis drei Leitungen auf der Oberspannungsseite. Anders als bei herkömmlichen Umspannwerken werden Leitungen und Transformatoren dort in der Regel nicht über eine Sammelschiene verbunden. Stattdessen schließen Trennschalter und Leistungsschalter die Leitungen direkt an den Transformator an. Eine Kupplung zwischen den Leitungen ist möglich. Durch den Wegfall der Sammelschiene und der zugehörigen Sammelschienentrenner sinken die Kosten.

Dem stehen Nachteile gegenüber: Bei einem VUW ohne Leitungskupplung macht der Ausfall einer Leitung auch den angeschlossenen Transformator unbrauchbar. Ausfälle sind schwieriger auszugleichen, und spätere Erweiterungen sind nur eingeschränkt möglich. Für eine zusätzliche Leitung werden gegebenenfalls eine weitere Kupplung und/oder ein zusätzlicher Transformator benötigt. Bei mehreren Erweiterungen verschwindet der Kostenvorteil schnell; häufig wird das VUW dann durch den Einbau einer Sammelschiene zu einem herkömmlichen Umspannwerk.

Große Umspannwerke für mehrere Spannungsebenen über 100 kV können auf mehrere getrennte, nahe beieinanderliegende und jeweils umzäunte Areale verteilt sein. Jedes Areal enthält gewöhnlich die vollständige Schaltanlage, meist einschließlich der Transformatoren, für eine Spannungsebene. Koppelleitungen verbinden die Anlagenteile, meist als Freileitungen und seltener als Erdkabel. Beispiele sind das Umspannwerk Hoheneck in Ludwigsburg und das Umspannwerk im Witten­er Ortsteil Krone.

Standort und Transport

Große Umspannwerke mit einer höchsten angewandten Spannung über 100 kV müssen für Schwertransporte erreichbar sein. Großtransformatoren können bis zu 500 t wiegen; deshalb dürfen die Zufahrten auch wegen ihrer Abmessungen nicht zu eng sein. Manche Umspannwerke, besonders ältere Anlagen für 400 kV oder 220 kV, besitzen einen eigenen Gleisanschluss zur Anlieferung der Transformatoren.

Umspannwerke stehen in unterschiedlichen Umgebungen und können als Freiluft- oder Innenraumanlagen errichtet werden. Eine besondere Ausführung ist die Umspannplattform eines Offshore-Windparks auf offener See.