Zusammenfassung: Sekundäre Automatisierungsanlagen in Stromversorgungssystemen sind Bestandteil der Betriebsausrüstung. Bei der Betrachtung ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) muss die elektromagnetische Umgebung des Stromversorgungssystems umfassend berücksichtigt werden. Die Untersuchung der EMV-Eigenschaften sekundärer Automatisierungsanlagen zielt darauf ab, deren Störfestigkeit zu verbessern und Störungen anderer umliegender Geräte zu reduzieren, um so die Zuverlässigkeit des Systembetriebs zu erhöhen. Dieser Artikel analysiert die Veränderungen der elektromagnetischen Umgebung und deren Auswirkungen auf sekundäre Automatisierungsanlagen durch den Einsatz von GIS-Schaltern, integrierter Stationsautomatisierung und dezentraler Schutztechnik, die in modernen Stromversorgungssystemen weit verbreitet sind. Diese Analyse dient als Grundlage für die Bewertung der EMV-Eigenschaften sekundärer Automatisierungsanlagen. Schlüsselwörter: Elektromagnetische Verträglichkeit; Stromversorgungssystem; GIS-Station; integrierte Automatisierung. 1. Überblick: Elektromagnetische Verträglichkeit bezeichnet die Fähigkeit von Geräten oder Systemen, in ihrer gemeinsamen elektromagnetischen Umgebung störungsfrei zu funktionieren, ohne dabei andere Objekte in dieser Umgebung unzulässigerweise elektromagnetisch zu beeinträchtigen. EMV-Probleme spielen in Stromversorgungssystemen eine wichtige Rolle: Zum einen ist das Stromnetz selbst eine starke Störquelle, die im Normalbetrieb und bei Störungen verschiedene stationäre und transiente Störungen erzeugt, beispielsweise Magnetfelder in der Nähe von Hochstromgeräten oder transiente Störungen beim Schalten. Zum anderen sind mit der zunehmenden Verbreitung mikroelektronischer Technologien diverse sekundäre Automatisierungsgeräte, die sehr störanfällig sind, für den Betrieb von Stromversorgungssystemen unerlässlich. Obwohl sie den Automatisierungsgrad des Stromnetzes deutlich erhöhen, sind sie zwangsläufig Störungen innerhalb des Netzes oder von externen Quellen ausgesetzt, die potenziell zu Fehlfunktionen führen und eine versteckte Gefahr für den sicheren und zuverlässigen Betrieb darstellen können. Sekundäre Automatisierungsgeräte sind integraler Bestandteil der Betriebsausrüstung von Stromversorgungssystemen. Bei der Betrachtung ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) sollten sie nicht isoliert als elektronische Geräte, sondern umfassend und ganzheitlich im Zusammenhang mit der elektromagnetischen Umgebung des Stromnetzes betrachtet werden. Das übergeordnete Ziel der Untersuchung der EMV-Eigenschaften sekundärer Automatisierungsgeräte ist die Verbesserung ihrer Störfestigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Störungen benachbarter Geräte, um so die Zuverlässigkeit des Systembetriebs zu erhöhen. Die Verbesserung der Störfestigkeit von Geräten ist jedoch weder technisch noch wirtschaftlich grenzenlos. Aus Sicht des gesamten elektromagnetischen Umfelds des Stromnetzes lassen sich nur durch eingehende Untersuchungen der Störquellen und Kopplungswege sowie eine fundierte Bewertung des elektromagnetischen Umfelds, in dem die sekundären Automatisierungsgeräte betrieben werden, angemessene Anforderungen an deren Störfestigkeit festlegen. Darauf aufbauend können Forschungsarbeiten zur Verbesserung ihrer Störfestigkeit und zur Reduzierung der von ihnen erzeugten Störungen durchgeführt werden. 2. Beschreibung der elektromagnetischen Verträglichkeit in Stromnetzen: Betrachtet man sekundäre Geräte als Störempfänger, so lassen sich die Probleme der elektromagnetischen Verträglichkeit eines Stromnetzes anhand des folgenden Diagramms beschreiben. Verschiedene Störkopplungswege zu sekundären Geräten: Die Hauptstörquellen für sekundäre Geräte sind: a) Natürliche Störungen wie Blitzeinschläge und statische Elektrizität. b) Transiente Störungen während des Betriebs oder bei Systemfehlern, wie z. B. das Betätigen von Trennschaltern und Leistungsschaltern, das Ansprechen von Niederspannungsrelais und Gleichtaktstörungen durch Kurzschlussströme bei Erdschlüssen. c) Stationäre Störungen während des Systembetriebs, wie z. B. netzfrequente elektrische und magnetische Felder in der Nähe von Hochspannungsanlagen sowie Störungen durch nahegelegene elektronische oder Kommunikationsgeräte. Die bedeutendste Störung für Sekundärgeräte ist die transiente Störung, die beim Betätigen von Primärschaltern (Trennschaltern und Leistungsschaltern) entsteht. Diese transiente Störung strahlt als Feld nach außen und gelangt über externe Leiter (verschiedene Stromkreisverbindungen, Erdungsleitungen) oder direkt durch räumliche Strahlungskopplung in die Sekundärgeräte. Sie wird auch direkt über Leiter, die mit Hochspannungsanlagen (Spannungswandler, Stromwandler, Hochfrequenz-Trägerkanäle usw.) verbunden sind, in die Sekundärgeräte geleitet und beeinträchtigt deren ordnungsgemäßen Betrieb. Lösungen für Probleme der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) in Energiesystemen liegen in: a) der Messung und Bewertung der elektromagnetischen Umgebung des Systems; b) dem Ergreifen notwendiger und angemessener Maßnahmen bei der Systemplanung und -konstruktion zur Minderung der Auswirkungen von Störungen auf Sekundärgeräte; und c) der Verbesserung der Störfestigkeit der Sekundärgeräte selbst. Tatsächlich haben Forscher im In- und Ausland über viele Jahre hinweg umfangreiche Daten gesammelt und relevante Normen und Richtlinien für die Auslegung von Stromversorgungssystemen und deren Sekundärausrüstung entwickelt. Mit der Weiterentwicklung der Energietechnik in den letzten Jahren haben sich jedoch einige neue Technologien weit verbreitet, was zu Veränderungen im elektromagnetischen Umfeld von Stromversorgungssystemen und deren Auswirkungen auf die Sekundärausrüstung geführt hat. Dies erfordert weitere Aufmerksamkeit und Forschung. 3. GIS-Umspannwerke: Im Vergleich zu herkömmlichen AIS-Umspannwerken werden GIS-Umspannwerke aufgrund ihrer Vorteile wie der Isolation von der Umgebung, der geringeren Stellfläche, des sichereren Betriebs und der einfacheren Wartung zunehmend im Umspannwerksbau eingesetzt. Die durch GIS hervorgerufenen Veränderungen im elektromagnetischen Umfeld des Systems bei gleichzeitiger Verkleinerung der Umspannwerksgröße sind Gegenstand aktueller Forschung. Im Vergleich zu herkömmlichen AIS sind die elektrischen Komponenten von GIS deutlich kleiner und in abgeschirmten Metallgehäusen eingeschlossen, was zu anderen Interferenzcharakteristika als bei herkömmlichen AIS während Schaltvorgängen führt. Da die GIS-Anlage von einem Metallgehäuse umschlossen ist, werden die von ihr erzeugten Störungen hauptsächlich in Form eines Feldes oder einer Spannung (eines Stroms) durch die Hin- und Herreflexion der auf der Sammelschiene fließenden Störungen nach außen übertragen. Alternativ strahlt sie als Feld durch das GIS-Gehäuse und an einigen Anschlusspunkten (wie z. B. Durchführungen oder Erdungspunkten) mit Unterbrechungen der Abschirmung nach außen. 3.1 Transientes Feld Die Stärke des transienten Magnetfeldes, das durch einen einzelnen Schaltvorgang erzeugt wird, hängt vom transienten Stromwert in der Sammelschiene ab, welcher wiederum maßgeblich vom Verhältnis von Systemspannung zu transienter Impedanz abhängt. Daher gilt: Je höher die Systemspannung, desto höher die Stärke des transienten Magnetfeldes. In AIS-Umspannwerken beträgt die direkt unterhalb und in unmittelbarer Nähe der Sammelschiene gemessene Magnetfeldstärke im Allgemeinen 30–100 A/m (Spitze). In GIS-Umspannwerken ist sie mit 10–50 A/m (Spitze) deutlich geringer. Die Magnetfeldstärke nimmt mit zunehmendem Abstand von der Sammelschiene rasch ab. In einem Abstand von etwa 10 Metern von der Sammelschiene nimmt die magnetische Feldstärke um mindestens das Dreifache ab. Die transiente elektrische Feldstärke unter der Sammelschiene ist ähnlich der magnetischen Feldstärke. In AIS-Umspannwerken liegt der Messwert üblicherweise zwischen 3 und 10 kV/m (Spitzenwert). In GIS-Umspannwerken ist der gemessene Wert etwas niedriger. Auch die elektrische Feldstärke hängt vom Spannungsniveau des Systems ab: Je höher das Spannungsniveau, desto größer die elektrische Feldstärke. In GIS-Umspannwerken ist die elektrische Feldstärke jedoch sehr hoch und erreicht in unmittelbarer Nähe der Durchführung 30 kV/m. Im Gegensatz zu AIS-Umspannwerken strebt die transiente elektrische Feldstärke, die während eines einzelnen Schaltvorgangs in GIS-Umspannwerken gemessen wird, nach kurzer Zeit gegen null, anstatt konstant zu bleiben. Dies könnte auf die Erdung des Metallgehäuses zurückzuführen sein. Aus frequenztechnischer Sicht ist die charakteristische Impedanz von GIS-Anlagen deutlich geringer als die von AIS-Anlagen. Dadurch wird die Fehlanpassung der Impedanz an der Verbindung zwischen GIS und Sammelschiene bzw. Freileitung verstärkt, was zu einer erhöhten Reflexion von Störstrom- (Spannungs-)Wellen führt. Folglich ist die Schwingungsfrequenz der von GIS erzeugten Störwellen höher als die von AIS-Anlagen. Die dominante Frequenz der in AIS-Umspannwerken gemessenen elektromagnetischen Felder liegt im Allgemeinen unter 3 MHz, während die in GIS-Umspannwerken gemessene Frequenz deutlich höher ist, üblicherweise mehr als zehnmal so hoch wie die von AIS, meist unter 50 MHz, mit einer oberen Grenzfrequenz von über 100 MHz. Da der Abstand zwischen GIS-Hochspannungsanlagen und elektronischen Geräten in der Regel gering ist, sollte der Einfluss transienter elektromagnetischer Feldstrahlung auf die Geräte in GIS-Umspannwerken besondere Beachtung geschenkt werden.