HGÜ Kondensatoren für die Gleichstromübertragung bei hohen Spannungen

Der verlustarmen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung gehört die Zukunft. Doch für effiziente HGÜ-Anlagen benötigt man nicht nur leistungsfähige Thyristoren bzw. IGBTs, sondern auch „maßgeschneiderte“ Leistungskondensatoren, die als sogenannte Snubber-Kondensatoren Spannungsspitzen aufnehmen und damit Glättungsfunktionen übernehmen.

Für die elektrische Energieübertragung und -verteilung gibt es seit Mitte der 1970er Jahre mit der HGÜ-Technologie eine effiziente Alternative zur weit verbreiteten Drehstromtechnik. Bei der HGÜ - auch HVDC-Übertragung (High Voltage Direct Current Transmission) genannt - lassen sich im Wesentlichen zwei Technologiegruppen unterscheiden: die konventionelle HVDC-Übertragung und die Multilevel-VSC-HVDC-Übertragung (Voltage-Sourced Converter).

Inzwischen zeichnet sich in immer mehr Bereichen der Energieübertragung der Siegeszug der HVDC-Technologien ab. Gegenüber der Drehstromtechnik lassen sich mit HVDC-Technologien zum einen Übertragungsverluste ab einer gewissen Leitungslänge erheblich senken. Zum anderen können Kosten eingespart werden - etwa bei der Errichtung der Übertragungsleitungen, da u.a. der Materialbedarf für die HVDC-Übertragung erheblich geringer ausfällt.

Drehstromtechnik stößt an Grenzen

Die Drehstromtechnik wird mit Frequenzen von 50 oder 60 Hz bereits seit etlichen Jahrzehnten zur Energieübertragung eingesetzt. Ihr wichtigster Pluspunkt ist die einfache Transformierbarkeit der Spannung auf verschiedenste Spannungsebenen, um auch Fernstrecken zu überbrücken. Außerdem lassen sich nicht nur sehr hohe Wechselspannungen einfach schalten, ohne Lichtbögen zu erzeugen, sondern auch robuste Asynchronmotoren direkt mit Drehstrom speisen.

Allerdings haben Drehstromnetze auch einen entscheidenden Schwachpunkt: die verhältnismäßig hohen Verluste. Die endliche Leitfähigkeit der Kabel verursacht ohmsche Verluste, die sich im Fall von Wechselstrom zusätzlich durch den Skin-Effekt erhöhen: Nur der äußere Bereich des Leiters wird von Strom durchflossen und somit nicht der gesamte Leitungsquerschnitt für den Energietransport genutzt. Dies ist vor allem für den Einsatz bei langen Anbindungswegen sehr nachteilig. Gleiches gilt, wenn größere Verbundnetze installiert werden.

Darüber hinaus treten bei Wechselstrom durch die induktiven und kapazitiven Leitungsbeläge Blindleistungsverluste auf, die durch Induktivitäten der Transformatoren noch vergrößert werden. Je nach Leitungslängen und Wirksamkeit der Leitungsbeläge können so bis zu 10 Prozent der elektrischen Energie in Verlustleistung umgesetzt werden. Außerdem lassen sich Wechselstromnetze, die mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten (z.B. 50 Hz und 60 Hz), nicht direkt miteinander koppeln.

HVDC halbiert Verluste und benötigt nur zwei Leitungen

Um die vielen Nachteile der Drehstromtechnik zu vermeiden, setzen die Energieversorger weltweit immer öfter auf die HVDC-Übertragung. Der große Pluspunkt der HVDC-Technologien ist die deutlich geringere Verlustleistung. Sie beträgt bei einer Leitungslänge von 1.000 km nur noch 3 Prozent. Zum Vergleich: Bei Wechselstromsystemen liegt sie bei der gleichen Strecke bei mindestens 6 Prozent. Bei einer zu übertragenden Leistung von 4.000 MW können durch HVDC somit rund 120 MW Verlustleistung vermieden werden.

Ein weiterer Vorteil der HVDC-Technologien ist die geringere Anzahl der benötigten Leitungen. Denn bei Drehstromsystemen sind mindestens drei Leitungen erforderlich. In der Praxis werden zudem aus Sicherheitsgründen oft zwei redundante Systeme mit jeweils drei Leitungen parallel geführt. Bei HVDC sind dagegen nur zwei Leitungen erforderlich. Vor allem bei Freileitungen mit Masten und Auslegern lassen sich der Flächenbedarf und damit die Kosten deutlich senken.

Auch im Fall von Erd- und Seekabeln, bei denen der Flächenbedarf vergleichsweise gering ist, rechnet sich die kleinere Zahl benötigter HVDC-Leitungen. Hinzu kommt, dass Erd- und Seekabel bei der Drehstromtechnik wegen der relativ hohen kapazitiven Beiwerte nur für Strecken von maximal 50 km verwendet werden können.