Sep 24, 2018
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Erdschluss

Schutzprüfung und Erdschlussversuche an der 20-kV-Baustromversorgung „Semmering-Basistunnel"

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erzlich Willkommen liebe Freunde der Schutz- und Leittechnik, das Bauprojekt „Semmering-Basistunnel“ gehört zu einem der größten Tunnelbauprojekte derzeit in Europa. Die Versorgung der Baustelle mit elektrischer Energie ist eine wichtige Schüsselressource, um den Bauvorschritt effektiv voran zu bringen. Die Firma OMEXOM hat den Auftrag, den Bauabschnitt Fröschnitzgraben mit Strom zu versorgen und baut aus diesem Grund ein 20-kV-Mittelspannungsnetz mit mobilen Containerstationen für die Bauphase auf. Um die Funktionalität der Schutzgeräte zu prüfen, werden in engen Intervallen Schutzprüfungen durchgeführt, die in diesem Beitrag näher betrachtet werden. Um die Selektivität des Schutzkonzeptes nachzuweisen, wurden zusätzlich Erdschlussversuche durchgeführt und ausgewertet.

1 Das Bauprojekt „Semmering Basistunnel“

Zur Überwindung des Semmering-Passes wurde 1854 die von Carl von Ghega geplante Semmeringbahn eröffnet.

In ihrer Funktion als Teilstück der Südbahn, einer der meistbefahrenen Bahnstrecken Österreichs, verursacht die Semmeringbahn heute erhebliche betriebliche Einschränkungen:

- Die lange Fahrtdauer (circa eine Stunde von Wiener Neustadt nach Mürzzuschlag) ist vor allem im Personenverkehr gegenüber dem Auto nicht mehr konkurrenzfähig.

- Wegen des eingeschränkten Lichtraumprofils in den Tunnels ist kombinierter Güterverkehr (Rollende Landstraße) und der Einsatz von Doppelstockwagen im Personenverkehr nicht möglich.

- Da wegen der starken Steigungen schwere Güterzüge mit Vorspanntriebfahrzeugen geführt oder in mehrere Teile zerlegt werden müssen, entstehen betriebliche Komplikationen und zusätzliche Kosten.

- Die Kurvenradien sind gering und lassen deshalb nur geringe Fahrgeschwindigkeiten zu, was die Streckenkapazität beschränkt.

- Die zahlreichen Kunstbauten verursachen hohe Unterhaltskosten.

- Die engen Kurvenradien führen zu einer starken Abnutzung der Schienen, was die Erhaltung ebenfalls verteuert.


- Unter anderem wegen des Beitritts Sloweniens zur EU 2004 steigt die Nachfrage nach Transportleistungen auf einer europäischen Nord-Süd-Achse.

Bild 1 Übersicht Bauprojekt „Semmering Basistunnel“

Der 27,3 Kilometer lange Tunnel soll 2026 fertiggestellt sein und in zwei parallel geführten Röhren Gloggnitz und Mürzzuschlag verbinden. Am 25. April 2012 erfolgte in Gloggnitz der erste Spatenstich. Die ersten Baumaßnahmen wurden in den Freistreckenbereichen durchgeführt und umfassten u. a. die Errichtung von Brücken und Straßen, sowie flussbauliche Maßnahmen. 2014 wurde der eigentliche Tunnelbau begonnen. Er soll bis 2026 abgeschlossen sein. Der zu bauende Abschnitt wird eine Geschwindigkeit von bis zu 230 km/h erlauben. Aufgrund der Größe des Vorhabens wurde das Projekt in fünf Bauabschnitte gegliedert:

- Portalbereich Gloggnitz
 - Freistrecke an der östlichen Tunneleinfahrt

- Tunnelabschnitt Gloggnitz

- 7 km Tunnelvortrieb, konventionell im Spreng- und Baggerverfahren

- Tunnelabschnitt Fröschnitzgraben


- 13 km Tunnelvortriebsstrecken in zwei Richtungen


- In Richtung Osten über 8,6 km Vortrieb mit zwei Tunnelbohrmaschinen


- In Richtung Westen 4,3 km mit konventionellem Vortrieb

- Tunnelabschnitt Grautschenhof

- 7 km Tunnelvortrieb, konventionell im Spreng- und Baggerverfahren

- Portalbereich Mürzzuschlag

- Ausfahrtsbereich und ein Stück Tunnel in offener Bauweise  [1]

1.1 Tunnelabschnitt Fröschnitzgraben

Dieser Abschnitt besteht aus dem Zwischenangriff Fröschnitzgraben und insgesamt 13 km Tunnelvortriebsstrecken, die vom Zwischenangriff aus in zwei Richtungen vorgetrieben werden. Der Zwischenangriff liegt im Tal des Fröschnitzgrabens südlich der Ortschaft Steinhaus am Semmering. Für die östliche Teilstrecke in Richtung Gloggnitz von ca. 8,6 km Länge erfolgt der Vortrieb mit zwei Tunnelbohrmaschinen, die westliche Strecke Richtung Mürzzuschlag wird auf 4,3 km mit konventionellem Vortrieb in der Neuen Österreichischen Tunnelbaumethode (NÖT) aufgefahren. Der Zwischenangriff besteht aus zwei 400 m tiefen Schächten mit ca. 10 m Durchmesser, an deren Sohle eine Kaverne errichtet wird, von der aus ab 2017 die untertägigen Arbeiten gestartet wurden. In dieser Kaverne wird später eine unterirdische Nothaltestelle für den Zugverkehr entstehen. Der Ausbruch wird über die Schächte zutage gefördert, zur Ablagerung des Materials wurde in der Nähe die Deponie Longsgraben angelegt. Zur Erschließung des Baustellenbereiches waren umfangreiche Vorarbeiten erforderlich, die in den Jahren 2012 bis 2014 durchgeführt wurden. Dazu zählen eine neue Anlage zur Trinkwasserversorgung der Gemeinde Spital am Semmering, Errichtung und Ertüchtigung von Baustraßen und der Pfaffensattel-Landesstraße, Bau einer temporären Baustellen-Ausfahrt an der Semmering Schnellstraße und einer Umfahrung in Steinhaus am Semmering und nicht zuletzt die Vorbereitung des Longsgraben als Deponiefläche für den Tunnelausbruch. [1]

Bild 2 Bauabschnitt Fröschnitzgraben über Tage

2. Baustromversorgung Tunnelabschnitt Fröschnitzgraben

Die Firma OMEXOM steht als Komplettdienstleister bei der Stromversorgung an Baustellen, wie dem „Semmering-Basistunnel“, von der Planung bis zur Wartung während der gesamten Bauphase zur Verfügung. Beim Einsatz von Transformatorstationen zur Versorgung von Baustellen im Tunnelbau gelten dabei ganz besondere Herausforderungen:

- Erschwerte Umgebungsbedingungen (Staub, Temperatur, Druck, Feuchtigkeit)

- Beengte Platzverhältnisse – schmale Bauform zur Platzierung in engsten Räumlichkeiten

- Hohe Robustheit und Zuverlässigkeit

- Große Mobilität – Verfahren der Station im laufenden Betrieb

Das Sortiment an Tunnelstationen wurde ganz auf die Belange von Tunnelbaustellen ausgelegt, geplant und konstruiert. Neben einer äußerst kompakten Bauform, die speziell für den Einsatz in beengten räumlichen Verhältnissen geplant wurde, können modular den unterschiedlichsten Zusatzwünschen der Kunden gerecht werden. [2]

Bild 3 Tunnelbaustromstation von OMEXOM

Am „Semmering-Basistunnel“, Tunnelabschnitt Fröschnitzgraben, hat die Firma OMEXOM den Auftrag erhalten, mit ihren mobilen Tunnelstationen die Baustelle mit Strom zu versorgen. Dabei werden neben üblichen Baumaschinen und Beleuchtung, auch der 60-Tonnen-Aufzug in den 400 Meter tiefen Schacht, die Grundwasserpumpen und die Tunnelbohrmaschinen versorgt.

2.1 Das Mittelspannungsnetz zur Baustromversorgung

Das 20-kV-Mittelspannungsnetz zur Baustromversorgung wird von zwei 12,5-MVA-Transformatoren aus dem 34,5-kV-Netz der Stewag versorgt. Durch die Yd5-Transformatoren ist das Mittelspannungsnetz galvanisch vom Stewag-Netz entkoppelt und wird isoliert betrieben.

Über Tage versorgen drei 20-kV-Mittelspannungsanlagen die Baustelle. Mit zwei Mittelspannungskabeln und weiteren Mittelspannungsanlagen in Containerstationen wird die Baustelle unter Tage versorgt.

Bild 4 20 kV Mittelspannungsnetz zur Baustromversorgung

Die Versorgung der Baustelle unter Tage ist somit redundant ausgeführt, so dass für Wartungsarbeiten und im Falle einer Störung, die Baustelle weiter versorgt werden kann.

2.2 Schutzkonzept der Baustromversorgung

Wie im vorigen Abschnitt beschrieben, ist die Baustromversorgung ein wichtiger Bestandteil der Baumaßnahme. Aus diesem Grund kommt dem Schutzkonzept ebenso eine wichtige Bedeutung zu. Die zwei Einspeisetransformatoren werden jeweils mittels eines Transformatordifferentialschutzes geschützt. Im weiteren Verlauf werden dann alle weiteren Betriebsmittel mittels gestaffeltem Überstromzeit-, sowie empfindlichem Erdschlussschutz geschützt. Da es sich bei dem Netz um ein einfaches Strahlennetz handelt und während der verschiedenen Bauphasen das Schutzkonzept möglichst übersichtlich sein soll, ist dieses Konzept einfach gehalten.

Des Weiteren gibt es für Tunnelanlagen einige zusätzliche Sicherheitsanforderungen. Zum Beispiel müssen Erdschlüsse auch im kompensierten Netz nach kurzer Zeit abgeschaltet werden.

Die Umgebungsbedingungen in einer Tunnelbaustelle sind für die Betriebsmittel eine weitere Herausforderung:

- Häufige Schalthandlungen an Mittelspannungsfeldern, um Betriebsmittel zu schalten.

- Sehr hohe Verschmutzung durch Staub von Bohr- und Sprengarbeiten.

- Häufige Ortswechsel der Baustromstationen im Verlauf des Tunnelbaus.

- Betrieb von schweren Baumaschinen und Sprengarbeiten als mechanische Belastung für Containeranlagen und Kabel.

Bild 5 Bauabschnitt Fröschnitzgraben unter Tage

Für die Mittelspannungskabel unter Tage gibt es zusätzlich einen besonderen Schutz. Im Tunnel werden sogenannte Trossenkabel verlegt, die mittels eines Überwachungsgerätes zusätzlich auf Beschädigungen überwacht werden. Das Überwachungsgerät löst im Ernstfall, genauso wie das Schutzgerät, den Mittelspannungsleistungsschalter aus.

3 Schutzprüfung der Baustromversorgung

Bei einer Wiederholungprüfung bot sich für die Firma OMICRON die Möglichkeit, die Firma OMEXOM vor Ort auf der Baustelle zu unterstützen und zu begleiten. Bei den Wiederholungsprüfungen der Schutzgeräte wurden sowohl die Differentialschutzprüfungen als auch die Überstromzeitschutzprüfungen mittels Test Universe Control Center Prüfungen und einem CMC 356 durchgeführt. So konnte in sehr kurzer Zeit effizient und ausführlich die Funktionalität der Schutzgeräte überprüft werden.

Schon für die Auslegung der Schutzparameter für den Überstromzeitschutz und den Erdschlussschutz nutzte die Firma OMEXOM die Software RelaySimTest. Das Mittelspannungsnetz konnte in kurzer Zeit in der Software nachgestellt werden und mittels Steady-State-Berechnung waren die zu erwartenden Fehlerströme schnell bekannt und konnten für die Parametrierung der Schutzgeräte verwendet werden. Da so bereits alle Netzgrößen in der Prüfsoftware RelaySimTest vorhanden waren, nutzte man diese direkt, um die Erdschlussszenarien zu prüfen. Da es sich bei dem 20-kV-Netz um ein isoliertes Netz handelt, wollte man mit der realistischen Simulation sicherstellen, dass im Falle eines Erdschlusses das Schutzkonzept selektiv auslöst.

Bild 6 Schutzprüfung in der Baustrom-Containerstation mit dem CMC 356

Alle Schutzprüfungen konnten, inklusive des Mittelspannungsnetzes, in einer einzigen RelaySimTest- Datei verwaltet werden. Bei den jeweiligen Szenarien wurde dann entsprechend geprüft, ob der gerichtete, empfindliche Erdschlussschutz korrekt vorwärts auslöst oder rückwärts anzeigt.

Bild 7 Erdschlussschutzprüfung mit RelaySim Test

4 Erdschlussversuche

Um zu verifizieren, dass das geplante Schutzkonzept auch richtig funktioniert, wurden auch zusätzliche Erdschlussversuche geplant und durchgeführt. Ziel der Versuche war es, die Funktionsweise und Selektivität des Schutzes nachzuweisen. Hierbei wurde ein Zeitpunkt gewählt, bei der auf der Baustelle alle Baustrom-Mittelspannungsstationen von Elektrikern besetz waren, so dass im Falle einer nicht erfolgreichen Prüfung entsprechend kurzfristig reagiert werden konnte. Sollte es zu einem realistischen Problem, beispielsweise an einem Feiertag kommen, so könnte es doch recht lange dauern, bis alle Anlagen wieder zugeschaltet werden können.

4.1 Nicht-selektive Auslösung

Bei dem Erdschlussversuch wurde ein altes, luftisoliertes Mittelspannungsfeld außerhalb einer Baustromstation aufgebaut. An einem Reserve-Mittelspannungsfeld mit Leistungsschalter der Baustromstation wurde dann ein Mittelspannungskabel angeschlossen und zum alten Schaltfeld geführt. Über eine Erdungsgarnitur ist dann im alten Schaltfeld eine Phase geerdet worden. Somit bestand nun die Möglichkeit, mittels Leistungsschalter auf einen satten Erdschluss zu schalten.

Bild 8 Einlegen der Erdungsgarnitur zur scharfen Erdschlussprüfung

In diesem Falle war eigentlich geplant, dass das Schutzgerät in der zugeschalteten Zelle unmittelbar wieder auslöst und so den Erdschluss klärt. Jedoch kam es dazu, dass dieses Gerät nicht reagierte und das vorgelagerte Schutzgerät den Fehler abschaltete.

Das Netz konnte schnell umgeschaltet werden, so dass es zu keiner Beeinträchtigung auf der Baustelle kam, jedoch war jetzt erst einmal Ursachenforschung angesagt. Bei der Analyse viel auf, dass das betroffene Schutzgerät noch nicht einmal angeregt hatte, somit wurde der Versuchsaufbau noch einmal überprüft. Hierbei stellte sich heraus, dass das temporäre, luftisolierte alte Schaltfeld nur über den Schirm des angeschlossenen Mittelspannungskabels geerdet war. Somit kam es dazu, ähnlich wie bei einem einseitig geerdeten Mittelspannungskabel, dass sich der Erdschlussstrom im Summenstromwandler zu Null addierte und das Schutzgerät den Erdschluss nicht lokal erfassen konnte. Über die Holzpalette, auf dem das alte Schaltfeld stand, konnte zudem kein nennenswerter Strom in das Erdreich abgeleitet werden. Dieser Umstand zeigte auch den Nachteil einer beispielsweisen einseitigen Erdung von Mittelspannung.

Bild 9 Prüfaufbau Erdschlussversuch

Das Schutzkonzept hat in diesem Falle aber korrekt reagiert und der Reserveschutz die Fehlerklärung übernommen.

4.2 Selektive Auslösung beim 2. Versuch

Beim zweiten Erdschlussversuch wurde dann das Schaltfeld zusätzlich geerdet. Um eine nicht-selektive Auslösung wie beim ersten Versuch zu verhindern, wurde zusätzlich ein State-Sequenzer am CMC parametriert, so dass mit Einschalten des Leistungsschalters eine Maximalzeit ablief, die im Fehlerfall den Leistungsschalter wieder abschaltet. Diese Notschaltung wurde jedoch nicht benötigt, da beim Zuschalten des Leistungsschalters dieser dann direkt wieder auslöste. Wie geplant, schaltete das betroffene Schutzgerät nach der eingestellten Zeit ab und der Erdschluss konnte so nach 560 ms geklärt werden.

Bei dem Versuch wurden die Erdschlüsse noch in einer Station über Tage mit einem CMC 430 und dem EnerLyzer Live aufgezeichnet. Die Messungen dienten, zusätzlich zu den Störschrieben der Schutzgeräte, zur Verifikation der Fehlerströme und der Berechnungen mit RelaySimTest. In der transienten Aufzeichnung konnte man gut erkennen, dass es nach der Fehlerklärung noch ca. 2 Sekunden dauerte, bis die Verlagerungsspannung vollständig abgeklungen war. Diese Zeit benötigt das Mittelspannungsnetz, die Ka- belkapazitäten wieder zu laden.

Bild 10 Aufzeichnung des Erdschlusses mit dem EnerLyzer Live

Der zweite Erdschlussversuch sollte dann kurz vor Weihnachten stattfinden und die Mitarbeiter von OMEXOM haben darum gebeten, dass ein OMICRON Mitarbeiter über die Triggereinstellung und Konfiguration des EnerLyzer Live drüber schaut. Da ein solcher Erdschluss ja auch immer eine Belastung für das Netz und die Betriebsmittel ist, sollten die Versuche nicht beliebig oft wiederholt werden und beim zweiten Versuch sollte alles auf Anhieb funktionieren. Da sich der OMICRON Mitarbeiter mit seiner Familie bereits mit dem Auto auf dem Weg in die Weihnachtsferien befand, kam es dazu, dass er auf der Rücksitzbank des Autos auf der Autobahn, per TeamViewer und EnerLyzer Live, einen Erdschluss live beobachten konnte, der ca. 700 km von ihm entfernt erfolgreich geklärt wurde.

Bild 11 Aufzeichnung des Erdschlusses mit dem CMC 430 und dem EnerLyzer Live

5 Fazit

Die Baustromversorgung von Tunnelanlagen hat ganz besondere Anforderungen und Eigenheiten. Schnelllebigkeit und raue Umgebungsbedingung müssen die Betriebsmittel und das Schutzkonzept aushalten. Aus diesem Grund sind Schutzprüfungen auf den Baustellen umso wichtiger. Mittels Test Universe und OCC können durch die Automatisierung der Schutzprüfungen die erforderliche Zeit für die Wartung optimiert werden. Mit RelaySimTest besteht die Möglichkeit, Erdschlüsse in isolierten Netzen einfach zu berechnen und auszugeben, um die Funktion des Schutzkonzeptes zu verifizieren. Praktische Erdschlussversuche sind abschließend der absolute Systemtest. Hier kann geprüft werden, ob auch alle vorher einzeln geprüften System-Hand-in-Hand-Arbeiten und die Stromversorgung der Großbaustelle sichergestellt sind. Eine transiente Aufzeichnung des Erdschlusses mittels EnerLyzer hilft bei der Dokumentation des Versuchs.

Literatur und Quellen

[1] https://infrastruktur.oebb.at/de/projekte-fuer-oesterreich/bahnstrecken/suedstrecke-wien-villach/semmering-basistunnel

[2]     https://www.omexom.de/loesungen/verteilung/mittelspannungs-baustromversorgung.html

Über die Autoren

Alexander Mezger, geboren 1980 in Marbach/Deutschland. Von 2002 - 2008 Netzplanung- und Entwicklung bei einem Stadtwerk in Baden-Württemberg. Seit 2008 Bauleiter bei der Omexom GA Süd im Bereich Baustromversorgung von Großbaustellen bis 36 kV. Spezialgebiet Elektrische Energieversorgung und Messtechnik im Tunnel- und Untertagebau.

alexander.mezger@omexom.com

Dipl.-Ing. (FH) Christopher Pritchard, geboren 1982 in Dortmund / Deutschland. Er erhielt sein Diplom in Elektrotechnik an der Fachhochschule Dortmund 2006. Seit 2006 arbeitet er für OMICRON electronics in der Software-Entwicklung im Bereich Prüflösungen für Schutz- und Messsysteme. Momentan ist er verantwortlich für das Produktmanagement von Anwendungssoftware für Schutzprüfung.

christopher.pritchard@omicronenergy.com

Dipl.-Ing. (FH) Florian Fink, geboren 1983 in Bergisch Gladbach. Er studierte elektrische Energietechnik an der Fachhochschule in Köln, wo er 2009 sein Diplom (Dipl.-Ing. FH) erhielt. Von 2009 bis 2012 arbeitete er bei Cegelec Deutschland als Projekt-Ingenieur und von 2012 bis 2013 bei InfraServ Knapsack als Planungsingenieur. Seit 2013 arbeitet er bei OMICRON im Produktmanagement und kümmert sich um Lösungen für Industrie- und Verteilnetze.

florian.fink@omicronenergy.com

(Dieser Artikel wurde im Rahmen der Omicron Anwendertagung 2018 in Berlin veröffentlicht)

HERZliche Grüße Alex

OmicronOmicron