Mittel- und Niederspannungs-Schaltanlagen Schaltanlagen digitalisieren

Von Gunnar Zank

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Der Einsatz digitaler Schaltanlagen und die Analyse der von ihnen bereitgestellten Daten senken in vielen Anlagen die Betriebskosten – zum Beispiel durch das Überwachen von Leistungsschaltern, Abzweigen und Motorstartern.

Die Überwachung von MS-Schaltanlagen wie den hier gezeigten erfolgt mithilfe von Ethernet-basierten Kommunikationsverbindungen.
Die Überwachung von MS-Schaltanlagen wie den hier gezeigten erfolgt mithilfe von Ethernet-basierten Kommunikationsverbindungen.
(Bild: ABB)

In einer zunehmend elektrifizierten Welt spielen Schaltanlagen in nahezu allen Bereichen eine entscheidende Rolle für die konstante und zuverlässige Stromversorgung. Ihre Aufgabe ist es, die von Kraftwerken und Versorgungsnetzen kommende Energie von der Mittelspannungsebene (MS) mit bis zu 40,5 kV sicher und effektiv auf die in Verteilnetzen übliche Niederspannung (NS) mit bis zu 690 V zu übertragen. Schaltanlagen dieser Art umfassen verschiedene elektrische Geräte wie Leistungsschalter, Leistungsüberwachungsgeräte sowie Geräte zur Steuerung und zum Schutz von Motoren und Abzweigen.

Versteckte Kosten bei Schaltanlagen

Traditionelle Schaltanlagen sind mit vielen versteckten Kosten verbunden, die sich über deren Lebensdauer hinweg zu einem stattlichen Betrag summieren können. Dazu gehören:

  • die Kosten für die Implementierung der Geräte und Einstellung der richtigen Parameterwerte. Wenn die erforderlichen Informationen schwer zu finden sind, kann dies sehr zeitaufwändig sein.
  • Reibungen bei der Koordination zwischen Engineering- und Inbetriebnahmeteams, wenn das Design nicht genau der Realität vor Ort entspricht.
  • Testen der Anlage einschließlich der manuellen Erfassung von Betriebsdaten und Erstellung von Berichten, was wiederum eine kostspielige und zeitaufwändige Koordination zwischen Käufer, Betreiber und Hersteller erfordern kann.

Auch die Betriebskosten sind ein erheblicher Faktor bei klassischen Schaltanlagen. Dazu gehören Kosten für regelmäßige Sicht- und Funktionsprüfungen sowie Wartungsarbeiten, die eher vorbeugend als bedarfsorientiert durchgeführt werden. Mangelnde Informationen über den wirklichen Zustand eines Geräts zwingen den Betreiber häufig sogar dazu, reaktive Wartungsmaßnahmen vorzunehmen, teure Ersatzteile vorzuhalten oder ein geschultes Wartungsteam zu unterhalten. Trotz der damit verbundenen Kosten und Unterbrechung der Energieversorgung ist eine reaktive Wartung noch immer gängiger als eine vorbeugende Wartung.

Hinzu kommt, dass Schaltanlagen eine durchschnittliche Lebensdauer von 30 Jahren besitzen. Ändern sich während dieser Zeit die Leistungsanforderungen, kann es für den Betreiber schwierig sein, festzustellen, ob die vorhandene Anlage elektrisch und thermisch in der Lage ist, die neuen Anforderungen zu unterstützen. Dies kann dazu führen, dass unnötigerweise neue Geräte angeschafft werden.

Mit digitalen Schaltanlagen ist es erheblich leichter, Daten aus den gerätebasierten Silos zu befreien und für Analysen zur Verfügung zu stellen, aus denen sich dann kostensparende Maßnahmen ableiten lassen.

Zugang zu Daten nutzen

Die elektrische Infrastruktur generiert bereits heute Daten. Schutzrelais zählen z. B. Schaltvorgänge und Auslösungen – Daten, die genutzt werden können, um den Kontaktverschleiß und andere Schalterzustände zu schätzen. Motorsteuergeräte – die in verschiedenen Anwendungen von Industrieanlagen bis hin zu Klimasystemen zum Einsatz kommen – können Daten über Motorlastzustände erfassen, die dem Betreiber dabei helfen, Probleme in Motoren oder angeschlossenen Maschinen zu erkennen. Doch diese Daten sind nur nützlich, wenn der Nutzer in der Lage ist, sie zu erfassen, darauf zuzugreifen und in entsprechende Maßnahmen umzusetzen.

In vielen Fällen verbleiben die Daten dort, wo sie sind, weil es am notwendigen Fachwissen fehlt, um die intelligenten Geräte, Feldbusse und die Ethernet-Kommunikation einzurichten und zu programmieren, die für den Zugriff erforderlich sind. Können die Daten jedoch abgerufen und in ein einziges System integriert werden, lassen sie sich zur Bestimmung der richtigen Schwellenwerte, zur laufenden Überwachung der Leistungsfähigkeit und zur Unterstützung kostengünstiger vorausschauender Wartungsstrategien auf der Basis des tatsächlichen Anlagenzustands nutzen – was deutlich besser ist, als auf einen teuren Ausfall zu warten.

Mit digitalen Schaltanlagen ist es erheblich leichter, Daten aus den gerätebasierten Silos zu befreien und für Analysen zur Verfügung zu stellen, aus denen sich dann kostensparende Maßnahmen ableiten lassen.

Vorteile digitaler Schaltanlagen

Eine digitale Schaltanlagenlösung bietet dem Betreiber die Möglichkeit, Daten automatisch zu erfassen, zu speichern und zu analysieren, um datenbasierte Entscheidungen zu erleichtern und zusätzlichen Mehrwert durch Lebensdaueranalysen zu generieren.

Die Daten können z. B. genutzt werden, um eine Zustandsüberwachung zu realisieren, die in der Lage ist:

  • die Funktion und Leistungsfähigkeit von Schaltanlagen vor einer Werksabnahmeprüfung zu verifizieren,
  • den Zustand der Schaltanlage bei Werksabnahmeprüfungen und der Inbetriebnahme in einem Zustandsbericht nachzuweisen,
  • Elemente zu erkennen, die repariert werden müssen, bevor sie im Betrieb ausfallen,
  • Leistungsdaten zu analysieren, um zustandsbasierte Wartungsanforderungen zu bestimmen,
  • eine bessere Vorausplanung von Wartungsarbeiten und den Umstieg von einer vorbeugenden auf eine vorausschauende Wartung zu ermöglichen.

Mit der Erfassung von Vor-Ort-Daten über die gesamte Lebensdauer der Schaltanlage hinweg schaffen digitale Schaltanlagenlösungen zudem die Grundlage für Asset-Management-Lösungen, die in der Lage sind, die Restnutzungsdauer elektrischer Betriebsmittel und die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen besser abzuschätzen.

Noch effektiver ist es, die Schaltanlagen oder das gesamte elektrische System am Standort um eine umfassende Zustandsüberwachung zu ergänzen. Diese Lösungen nutzen ausgeklügelte Datenanalysen und Algorithmen, um die von den Geräten kommenden Daten automatisch und kontinuierlich in handlungsrelevante Erkenntnisse umzusetzen, die für das Wartungspersonal über ein Dashboard zugänglich sind. Zusammen mit bisherigen Lebensdauerdaten wie dem Datum der Inbetriebnahme, Wartungsdaten und durchgeführte Wartungshandlungen werden daraus praktische Informationen, die die Grundlage für Entscheidungen bilden.

Bestehende Schaltanlagen digitalisieren

Blick in eine MS-Schaltanlage von Typ Unigear Digital.
Blick in eine MS-Schaltanlage von Typ Unigear Digital.
(Bild: ABB)

Die Digitalisierung von Schaltanlagen ist nicht auf neue Installationen beschränkt. Jede Schaltanlage lässt sich nach Bedarf durch Hinzufügen von intelligenten Geräten und Sensoren digitalisieren.

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Bei der Digitalisierung von Schaltanlagen spielen verschiedene Technologien eine Rolle. Für die Überwachung werden digitale MS- und NS-Schaltanlagen z. B. über Ethernet-basierte digitale Kommunikationsverbindungen vernetzt. Gängige Kommunikationsprotokolle sind IEC 61850 und Modbus TCP oder OPC UA, die auch in vielen IIoT-Plattformen (Industrial Internet of Things) zum Einsatz kommen.

Je mehr Sensortechnologien zur Verfügung stehen, desto „digitalisierter“ wird der Leistungsschalter und kann genauere Informationen über seinen Zustand liefern.

Schalter und Relais als Kernelemente

Leistungsschalter mit intelligenten elektronischen Einheiten (IEDs) wie die Relais der ABB-Relion-Familie oder die Schutz- und Steuereinheiten der Ekip-Reihe für NS-Leistungsschalter gehören zu den Kernelementen der Schaltanlagendigitalisierung. Die IEDs übernehmen Schutz- und Steuerfunktionen und verfügen zudem über eine Zustandsüberwachungsfunktion. Diese liefert dem Betreiber Daten, die analysiert und zur Planung von Wartungsmaßnahmen oder Funktionsprüfungen des Leistungsschalters genutzt werden können. Gleichzeitig ermöglicht ein Laufzeitzähler die Planung zeitabhängiger Wartungsarbeiten für den angeschlossenen Motor oder Transformator. Zu den erfassten Daten gehören:

  • elektrische Parameter wie Strom, Spannung und Leistung,
  • Alarme und Ereignisse mit Zeitstempel,
  • Leistungsschalter-Zustandsdaten mit Zählerdaten und Werten in Echtzeit und
  • Veränderungen in der Auslastung.

Je mehr Sensortechnologien zur Verfügung stehen, desto „digitalisierter“ wird der Leistungsschalter und kann genauere Informationen über seinen Zustand liefern. Die Erfassung und Überwachung von Daten von anderen Schaltanlagenkomponenten und Sensoren – wie Erdungsschaltern, Trennschaltern und Türkontakten – liefert zusätzliche Informationen über den elektrischen und mechanischen Zustand der Anlage, ohne dass Personen im Schaltraum anwesend sein müssen.

Thermomanagement mit digitalen Schaltanlagen

Mit einer Zustandsüberwachung der MS- und NS-Schaltanlagenabschnitte oder -felder können Temperatur- und Feuchtigkeitsdaten vom Schaltraum und vom Inneren der Schaltanlage erfasst werden. Diese Daten liefern einen Einblick in die Betriebsbedingungen und möglichen Auswirkungen auf die Schaltanlage im Laufe ihrer Lebensdauer. Darüber hinaus hilft eine dauerhafte Temperaturüberwachung kritischer elektrischer Verbindungen bei der Beseitigung manueller Wartungsaufgaben und sorgt für eine kontinuierliche Datenaufzeichnung und -analyse. Bei MS-Schaltanlagen können durch Überwachung der Isolierung und der Teilentladungen noch weitere Informationen gewonnen werden.

Blick in eine Niederspannungs-Schaltanlage.
Blick in eine Niederspannungs-Schaltanlage.
(Bild: ABB)

NS-Schaltanlagen werden vorwiegend genutzt, um Hunderte von Lasten wie Motoren oder Unterverteilungen mit Energie zu versorgen. Die Schaltanlagen befinden sich in der Regel in verschiedenen Bereichen einer Anlage und sind häufig schwankenden oder extremen Temperaturen und Luftfeuchtigkeitswerten ausgesetzt. Auch wenn Schaltanlagen darauf ausgelegt sind, diesen Einflüssen und einer gewissen inneren Wärmeentwicklung standzuhalten, kann es bei erhöhten Anforderungen an die Ausrüstung zu zusätzlicher Wärmeentwicklung kommen. Üblicherweise rechnet der Betreiber aus, wie viel zusätzliche Last angeschlossen werden kann, ohne die thermische und elektrische Belastbarkeit zu überschreiten – ein Vorgang, bei dem es leicht zu Fehlern und Fehlannahmen kommen kann. Digitale Schaltanlagen liefern hingegen wertvolle historische und aktuelle Daten, die Betreibern und Planern helfen, bei vorgesehenen Erweiterungen richtig zu entscheiden.

Auch bei NS-Schaltanlagen gibt es verschiedene Module, die Motoren oder externe Lasten speisen. Dies ist ein weiterer Bereich, in dem die Wartung – obwohl regelmäßig erforderlich – manchmal übersehen wird. So verfügen herausnehmbare Module über speziell konstruierte Kontaktsysteme für die Stromanschlüsse, die einer bestimmten Anzahl von Betätigungen standhalten. Diese Kontaktsysteme müssen gewartet (z. B. geschmiert) werden. Intelligente Geräte wie Leistungsmesser und Motorsteuergeräte können dabei helfen, Daten von einem Schaltanlagenmodul bereitzustellen. Diese Geräte überwachen verschiedene Parameter, die ein besseres Verständnis des tatsächlichen Zustands ermöglichen.

Intelligente NS-Motorsteuerungen sind eine weitere Gruppe von Geräten, deren digitale Fähigkeiten häufig nicht vollständig ausgeschöpft werden. Neben ihrer primären Funktion – der Motorsteuerung und dem Motorschutz – sind diese Geräte in der Lage, zusätzliche wertvolle Daten zu erfassen, z. B.:

  • Motorströme und Asymmetrien
  • Thermische Belastung
  • Betriebs- und Zustandsdaten
  • Temperatur, Luftfeuchtigkeit und andere Daten über zusätzliche Sensoren

Ungewöhnliche Motorströme und Asymmetrien können auf Probleme mit einem Motor oder einer angeschlossenen Maschine hindeuten. Diese Daten bieten dem Nutzer die Möglichkeit, die Überwachung auf den gesamten Antriebsstrang auszudehnen.

In der Edge und darüber hinaus

Ein hybrider Edge-/ Cloud-Ansatz bietet dem Nutzer das Beste aus beiden Welten: geringe Latenz, schnelle lokale Verarbeitung und eine fortschrittliche tiefe Verarbeitung an einem entfernten, mit großer Rechenleistung ausgestatteten Standort.
Ein hybrider Edge-/ Cloud-Ansatz bietet dem Nutzer das Beste aus beiden Welten: geringe Latenz, schnelle lokale Verarbeitung und eine fortschrittliche tiefe Verarbeitung an einem entfernten, mit großer Rechenleistung ausgestatteten Standort.
(Bild: ABB)

Um die vielen Vorteile digitaler Schaltanlagen vollständig nutzen zu können, ist eine sorgfältige Analyse der generierten und erfassten Daten erforderlich. Jede Analyse vor Ort ist dabei generell auf lokale Daten beschränkt, d. h. Situationen und Erfahrungen von anderen Standorten werden nicht berücksichtigt. Sollten also alle Daten zur weiteren Analyse und Verarbeitung mithilfe von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz an ein Rechenzentrum übermittelt werden? Nicht unbedingt. Die Daten können auch in Echtzeit auf einem lokalen Computer, Server oder sogar dem Gerät, das die Daten erfasst, verarbeitet werden. Diese Verarbeitung im lokalen Netzwerk wird als Edge Computing bezeichnet.

ABB Ability umfasst verschiedene Industrielösungen von ABB, die digitale Technologien nutzen. ABB digitalisiert das komplette Angebot an Produkten und Dienstleistungen mithilfe einer cloudbasierten Plattform auf Basis der Microsoft-Azure-Technologie, um eine breite Palette von Analysen und Services bereitzustellen. Da ABB-Ability-Lösungen auch auf Edge-Geräten installiert werden können, hat der Nutzer die Möglichkeit, beim Wartungsmanagement auf Systeme vor Ort oder cloudbasierte Lösungen zurückzugreifen.

Ein Edge-Gerät lässt sich relativ kostengünstig installieren und betreiben, bietet aber dennoch ein geeignetes Maß an Rechenleistung und Speicherkapazität. Dies macht es zu einer effektiven Lösung, ganz gleich, ob es ausschließlich lokal genutzt oder mit der Cloud verbunden wird. Viele Betreiber digitaler Schaltanlagen nutzen Edge Computing wegen der damit verbunden Reduzierung der Latenz, der verminderten Abhängigkeit von Rechenzentren und der geringeren Bandbreitenanforderungen als einen wichtigen Bestandteil ihrer hybriden Datenarchitektur. Die Anbindung an cloudbasierte ABB-Ability-Lösungen bietet dem Nutzer Zugang zu erweiterten Vorhersagen, die ihm dabei helfen, Ausfallwahrscheinlichkeiten standort- und anlagenübergreifend zu erkennen.

* Gunnar Zank ist tätig bei: ABB Electrification, Distribution Solutions Heidelberg, ABB.

(ID:48483209)