Freileitungs-Monitoring (Abkürzung FLM), auch Freileitungs-Temperatur-Monitoring oder witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb, ist ein Regelungsverfahren in Stromnetzen, mit dem die Übertragungskapazität von Freileitungen besser ausgenutzt wird.
Definition und Nutzen Die Übertragungskapazität von Freileitungen wird durch die maximale Betriebstemperatur des Leiterseils begrenzt. Haupteinflussfaktoren für diese Betriebstemperatur sind der Stromfluss im Leiter und die klimatischen Umgebungsbedingungen. Bei einer ohne FLM betriebenen Freileitung wird der Stromfluss anhand eines konservativ festgelegten Normklimas begrenzt. Statt der Annahme eines Normklimas wird beim Freileitungs-Monitoring die Betriebstemperatur entweder direkt gemessen, oder die Kühlwirkung des Wetters wird entlang der Trasse anhand realer Klimadaten modelliert.
Freileitungs-Monitoring wird besonders auf bestehenden Trassen des Höchstspannungsnetzes eingesetzt und kann deren nutzbare Übertragungskapazität um bis zu 50 % der Nennleistung erhöhen. Wegen des Ausbaus der Erneuerbaren Energien besonders mit Windkraftanlagen ist es erforderlich, die Kapazität der Übertragungsnetze vor allem in der Nord-Süd-Flussrichtung zu erhöhen. Freileitungs-Monitoring ist neben der Verwendung von Hochtemperatur-Leiterseilen das Hauptmittel dazu. Es kann unter Umständen helfen, den Neubau von Trassen zu vermeiden.
Hintergrund Die Übertragungskapazität von Freileitungen, bezogen auf den Leiterquerschnitt auch Strombelastbarkeit genannt, ist der maximale Stromfluss, der unter Einhaltung von Sicherheitsbestimmungen dauerhaft erreicht werden kann. Bei gegebenem Material und Leitungsdurchmesser des Leiterseils wird die Übertragungskapazität durch die Leiterseiltemperatur begrenzt. Eine Betriebstemperatur größer als 80 °C muss dabei nach EN 50182 vermieden werden, da darüber der Seildurchhang infolge von Wärmeausdehnung zu groß wird, und dadurch ein Kontakt der Leitung mit Boden oder Vegetation bzw. Überschlag droht. Auch kann das Seilmaterial durch stark erhöhte Temperaturen seine Festigkeit verlieren.Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz: Elektrische Energieversorgung: Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie für Studium und Praxis, 8. Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0736-6, S. 356–357.
Neben dem Wärmeeintrag durch den Widerstand, den der elektrische Strom im Leiterseil erfährt, ist die Kühlung (seltener auch Erwärmung) durch die Umgebung der andere wesentliche Faktor für die Leiterseiltemperatur. Die dafür wesentlichen Faktoren sind Umgebungstemperatur, Windgeschwindigkeit, Sonneneinstrahlung und Niederschlag. Die Luftfeuchte spielt während der warmen Jahreszeiten keine wesentliche Rolle. Eine Eisschicht auf den Leitungen, wie sie in kalten Jahreszeiten auftreten kann, hat einen wesentlichen Einfluss auf den Wärmehaushalt des Leiterseils. Der Winter ist jedoch im Sinne der maximalen Leiterseiltemperatur kein auslegungsrelevanter Betriebszustand.Ralf Puffer: (PDF; 1,9 MB). Vortrag vom 6. Mai 2010 am Institut für Hochspannungstechnik der RWTH Aachen, S. 5–6.
In der Europäischen Norm EN 50182 („Leiter für Freileitungen – Leiter aus konzentrisch verseilten runden Drähten“) wird die Dauerstrombelastbarkeit festgelegt, die unter der Worst-Case-Annahme eines heißen Sommertages ohne Wolken und praktischer Windstille zur Einhaltung der maximal zulässigen Leiterseiltemperatur führt. Dadurch werden die Mindestabstände des Leiters zum Boden oder anderen Objekten eingehalten. Diese Umgebungsbedingungen sind in der Norm auf 35 °C Außentemperatur, volle Globalstrahlung mit 900 W/m² und 0,6 m/s Windanströmung rechtwinklig zum Leiter gemäß EN 50341 („Freileitungen über AC 45 kV“) festgelegt.DIN EN 50182:2001-12: Leiter für Freileitungen – Leiter aus konzentrisch verseilten runden Drähten; Deutsche Fassung EN 50182:2001. Beuth, Berlin 2001. Solche klimatischen Bedingungen kommen in Mittel- und Nordeuropa nur selten vor. Dadurch werden dort Freileitungen meist mit erheblicher Übertragungsreserve betrieben.
Verfahren Beim Freileitungs-Monitoring verzichtet man auf die statischen Worst-Case-Annahmen gemäß EN 50182 und überwacht stattdessen Klimadaten entlang der Trasse und gegebenenfalls die Betriebstemperatur der Leiterseile. Bei günstigen Witterungsbedingungen, beispielsweise Starkwind oder niedriger Außentemperatur, können die Leiter stärker belastet werden, als es unter klimatischen Normbedingungen der Fall wäre. Das Problem überlasteter Übertragungsnetze tritt in Mitteleuropa besonders seit Beginn des starken Ausbaus der Erneuerbaren Energien bei Windenergiespitzen auf. Die besonders leistungsfähigen Windkraftanlagen befinden sich in Überschussgebieten mit starkem Wind und wenigen Verbrauchern. Gerade zu Zeiten von hohem Übertragungsbedarf durch starke Windenergieeinspeisung herrscht naturgemäß auch viel kühlender Wind. So kann durch FLM die Strombelastbarkeit von Freileitungen in Küstennähe um bis zu 50 % erhöht werden.
Beim Freileitungs-Monitoring wird direkt oder indirekt die Leiterseiltemperatur gemessen. Die Messung geschieht punktweise mit Sensoren oder integrativ über die Gesamtlänge eines überwachten Abschnitts. Die Messsignale werden von den Aufnehmern zum Leitstand übertragen. Im Leitstand werden die Messsignale verarbeitet. Dazu dient eine spezielle Software, die neben den Messsignalen auch den Zustand des Systems selbst (z. B. Batteriereichweite) überwacht. Aus den Anzeigen dieser Software ist ersichtlich, mit wie viel Prozent Auslastung eine Leitung gefahren wird. Da thermodynamische Systeme eine Trägheit besitzen, kommt dazu bei manchen Systemen eine Prognosefunktion, die sich aus Wettervorhersagen und dem Stromfahrplan speist. Mit dieser Information kann im Leitstand die Übertragungslast gesteuert werden. Bei neugebauten Übertragungsleitungen kann FLM von vornherein in den Leitstand und dessen Software integriert werden.
Messverfahren Es existieren verschiedene Verfahren zur Ermittlung der Leiterseiltemperatur und des Seildurchhangs. Diese unterscheiden sich nach: Messgröße: Temperaturmessung vs. Messung einer anderen physikalischen Größe, aus der die Temperatur abgeleitet werden kann. Abstand zum Messobjekt: direkte Temperaturmessung mit Kontakt zum Leiterseil vs. Abstandsmessung Messverfahren: Welches physikalische Messverfahren wird eingesetzt? Bezugslänge: Messung an einem Messpunkt vs. Messung über einen Abspannabschnitt oder die ganze Leitung hinweg Messauflösung: integrativ über die Bezugslänge vs. aufgelöst an diskreten Punkten Es existieren folgende Messverfahren:Renata Teminova et al.: . In: Josef Kindersberger (Hrsg.): Diagnostik elektrischer Betriebsmittel. VDE-Verlag, Berlin 2004, ISBN 3-8007-2817-6, S. 353–358. Verfahren Messgröße Abstand zum Messobjekt Messverfahren Bezugslänge Messauflösung Seilzugmessung durch Kraftmessdosen Zugkraft im Leiterseil Direkt, die Kraftmessdosen werden mit Gabellaschen an das Seil angeschlossen Piezoelektrisch Je ein Seilfeld zwischen zwei Pylonen Integrierend Temperaturmessung durch Thermoelemente Temperatur im Leiterseil Direkt, die Thermoelemente sind im oder am Seil Thermoelektrizität Punktmessung je Sensor Nah-Temperaturfeld um Sensor (cm-Bereich), praktisch wird die Auflösung durch die angebrachte Anzahl der Sensoren bestimmt Temperaturmessung mit DTS Temperatur im Leiterseil Direkt, die Glasfasern sind in den Kern des Leiterseils eingewoben Raman-Effekt, Faser-Bragg-Gitter, Brillouin-Streuung Über mehrere Kilometer hinweg Auf ca. einen Meter genau Temperaturmessung durch funkabfragbare Oberflächenwellen-Sensoren Oberflächentemperatur des Leiterseils Direkt, die Sensoren befinden sich am Leiterseil und werden fernabgefragt AOW-Sensoren Punktmessung je Sensor Es können mehrere Sensoren mit einer Antenne abgefragt werden, ansonsten Punktauflösung per Sensor Temperaturmessung mit Thermovisionskameras Oberflächentemperatur des Leiterseils Indirekt, die Kameras befinden sich am Boden oder am Mast Thermografie Vom Bildwinkel des Objektivs der Thermovisionskamera erfasster Seilabschnitt Durch die geringe Auflösung des Wärmebildsensors mindestens einige Meter Temperaturbestimmung durch thermostatisches Seilmodell Strom und Verlustleistung Indirekt, aus der gemessenen Verlustleistung ergibt sich die Temperatur Durchhangberechnung aus Stromhöhe und Wetterdaten von verteilten Messstationen Strom und Wetterdaten (siehe nächste Zeile) Indirekt, aus dem gemessenen Strom und Wetterdaten ergibt sich die Temperatur Messung von Wetterdaten an der Trasse Umgebungstemperatur, effektive Windstärke, Wärmestrahlung Indirekt, die Wetterdaten fließen in ein Modell ein. Die Wetterstationen haben einen Abstand zum Leiterseil, sind zur Erfassung des Mikroklimas zumindest auf Höhe des Seils angebracht. Gängige sensorgestützte Messverfahren für Temperatur. Windgeschwindigkeit muss senkrecht zum Seil gemessen werden. Messung der Wärmestrahlung kann mit solargestützter Energieversorgung kombiniert werden. Es wird ein um die Wetterstation konstantes Mikroklima angenommen. Beschränkung auf kritische Trassenabschnitte ist möglich. Dort ist eine Wetterstation pro zwei Seilfelder üblich. Ein bis zwei Kilometer, je nach Verteilung der Wetterstationen Bodenabstandsmessung durch Laser- oder Ultraschallverfahren indirekt, Abstand Leiterseil zu Boden indirekt, Abstand Messpunkt zu Sensor bis zu einem Kilometer trigonometrisches Verfahren, Messung mit Handgeräten oder Airborne Laserscanning Maximaler Durchhang in einem Seilfeld, bzw. Abstand zu kritischen Bäumen o. ä. kritischer Abstand per Seilfeld, keine kontinuierliche Messung. Durchhang- und Windmessung durch Seilvibrationsverfahren Effektive Windstärke, Strom Direkt, die Sensoren befinden sich am Leiterseil und werden fernabgefragt Beschleunigungssensoren und Rogowski-coil Messung an kritischen Trassenabschnitten über mehrere Kilometer zwischen den Sensoren ±20 cm Durchhanggenauigkeit. Manche dieser Verfahren werden auch kombiniert. Das Seilzugverfahren (z. B. CAT-1) und die Verwendung von Wetterstationen in Kombination mit der Verlustleistungsmessung sind die beiden gängigsten Verfahren.
Übertragung der Signale Das Messsignal muss störungsfrei und zuverlässig vom Sensor zum Leitstand übertragen werden. Dazu sind am Mast Signalkabel üblich, von dort zum Leitstand wird meist GPRS verwendet. Am Leitstand werden die Signale in SCADA-Formate umgewandelt. Die Sensoren und Kommunikationselemente brauchen eine Energieversorgung, die möglichst autark sein soll. Üblich ist die batteriegepufferte Solarversorgung, alternativ kann auch die Energie induktiv vom Leiterseil bezogen werden.
Umsetzung Versuche zum Freileitungs-Monitoring begannen in den USA in den 1960ern. Der erste praktische Einsatz erfolgte dort 1991 bei Virginia Power. Beim System CAT-1 wird die Seiltemperatur nicht direkt gemessen, sondern der Seildurchhang wird mit Kraftmesszellen ermittelt. Durch die Zerlegung der gemessenen Seilzugkraft in eine horizontale und vertikale Komponente wird der Winkel und damit der Durchhang des Seils bestimmt. Zusätzlich zur Seilkraftmessung wird die lokale Temperatur an den Aufnahmegeräten erfasst. Das System muss häufig kalibriert werden, bei Windspitzen wird das Ergebnis verfälscht. Auch können lokale Temperaturspitzen, die zu Materialermüdung führen können, nicht erfasst werden. CAT-1 wird mit Stand 2011 weltweit 400 Mal von etwa 100 Übertragungsnetzbetreibern eingesetzt, 16 auch in Europa.Georg Küffner: Neue Leitungen braucht das Land. In: FAZ vom 23. September 2011.