Dr. Kai Bartholomäus erhält den Dissertationspreis 2022 der Stiftung HTWK für seine Forschung zur Zuverlässigkeit von Mittelspannungsnetzen
Energieversorgungsnetze übertragen Strom von den Kraftwerken zu den Verbraucherinnen und Verbrauchern. Doch die hohe Versorgungszuverlässigkeit ist gefährdet: Im Rahmen der Energiewende wird die Infrastruktur stark ausgebaut. Weil immer mehr elektronische Erzeuger wie Photovoltaikanlagen und Verbraucher wie Elektrogeräte an deutliche größere Netze angeschlossen werden, kann dies zum übermäßigen auftreten unerwünschter Frequenzanteile in Strom und Spannung führen.
Eine Methode, mit der hohe Frequenzen, sogenannte Oberschwingungen, gemessen und reduziert werden können, entwickelte Dr.-Ing. Kai Bartholomäus im Rahmen seiner Doktorarbeit. So kann die Versorgungszuverlässigkeit trotz Netzausbau beibehalten werden. Zudem entwickelte er das Messverfahren des frequenzselektiven Erdschlusses, um die Wirksamkeit seiner Methode nachzuweisen. Für seine Forschung ehrte ihn die Stiftung HTWK mit dem Dissertationspreis 2022.
Oberschwingungen beeinflussen Versorgung
Zu Störungen im Energienetz kommt es häufig, ohne dass es Verbraucherinnen und Verbraucher merken. Ein typischer Netzfehler ist ein Erdschluss. Bei diesem kommt es ungewollt zu einer Verbindung zwischen einem unter Spannung stehenden Leiter und dem Erdreich. Verursacht wird so ein Kurzschluss, wenn zum Beispiel eine große Landmaschine zu nah an Stromleitungen entlangfährt und dann der Strom über diese zum Erdreich fließt. Auswirkungen wie Stromausfälle sind selten. Oft können sich die Verteilnetze „selbst heilen“, weil bei ihnen eine Erdschlussspule eingesetzt wurde. Diese sorgt dafür, dass nur wenig Strom abgeleitet wird und die vorgegebenen Grenzwerte eingehalten werden.
Doch der Anschluss von immer mehr elektronischen Erzeugern und Verbrauchern an deutlich größere Energienetze führt immer häufiger zu mehr Oberschwingungen. Bei zu hohen Oberschwingungen wird bei einem Erdschluss trotz Erdschlussspule mehr Strom abgeleitet, als es die Grenzwerte erlauben. „Für Betreiberinnen und Betreiber von Energienetzen ist es wichtig, die Oberschwingungsanteile zu kennen, weil ein zu hoher Erdschlussstrom für Mensch und Tier gefährlich wäre und andere Anlagen beeinflussen könnte“, so Bartholomäus.
Vorteile der Erdschlussspule nutzbar gemacht
Das Problem ist: „Eine Erdschlussspule kann nur für eine bestimmte Frequenz eingestellt werden und kann damit auch nur diese Frequenz des Stroms bei einem Erdschluss kompensieren“, sagt Bartholomäus. Damit dies auch bei einem zu hohen Reststrom von Oberschwingungen funktioniert, entwickelte er bereits seit 2011 am Institut für Elektrische Energietechnik der HTWK Leipzig eine Erweiterung für die Erdschlussspule mit. Dieses Verfahren entwickelte Bartholomäus während seiner Promotion von 2013 bis 2019 weiter. Dabei legte er den Fokus auf die Frage ob, und, wenn ja, wie, das Verfahren bei weiterem Netzausbau angepasst werden muss. „Mit meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass rein passive Schaltungen, bestehend aus Reihen- und Parallelschwingkreisen, geeignet sind, um mit geringem Aufwand die dominanten Oberschwingungsanteile im Erdschlussreststrom ausreichend zu reduzieren. Die einzelnen Schaltungen müssen bei variablen Energienetzen – und damit auch beim Netzausbau – nicht angepasst werden“, fasst Bartholomäus das zentrale Ergebnis seiner Arbeit zusammen.
Verfahren im Test: Netzversuche
Um die Wirksamkeit seiner Technologie nachzuweisen, bereitete Bartholomäus anschließend Netzversuche vor. „Der Erdschlussreststrom besteht aus mehreren Frequenzen, von denen einige zu Schäden oder Überlastungen – und damit zu Netzausfällen und Stromausfällen bei Kundinnen und Kunden – führen können. Für meine Messungen sind jedoch nur die Oberschwingungen relevant“, so der Ingenieur. „Deshalb habe ich zusätzlich das Verfahren des frequenzselektiven Erdschlusses entwickelt.“ Damit können bestimmte Frequenzen wie eben Oberschwingungen kontrolliert und gemessen werden, ohne dass es zu Netzausfällen kommt. Das Verfahren meldete er 2014 zum Patent an.
Die Netzversuche führte Bartholomäus in Mittelspannungsnetzen mit 20 Kilovolt durch. Viele Messungen fanden beim Energieversorger „N-ERGIE“ in Nürnberg und Franken statt, weil die Netze dort sehr groß und damit die Gefahr von zu großen Erdschlussreststömen höher ist. Können Netzbetreiberinnen und -betreiber aufgrund zu hoher Oberschwingungen die Grenzwerte nicht mehr einhalten, können sie die Netze umstrukturieren oder bei Fehlerauftritt schnellstmöglich abschalten. Beide Maßnahmen sind aufwendig, teuer und beeinträchtigen die Versorgungszuverlässigkeit. Die Erfindung von Bartholomäus ist eine einfache, günstige und zugleich wirksame Alternative.
Mess-Equipment verkleinern
Das Equipment für die Messungen passt in einen kleinen LKW-Container. Mittlerweile war die Technologie über 360 Mal im Einsatz. „Würde man das gleiche Verfahren in Hochspannungsnetzen einsetzen, die mit 110 Kilovolt betrieben werden, wäre die benötigte Technik fünfmal so groß und damit nicht mehr zu handhaben“, so Bartholomäus. Im 2021 gestarteten Forschungsprojekt "MENKI" will er auch dafür eine Lösung finden. „So können wir mit unserer Forschung dazu beitragen, dass die Stromnetze im Zuge der Energiewende effizient und sicher bleiben.“
Vita
Kai Bartholomäus studierte nach seiner Ausbildung zum Elektroinstallateur ab 2004 an der HTWK Leipzig Elektrotechnik und Informationstechnik. Seit 2009 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Elektrische Energietechnik und forscht dort im Team „Smart Diagnostik und Online Monitoring“. 2013 bis 2019 promovierte er an der Technischen Universität Dresden in Kooperation mit der HTWK Leipzig. Seine Dissertation mit dem Titel „Nutzung passiver Elemente zur Kompensation von Oberschwingungsanteilen im Erdschlussreststrom und Erzeugung frequenzselektiver Erdschlüsse“ erhielt das Prädikat „magna cum laude“ („mit großem Lob“). Finanziert wurde sein Forschungsvorhaben durch verschiedene Förderprojekte des Bundeswirtschaftsministeriums. Ausgleich findet Bartholomäus bei einem Hobby, das akustisch nicht weit vom Stromsurren entfernt ist: Beim Imkern mit tausenden summenden Bienen.