Warum Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien herkömmliche Stromkabel durch Hochspannungs-Stromschienen ersetzen

Der weltweite Wandel hin zu erneuerbaren Energien hat den Bedarf an effizienteren, zuverlässigeren und kompakteren Stromübertragungslösungen erhöht. Von weitläufigen Solarparks über Offshore-Windparks bis hin zu Batteriespeichersystemen (BESS) steigt die Nachfrage nach Hochstromübertragung. Immer häufiger wenden sich Ingenieure von herkömmlichen Stromkabeln ab und setzen stattdessen auf Hochspannungs-Stromschienen (auch bekannt als Hochspannungs-Stromschienen). Stromschienenverteiler Systeme oder isolierte Phasensammelschienen). Dieser Artikel untersucht die Gründe für diesen Übergang, die Grenzen von Kabeln, die Anwendungsbereiche von Sammelschienen und die Normen, die deren Verwendung regeln.

Ein Hochspannungs-Stromschienenkanal ist ein vorgefertigtes, geschlossenes System aus leitfähigen Schienen (typischerweise aus Kupfer oder Aluminium), die isoliert und in einem geerdeten Metallgehäuse untergebracht sind. Stromschienenkanäle sind für Spannungen von 1 kV bis 52 kV und darüber hinaus ausgelegt und dienen als Alternative zu gebündelten Stromkabeln. Sie werden zur Verbindung kritischer Anlagen wie Transformatoren, Wechselrichter, Schaltanlagen und Umspannwerke eingesetzt und bieten einen modularen, niederohmigen Pfad für hohe Ströme.

Im Gegensatz zu Kabeln, die mehrere einzelne Leiter benötigen, die in Kabelrinnen verlegt oder vergraben werden, bestehen Stromschienen aus starren, werkseitig vormontierten Abschnitten, die vor Ort verschraubt oder verschweißt werden.

Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien stellen besondere Herausforderungen dar, die herkömmliche Stromkabel an ihre Grenzen bringen.

Hochspannungs-Sammelschienen werden in allen wichtigen Sektoren der erneuerbaren Energien eingesetzt und verbinden die Kernanlagen:

Wechselrichter (Solar & Batteriespeichersystem): In großen Solaranlagen verbinden Stromschienen den Wechselstromausgang des zentralen Wechselrichters mit dem Aufwärtstransformator. Bei Batteriespeichersystemen (BESS) verbinden sie das Leistungsumwandlungssystem (PCS) mit dem Transformator. Die niedrige Impedanz der Stromschienen minimiert die Verluste zwischen diesen Hochstromgeräten.

Transformator: Stromschienen eignen sich ideal zum Anschluss der Niederspannungsseite von Transformatoren an Schaltanlagen (oft als „Transformator-Schaltanlagen-Stromschienenverbindungen“ bezeichnet). Dadurch entfällt die Notwendigkeit mehrerer Kabel und die Brandgefahr wird reduziert.

Leistungsumwandlungssystem (PCS): In Batteriespeichersystemen (BESS) können PCS-Einheiten Ströme von Tausenden von Ampere verarbeiten. Stromschienen bieten einen sauberen, entweder zwangsgekühlten oder natürlich gekühlten Pfad von der PCS-Einheit zur Wechselstromschiene oder zum Transformator und reduzieren so die elektrische und thermische Belastung.

Umspannwerk: In Umspannwerken von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien verbinden Stromschienen die Zuleitungen, Leistungsschalter und Ableitungen. Sie werden häufig anstelle von offenen Stromschienen oder Kabeln eingesetzt, um die Sicherheit zu erhöhen und eine kompaktere Bauweise zu ermöglichen, insbesondere in Freiluft- oder Containerumspannwerken.

Die Effizienzgewinne von Stromschienen gegenüber Kabeln sind beträchtlich und messbar.

Niedrigerer Widerstand: Eine Stromschiene aus Kupfer oder Aluminium weist im Vergleich zu einem gleichwertigen Kabel eine deutlich größere Querschnittsfläche pro Stromstärke auf. Dadurch werden die Widerstandsverluste (I²R) direkt reduziert. Bei gleichem Strom kann ein Stromschienenkanal einen bis zu 60 % geringeren Widerstand aufweisen als ein Mehrkabelsystem.

Geringerer Temperaturanstieg: Stromschienen sind mit einem hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis und in vielen Fällen mit Belüftung oder Zwangsluftkühlung ausgestattet. Das Metallgehäuse dient als Kühlkörper und hält die Leitertemperaturen deutlich unterhalb der zulässigen Grenzwerte. Niedrigere Temperaturen bedeuten einen geringeren Widerstand, was die Effizienz zusätzlich steigert.

Höhere Effizienz: Durch die Reduzierung von Widerstand und Betriebstemperatur liefern Stromschienen mehr Leistung an die Verbraucher. Bei einem 5-MW-Solarwechselrichter kann der Wechsel von Kabeln zu einer Stromschiene die Verluste um 1–2 % senken, was über 25 Betriebsjahre zu erheblichen Energieeinsparungen führt.

Um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, müssen Hochspannungs-Stromschienen internationalen Normen und Schutzarten entsprechen.

IEC 61439: Dies ist die Kernnorm für Niederspannungs- (≤ 1000 V AC) und bestimmte Hochspannungs-Schalt- und Steuergeräte, einschließlich Stromschienensysteme. Sie umfasst Temperaturanstieg, Kurzschlussfestigkeit, dielektrische Eigenschaften und mechanische Festigkeit. Für Hochspannungs-Stromschienen über 1000 V kann die Norm IEC 62271 (Hochspannungs-Schaltanlagen) gelten.

IEEE: In Nordamerika regelt IEEE C37.23 metallgekapselte Stromschienen und zugehörige Schaltanlagen. Darüber hinaus gibt IEEE 1584 (Lichtbogengefahren) Richtlinien für die Auslegung von Stromschienen zur Minderung von Lichtbogenrisiken vor – besonders wichtig in Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien mit hohen verfügbaren Kurzschlussströmen.

IP65/IP67: Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien befinden sich häufig im Freien und sind Staub (Solarparks, Wüsten) und Wasser (Offshore-Windparks, Regen) ausgesetzt. Die Schutzart IP65 bedeutet, dass die Stromschiene staubdicht und gegen Strahlwasser mit niedrigem Druck geschützt ist. IP67 bietet zusätzlich Schutz gegen kurzzeitiges Untertauchen (bis zu 1 Meter Tiefe). Viele moderne Stromschienen für erneuerbare Energien entsprechen der Schutzart IP65 oder höher, wodurch zusätzliche Kabelschächte oder abgedichtete Leitungen überflüssig werden.

Zusätzliche Anforderungen: Auch Feuerbeständigkeit (z. B. Sauerstoffindexprüfung), elektromagnetische Verträglichkeit (zur Reduzierung von Störungen der Anlagensteuerung) und Erdbebensicherheit (für bestimmte Regionen) werden zunehmend gefordert.

Zusätzliche Sicherheitsauslegung des 人允-Stromschienensystems: Das Gehäuse ist wahlweise aus Aluminiumlegierung oder verzinktem Stahl gefertigt und mit einer elektrostatischen Pulverbeschichtung versehen, die einen 1800-stündigen Salzsprühtest bestanden hat. Korrosionsprobleme in Küsten- oder Industriegebieten mit hoher Umweltbelastung werden somit vollständig beseitigt. Die umfassende Erdung des Gehäuses verbessert den Geräteschutz zusätzlich und reduziert das Risiko von Stromschlägen und Lichtbögen.

Mit dem Ausbau und der zunehmenden Komplexität von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien stellen herkömmliche Stromkabel einen Engpass in puncto Effizienz, Sicherheit und Zuverlässigkeit dar. Hochspannungs-Stromschienen – wie beispielsweise das 人允-Hochspannungs-Stromschienensystem mit geschlossenem Verteilerkasten – beheben die zentralen Probleme herkömmlicher Kabel: Spannungsabfall, Wärmeentwicklung, Wartungsaufwand und Installationskomplexität. Dank geringerem Widerstand, besserer Temperaturkontrolle, höherer Übertragungseffizienz und vielfältiger Einsatzmöglichkeiten in Photovoltaik-Wechselrichtern, Batteriespeichersystemen, Transformatoren und Umspannwerken etablieren sich Stromschienensysteme rasant als neuer Standard für die Hochstromübertragung in der Branche der erneuerbaren Energien. Gleichzeitig sind Hochspannungs-Stromschienen, die internationalen Standards wie IEC 61439, IEEE und IP65/IP67 entsprechen und durch zuverlässige Konstruktionen wie hochreine Kupfer-Stromschienen, verzinnte Verbindungen, optimierte Abstände zur Wärmeableitung, korrosionsbeständige Gehäuse und eine umfassende Erdung ergänzt werden, nicht nur eine technische Verbesserung, sondern eine strategische Entscheidung für eine effizientere, sicherere und rentablere Erzeugung sauberer Energie.