Aufwertung des Unterwerks Mettlen
Längs- und Querreguliertransformatoren
Im Unterwerk Mettlen ersetzt Swissgrid ihre Transformatoren, um die Betriebssicherheit des Übertragungsnetzes zu erhöhen. Die beiden neuen Transformatoren sind mit je 800 MVA deutlich leistungsfähiger. Sie ermöglichen eine unabhängige Steuerung des Wirk- und Blindleistungsflusses zwischen der 380-kV- und der 220-kV-Spannungsebene.
Im Unterwerk Mettlen, Gemeinde Eschenbach LU, steht seit 1990 eine 380-kV-Schaltanlage mit einer 600-MVA-Transformatorbank (Spannungsebenen 380 kV/220 kV) [1]. Seit Anfang Oktober 2024 ist sie ausser Betrieb. In einer ersten Etappe wurde sie durch eine neue 800-MVA-Transformatorbank ersetzt. In einer zweiten Etappe folgt 2026 eine zweite, baugleiche Transformatorbank.
Die neuen Transformatoren verfügen über eine unabhängige Längs- und Quer-Regulierung, mit der sich der Wirk- und Blindleistungsfluss zwischen der 380-kV- und 220-kV-Ebene unabhängig voneinander steuern lässt [2]. Mit dem Ausbau im UW Mettlen wird ein Engpass beseitigt und eine stark erweiterte Flexibilität erreicht [3]. Die Bedeutung des Unterwerks Mettlen ist schon aus der zentralen Lage im Schweizer Übertragungsnetz ersichtlich (Bild 1). Die 380-kV- und 220-kV-Schaltanlagen in Mettlen sind durch 17 Leitungen in das Übertragungsnetz eingebunden. Zudem bestehen hier Ausspeisungen der CKW aus dem Übertragungsnetz mit fünf Transformatoren, welche eine Gesamtleistung von 850 MVA aufweisen und einen grossen Teil der Zentralschweiz versorgen [1].
Bauform und Standplatz der neuen Transformatoren
Die neuen Transformatoren im UW Mettlen haben konzeptionelle Ähnlichkeiten mit dem zuvor eingesetzten Transformator. Das frühere Konzept stammt aus den Anfängen des 380-kV-Netzes und ist in vielen Unterwerken anzutreffen. Wesentliches Merkmal war die Aufteilung auf zwei Transformatoren pro Phase – einen ungeregelten Autotransformator und einen Reguliertransformator. Durch eine Umschaltung der Tertiärverbindungen war wahlweise ein Betrieb mit Längsregulier- oder Schrägregulier-Funktion möglich.
Neu ist, dass der Autotransformator über eine Längsregulierung verfügt und der zweite Transformator als Querregulier-Transformator wirkt. Die Zusatzspannung der Querregulierung steht 90° zur Zusatzspannung der Längsregulierung. Das wird durch eine fixe Verschaltung der Tertiärverbindung mit der Kombination einer D- und Y-Schaltung (Bild 2 und 3) ermöglicht.
Die Aufteilung auf zwei Transformatoren in separaten Kesseln (Bild 6) wurde hauptsächlich wegen den Transportbeschränkungen und der zusätzlichen Flexibilität bei der Aufstellung gewählt. Bei Swissgrid sind aber auch Transformatoren in Betrieb, bei denen der Aktivteil des Längs- und der des Querreguliertransformators in einem gemeinsamen Kessel untergebracht sind, z. B. im Unterwerk Laufenburg [4]. Ihre Abmessungen und ihr Gewicht stellen jedoch für viele Standorte ein unüberwindbares Transportproblem dar. Durch die Aufteilung auf zwei separate Kessel konnte das Transportgewicht von 180 bis 200 t auf 120 bis 130 t gesenkt werden. Das gleiche Konzept, auf 400-MVA-Transformatoren angewendet, erlaubt Transportgewichte unter 90 t. Swissgrid bezeichnet diese Konzepte als «Mittelland-, Voralpen- oder Alpen-Design». Letzteres ist für das Unterwerk Bonaduz vorgesehen und wird derzeit realisiert.
Die Grundfläche für die zwei neuen Transformatorenbänke im Unterwerk Mettlen mit insgesamt sieben Phasen beträgt mit Gleiskorridor und Tertiärsystem 85 m x 41 m. Zwischen den beiden 800-MVA-Transformatorenbänken wird in Etappe 2 eine Reservegruppe gemäss Bild 4 angeordnet. Diese kann wahlweise einer der beiden Bänke zugeordnet werden. Die 380-kV- und 220-kV-Hilfsschienen sind distanziert angeordnet, damit an der abgeschalteten Gruppe (Reserve) Unterhaltsarbeiten ausgeführt werden können, wenn die benachbarten Phasen in Betrieb sind. Die Reservegruppe lässt sich mit Steckern, die bei Bedarf entsprechend angeordnet werden können, in den elektrischen Schutz einbinden und überwachen.
Die Wirkungsweise von Längs- und Querreguliertransformatoren im Netzbetrieb ist am Beispiel der 400-MVA-Transformatoren, 380 kV / 132 kV, der BKW im Unterwerk Bassecourt gut in [5] beschrieben.
Tertiärsystem
Das Tertiärsystem koppelt die drei Einphasen-Transformatorengruppen zu einer Dreiphasen-Transformatorbank. Die Tertiärverschaltung verbindet die Ausgleichswicklung des Längsregulier-Transformators (Dreieckschaltung) und speist die Erregerwicklung (Sternschaltung) des Querregulier-Transformators. Zudem ist es mit einem Sternpunktbildner (SPB) verbunden.
Für die Integration der Reservegruppe muss eine Umschaltmöglichkeit bestehen. Das Tertiärsystem ist luftisoliert (Um= 72,5 kV), als Rohrsystem ausgeführt und mit Seilrangierverbindungen ausgestattet (Bild 5). Die Rangierung erfolgt an den Kreuzungspunkten zwischen den Schienen entlang der Transformatorbank und jenen, die in die Zellen führen. Sie sind dazu auf verschiedenen Ebenen mit ausreichender Schlagweite angeordnet.
Der Sternpunktbildner (ZN-Schaltung) wird benötigt, um Nullströmen im Y-geschalteten Teil des Tertiärsystems einen Strompfad zur Verfügung zu stellen. Würde ein Nullsystem-Strompfad fehlen, würden durch die drei nicht exakt gleichzeitig schaltenden Stufenschalter der Querregulier-Transformatoren Überspannungen entstehen. Eine Alternative zum Sternpunktbildner wäre eine zusätzliche Ausgleichswicklung in den Querregulier-Transformatoren.
Technische Spezifikation
Bei der Spezifikation wurde Wert auf eine robuste, langlebige Konstruktion gelegt. Die dielektrischen Anforderungen entsprechen denen der IEC 60076, mit Ausnahme der Teilentladungen, die mit maximal 50 pC bei 1,58 Ur/√3 strenger sind (Tabelle 1). Zudem wurde die Hot-Spot-Übertemperatur von 78 K auf 70 K begrenzt. Als Isolierflüssigkeit wird inhibiertes Hochleistungsisolieröl auf Gas-To-Liquid-Basis verwendet. Die Ausdehngefässe für die Hauptvolumen verfügen über einen Luftabschluss, die Ausdehngefässe der Laststufenschalter sind von ihnen hydraulisch getrennt.
Alle Durchführungen sind mit Silikon-Aussenisolation auf einem GFK-Trägerrohr versehen, verfügen über einen trockenen RIP-Isolierkörper (ohne Isolierflüssigkeit) und sind mit einem Messanschluss ausgerüstet. Der Leiterbolzen ist nicht demontierbar.
Prüfung
Die Prüfungen im Werk (FAT) wurden bei Siemens Energy Weiz (Bild 7, Tabelle 2) und vor Ort im Unterwerk Mettlen (SAT) durchgeführt. Die Anforderungen und die Messverfahren werden durch Swissgrid in einem Inspektions- und Testprogramm (ITP) beschrieben (Tabelle 3).
Zusätzlich zu den Teilentladungsprüfungen (IVPD) vor Ort wurden Referenzmessungen durchgeführt, bei denen die folgenden Grössen gemessen wurden: Isolationswiderstand, Leerlauf-Spannungsübersetzung, Kurzschlussspannung, Nullimpedanz (US-Seite komplett verschaltet), Transferfunktion (FRA), dynamischer und statischer Wicklungswiderstand, Polarisationsverhalten (PDC/FDS), C-/tand der Durchführungen sowie eine dielektrisch-chemische Analyse der Isolierflüssigkeit, bei der auch die gelösten Gase (DGA) untersucht wurden sowie eine Furan-Analyse durchgeführt wurde.
Sicherheitsmassnahmen
Alle Standplätze sind mit einer automatischen Löschanlage versehen. Die Kapazität des Wasserspeichers ermöglicht eine Wasserbeaufschlagung von 12,5 mm/m2/min über mindestens 90 Minuten. Die Aktivierung erfolgt über wärmeempfindliche Kabel am Transformatorenkessel bzw. durch die Kontakte der Druckentlastungseinrichtung. Die Löschwasserpumpe wird von einem Dieselmotor angetrieben.
Die Transformatoren genügen der Erdbebeneinwirkung der Zone 3b (12,2 ms-2). Die Verankerungen sind für die lokalen Anforderungen im Unterwerk Mettlen (Zone 1b) dimensioniert [6, 7]. Die Kessel sind je an zwei Stellen durch V-förmige Zwischenstücke mit dem Fundament verankert (Bild 8). Die Transformatoren verbleiben auf den Fahrrollen.
Personen, die Arbeiten an Transformatoren ausführen, sind durch ein Geländer kollektiv gegen Absturz gesichert. Für Inspektionen und Prüfungen an geerdeten Transformatoren ist daher keine persönliche Schutzausrüstung gegen Absturz (PSAga) nötig.
Weiterer Projektverlauf
Die erste Etappe wurde planmässig abgeschlossen. Die Bauarbeiten an den Standplätzen für die zweite Transformatorengruppe haben im Januar 2025 gestartet. Deren Installation ist im 2. Quartal 2026 vorgesehen, die Inbetriebnahme im 3. Quartal 2026.
Der im UW Mettlen nicht mehr benötigte 600-MVA-Transformator, Baujahr 1990, wird revidiert und für die weitere Verwendung an einem anderen Standort vorbereitet.
Auch für die in den nächsten Jahren anstehenden Transformatorenprojekte ist die beschriebene Bauweise mit zwei Transformatoren pro Phase vorgesehen. Je nach Standort und den Transport- und Platzverhältnissen kommen Transformatorenbänke mit Einheitsleistungen von 400 MVA, 600 MVA und 800 MVA in Betracht [8].
Referenzen
[1] Hanspeter Amrein, «50 Jahre Gesellschaft für den gemeinsamen Bau und Betrieb des Unterwerks Mettlen», Bulletin SEV/VSE, 24/2001, S. 25–26, 2001.
[2] Factsheet Spannungshaltung, Swissgrid, Mai 2022.
[3] «Spatenstich für den neuen Transformator im Unterwerk Mettlen», Medienmitteilung Swissgrid, 20. Oktober 2022.
[4] «Neuer 380-/220-kV-Transformator für das Unterwerk Laufenburg Swissgrid», Medienmitteilung Swissgrid, 19. November 2018.
[5] Thomas Aschwanden, Franz Jaeggi, «Höhere Versorgungssicherheit durch Netzkupplungstransformator», Bulletin SEV/VSE, 9/2006, S.33–40, 2006.
[6] SIA 261:2020 (SN 505261), Einwirkungen auf Tragwerke, SIA, 2020.
[7] ESTI 248:1220, Richtlinie Erdbebensicherheit der elektrischen Energieverteilung in der Schweiz, ESTI, 2020.
[8] Netz der Zukunft, Swissgrid.
ist Ingenieur Hochspannungstechnik bei der BKW.
- BKW Energie AG
3072 Ostermundigen
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