Mittelspannung bezeichnet in der Elektrotechnik einen Spannungsbereich oberhalb der Niederspannung und unterhalb der Hochspannung. Sie wird vor allem zur Verteilung elektrischer Energie über größere Entfernungen eingesetzt. Typische Mittelspannungsnetze werden in Deutschland beispielsweise mit 10 kV oder 20 kV betrieben. Doch warum benötigt man überhaupt Mittelspannung und wie gelangt der Strom vom Mittelspannungsnetz bis zur 230-V-Steckdose?
Was ist Mittelspannung?
Als Mittelspannung wird ein Bereich elektrischer Spannungen bezeichnet, der zwischen der Niederspannung und der Hochspannung liegt. In der elektrischen Energieversorgung dient die Mittelspannung insbesondere der regionalen und lokalen Verteilung elektrischer Energie. Während ein Wohngebäude üblicherweise mit 230/400 V versorgt wird, wären diese vergleichsweise niedrigen Spannungen für die Übertragung größerer Leistungen über längere Strecken ungeeignet.
Deshalb wird elektrische Energie mit wesentlich höheren Spannungen transportiert und erst in der Nähe der Verbraucher auf Niederspannung transformiert. Mittelspannungsnetze bilden dabei eine wichtige Verbindung zwischen den übergeordneten Hochspannungsnetzen und den Niederspannungsnetzen, aus denen beispielsweise Wohnhäuser und kleinere Gewerbebetriebe versorgt werden.
Welche Spannungen gehören zur Mittelspannung?
Grundsätzlich wird zwischen verschiedenen Spannungsebenen unterschieden. Die Niederspannung reicht bei Wechselspannung bis 1.000 V. Darunter fallen auch die 230 bzw. 400 Volt in Haushalten.
Mittelspannung beginnt ab einer Spannung von 1.000 Volt (1kV). Üblicherweise werden Netze mit einer Nennspannung bis zu 36kV zur Mittelspannung gezählt. Eine genaue Grenze gibt es hier aber nicht, auch Spannungen von 50 oder 60kV können noch der Mittelspannung zugeordnet werden.
In Deutschen Mittelspannungsnetzen, werden typischerweise folgende Spannungsebenen eingesetzt:
- 10 kV
- 20 kV
- 30 kV
- 36 kV
Besonders häufig findet man 10-kV- und 20-kV-Netze. Welche Spannung verwendet wird, hängt unter anderem vom jeweiligen Verteilnetzbetreiber, der Region und der vorhandenen Netzinfrastruktur ab. Oberhalb der Mittelspannung folgen die Hoch- und Höchstspannungsnetze. Dort werden beispielsweise 110 kV, 220 kV oder 380 kV verwendet.
Dabei ist wichtig zu unterscheiden: Der Begriff Mittelspannung ist vor allem eine in der Energieversorgung gebräuchliche Einteilung. Normativ gehört auch die Mittelspannung grundsätzlich zum Bereich der Hochspannung, da dieser bei Wechselspannungen oberhalb von 1.000 V beginnt.
Warum wird Mittelspannung verwendet?
Der wichtigste Grund für die Verwendung von Mittelspannung ist die wirtschaftliche Übertragung größerer elektrischer Leistungen. Bei einem Drehstromsystem kann die übertragene Wirkleistung vereinfacht mit folgender Formel beschrieben werden:
P = √3 × U × I × cos φ
Soll eine bestimmte Leistung übertragen werden, kann der dafür notwendige Strom durch eine höhere Spannung reduziert werden. Das ist besonders wichtig, weil die Verlustleistung einer Leitung wesentlich vom fließenden Strom abhängt. Vereinfacht gilt für die Leitungsverluste eines Drehstromsystems:
Pᵥ = 3 × I² × R
Anhand dieser Formel wird noch deutlicher, wieso es sinnvoll ist die Spannung zu erhöhen und damit den Strom klein zu halten: Die Stromstärke erhöht die Verlustleistung im Quadrat.
Ein einfaches Beispiel verdeutlicht den Unterschied:
Soll eine Leistung von 1 MW bei einem Leistungsfaktor von ungefähr 1 übertragen werden, wären bei 400 V mehr als 1.400 A notwendig. Bei 20 kV beträgt der Strom dagegen nur rund 29 A.
Genau deshalb wäre es kaum sinnvoll, größere Stadtteile, Industriegebiete oder weit entfernte Ortschaften direkt mit 400 V aus einem zentralen Umspannwerk zu versorgen. Die erforderlichen Leiterquerschnitte und die auftretenden Verluste wären enorm.
Die elektrische Energie wird deshalb zunächst mit einer höheren Spannung möglichst nahe an die Verbraucher transportiert. Erst dort wird sie auf die benötigte Niederspannung transformiert.
Mittelspannung stellt somit einen Kompromiss dar: Die Spannung ist hoch genug, um große Leistungen vergleichsweise verlustarm zu verteilen, gleichzeitig können die Netze regional sehr kostengünstig und einfach aufgebaut werden.
Wo wird Mittelspannung eingesetzt?
Mittelspannung begegnet den meisten Menschen im Alltag kaum sichtbar. Trotzdem befindet sich nahezu überall entsprechende Infrastruktur.
Typische Einsatzbereiche sind:
- Verteilnetze von Netzbetreibern
- Ortsnetzstationen
- Industriebetriebe
- große Gewerbebetriebe
- Krankenhäuser und größere Gebäudekomplexe wie Hochschulen
- Rechenzentren
- Bahnanlagen und Infrastruktur
- Windenergieanlagen und Windparks
- Photovoltaik-Großanlagen
- Batteriespeicher
- größere Ladeinfrastruktur
Ein typisches Beispiel ist die Versorgung eines Wohngebietes. Die elektrische Energie wird über ein Mittelspannungsnetz zu einer Ortsnetzstation geführt. Dort befindet sich ein Transformator, der beispielsweise 20 kV auf 400/230 V transformiert. Von dieser Trafostation aus erfolgt anschließend die Versorgung der einzelnen Gebäude über das Niederspannungsnetz. Diese Ortsnetzstationen (Trafos) sieht man häufig in Städten verteilt als kleine „Trafohäuschen“.
Große Verbraucher besitzen dagegen häufig eine eigene Mittelspannungsversorgung. Ein großer Industriebetrieb, Krankenhaus oder Rechenzentrum kann beispielsweise direkt aus einem 10-kV- oder 20-kV-Netz versorgt werden. Auf dem Betriebsgelände befinden sich dann eigene Transformatoren, welche die Mittelspannung auf 400 V oder gegebenenfalls andere benötigte Spannungsebenen transformieren. Bei sehr großen Anlagen können mehrere Transformatoren und umfangreiche Mittelspannungsschaltanlagen vorhanden sein. So haben Krankenhäuser häufig in jedem Gebäude einen eigenen oder sogar mehrere 10kV Transformator.
Wie ist ein Mittelspannungsnetz aufgebaut?
Der genaue Aufbau eines Mittelspannungsnetzes hängt vom jeweiligen Netzbetreiber und den örtlichen Gegebenheiten ab.
Grundsätzlich gelangt elektrische Energie zunächst über die übergeordneten Hoch- und Höchstspannungsnetze in eine Region. In Umspannwerken wird die Spannung anschließend auf eine niedrigere Spannungsebene transformiert.
Ein Beispiel wäre die Transformation von 110 kV auf 20 kV.
Von dort aus führen mehrere Mittelspannungsleitungen zu verschiedenen Netzbereichen. Diese versorgen wiederum Trafostationen, Industrieanlagen oder andere größere Verbraucher.
Mittelspannungsnetze können unterschiedlich aufgebaut sein. Häufig werden Kabelstrecken so geführt, dass Trafostationen in einen Ring eingebunden werden können. Dadurch ergeben sich gegenüber einer einfachen Stichversorgung Vorteile für den Netzbetrieb.
Kommt es beispielsweise zu einer Störung auf einem Kabelabschnitt, kann der fehlerhafte Bereich je nach Netzaufbau freigeschaltet und ein Teil des Netzes aus einer anderen Richtung wieder versorgt werden.
Das bedeutet allerdings nicht zwangsläufig, dass ein Mittelspannungsring dauerhaft als vollständig geschlossener Ring betrieben wird. Die konkrete Betriebsweise hängt vom jeweiligen Netz und Schutzkonzept ab.
In ländlichen Regionen findet man neben unterirdisch verlegten Mittelspannungskabeln teilweise weiterhin Mittelspannungsfreileitungen. In Städten erfolgt die Mittelspannungsverteilung dagegen überwiegend über unterirdische Kabelanlagen.
Mittelspannungskabel, Schaltanlagen und Transformatoren
Für Mittelspannungsanlagen werden spezielle Betriebsmittel benötigt, die für die jeweilige Spannungsebene ausgelegt sind. Ein Mittelspannungskabel unterscheidet sich deshalb deutlich von einem gewöhnlichen Niederspannungskabel.
Neben dem eigentlichen Leiter besitzt es verschiedene Isolier-, Leit- und Schirmschichten. Diese sorgen unter anderem für eine definierte Verteilung des elektrischen Feldes und ermöglichen einen sicheren Betrieb bei hohen elektrischen Feldstärken.
Auch die Verbindungstechnik ist wesentlich aufwendiger. Kabelgarnituren, Endverschlüsse und Muffen müssen fachgerecht montiert werden. Bereits Fehler bei der Vorbereitung oder Montage können die elektrische Feldverteilung beeinflussen und langfristig zu Schäden führen.
Ein weiterer zentraler Bestandteil sind Mittelspannungsschaltanlagen.
Mit ihnen können Betriebsmittel und Netzabschnitte geschaltet, getrennt und abgesichert werden. Je nach Aufgabe kommen unterschiedliche Schaltgeräte zum Einsatz. Dazu gehören beispielsweise Lasttrennschalter, Trennschalter und Leistungsschalter.
Ein Leistungsschalter kann im Zusammenspiel mit entsprechenden Schutzgeräten beispielsweise Kurzschlussströme abschalten. Schutzrelais überwachen dafür elektrische Größen und können bei einem erkannten Fehler die Abschaltung auslösen.
Eine typische Trafostation besteht deshalb nicht einfach nur aus einem Transformator.
Je nach Ausführung gehören dazu unter anderem:
- Mittelspannungsschaltanlage
- Transformator
- Niederspannungshauptverteilung
- Schutz- und Überwachungseinrichtungen
- Erdungsanlage
- entsprechende Kabelverbindungen
Der Transformator übernimmt dabei die eigentliche Änderung der Spannungsebene. Eine typische Ortsnetzstation kann beispielsweise eine Eingangsspannung von 20 kV besitzen und auf 400/230 V transformieren.
Auf der Niederspannungsseite steht anschließend das bekannte Drehstromnetz zur Verfügung, aus dem Haushalte und andere kleinere Verbraucher versorgt werden können.
Transformatoren gibt es dabei in sehr unterschiedlichen Leistungsklassen. Welche Transformatorleistung erforderlich ist, hängt von der angeschlossenen Last und dem jeweiligen Anwendungsfall ab.
Mittelspannung und Sicherheit
Von Mittelspannungsanlagen gehen erhebliche elektrische Gefahren aus. Arbeiten an solchen Anlagen unterscheiden sich deshalb deutlich von normalen Arbeiten in einer Niederspannungsanlage.
Bei Mittelspannung muss insbesondere berücksichtigt werden, dass alleine schon die Annäherung an spannungsführende Teile zu einer Gefahr werden kann durch Lichtbogenbildung und damit das Überspringen einer Spannung.
Zusätzlich spielt die Gefahr durch Lichtbögen eine wichtige Rolle. Bei Fehlern können sehr hohe Kurzschlussströme auftreten. Ein Störlichtbogen kann enorme thermische und mechanische Auswirkungen haben. Aus diesem Grund gelten bei Mittelspannungsanlagen besondere Anforderungen an Qualifikation, Arbeitsverfahren und persönliche Schutzausrüstung.
Von zentraler Bedeutung sind auch hier die fünf Sicherheitsregeln:
- Freischalten
- Gegen Wiedereinschalten sichern
- Spannungsfreiheit feststellen
- Erden und kurzschließen
- Benachbarte, unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken
Gerade das Erden und Kurzschließen besitzt in elektrischen Anlagen der Mittelspannung und auch der Hochspannung eine besondere Bedeutung.
Die Spannungsfreiheit darf selbstverständlich nur mit dafür geeigneten und für die jeweilige Spannungsebene zugelassenen Geräten festgestellt werden. Arbeiten an Mittelspannungsanlagen dürfen daher ausschließlich von entsprechend qualifizierten Personen unter Einhaltung der geltenden technischen und betrieblichen Vorgaben durchgeführt werden.
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