Viele Forschungsprojekte der Leibniz Universität Hannover beschäftigen sich mit der Energiewende. Im Rahmen des Netzausbauprojekts Suedlink forscht das Institut für Elektrische Energiesysteme unter anderem nach optimalen Kabelmaterialien für den Gleichstromtransport über große Distanzen und nach neuen Verfahren, um Fehler in einem 700 km langen Erdkabel zu detektieren.
Modernisierung der Sicherheitstechnik
Für ihre Experimente nutzen die Wissenschaftler des Fachbereichs Hochspannungstechnik und Asset Management unter der Leitung von Professor Peter Werle am Schering-Institut zwölf Hochspannungsversuchszellen und eine große Hochspannungshalle. Angesichts der auftretenden Spannungsniveaus kommt der funktionalen Sicherheit dort eine herausragende Bedeutung zu: Der Anwender muss sich darauf verlassen können, dass die Versuchszelle nach dem Experiment wieder spannungsfrei ist, bevor er sie betritt – ansonsten begibt er sich in Lebensgefahr. „In der Hochspannungstechnik sind die Komponenten grundsätzlich auf eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten ausgelegt“, sagt Peter Werle. „Bei der funktionalen Sicherheit geht die Entwicklung deutlich schneller voran. Da die sicherheitstechnische Ausstattung unserer Hochspannungsversuchszellen in die Jahre gekommen war, haben wir uns entschieden, sie auf den heute in der Industrie üblichen SIL-3-Standard anzupassen.“
Mit der Problematik in die Jahre gekommener Sicherheitstechnik müssen sich derzeit viele Hochschulen auseinandersetzen. Daher hat das Schering-Institut für Hochspannungstechnik und Asset Management bei der Konzeption eng mit den Fachkollegen der Hochschule Bremen und der Technischen Universität Graz zusammengearbeitet. Konkreter Anlass für die Entscheidung, die Sicherheitstechnik als Pilotprojekt an der Leibniz Universität Hannover zu modernisieren, war die anstehende Kernsanierung des Institutsgebäudes. Sie bot die Gelegenheit, die Zellen von Grund auf neu zu konzipieren. Bei sechs Zellen ist die Modernisierung mittlerweile abgeschlossen. Die restlichen vier Zellen, zwei geschirmte Zellen für Hochfrequenzmessungen und die große Hochspannungshalle werden derzeit noch umgerüstet. Die technische Umsetzung kann durchaus Vorbildcharakter für andere Universitäten und sonstige öffentliche Einrichtungen haben.
Sicherheits-SPS Pluto als Kernstück
Um die Anforderungen an die funktionale Sicherheit zu definieren, hat ein Projektteam unter der Leitung des Doktoranden Hassan Saadati eine Risikobeurteilung durchgeführt und ein Sicherheitskonzept erstellt. Darin spielen verschiedene ABB-Komponenten eine zentrale Rolle. Das Herzstück des Systems ist die Sicherheits-SPS Pluto, die sämtliche angeschlossenen Sensoren, Schalter und Tastenfelder überwacht und steuert. Seine beiden Mikroprozessoren kontrollieren sich wechselseitig selbst. 20 Eingänge stehen zur Verfügung, um die Daten der angeschlossenen Komponenten zu empfangen und auszuwerten.
„Über die Programmierung der Eingangsbeschaltung lassen sich die Bedingungen festlegen, unter denen die Pluto-Steuerung die Ausgänge freigibt und Spannung in der Versuchszelle erzeugt wird“, erklärt Kai Giese aus der Division Elektrifizierungsprodukte bei ABB. „Etwaige Fehler wie Kurzschlüsse in der Zuleitung oder ein Bauteiledefekt werden sicher erkannt und das System kann nicht gestartet werden.“ Ist der Sicherheitskreis während eines Versuchs nicht mehr geschlossen, unterbricht Pluto sofort die komplette Spannungsversorgung. Ein großer Vorteil der Sicherheits-SPS besteht in ihrer Flexibilität: Sie verfügt über eine Vorparametrierung mit bestimmten Funktionsbausteinen; ebenso ist aber auch eine vollkommen freie Programmierung nach individuellem Bedarf möglich.
Zusammenspiel von Adam und Eva
Die Türen der Versuchszellen sind mit dem Sicherheitssensor Eden ausgerüstet. Seine beiden komplementären Teile Adam und Eva sind in der Lage, die gegenseitige Präsenz berührungslos zu erfassen. Erst wenn Eden meldet, dass die Tür korrekt geschlossen ist, gibt die Pluto-Steuerung die Versuchszelle für den Testablauf frei. „Dank des Eden-Sensors ist ein mechanisches Verklemmen der Sensortechnik, wie es bei älteren Systemen auftreten kann, ausgeschlossen“, erläutert Projektleiter Hassan Saadati. „Die aktuelle Sicherheitstechnik minimiert das Risiko für eine bewusste Manipulation der Anlage ebenso wie die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Fehlern.“
Ein weiterer Eden-Sicherheitssensor ist an der Erdungsstange angebracht und kontrolliert, ob sie korrekt eingehängt ist. Um einen Hochspannungsversuch zu starten, muss der Anwender eine bestimmte Tastenkombination auf der Drucktastenleiste Smile 41 betätigen. So ist ausgeschlossen, dass das versehentliche Berühren einer Taste die Hochspannungsversorgung auslöst. Mehrfachmeldeleuchten dienen als optisches Signal dafür, ob die Anlage zugänglich ist oder nicht.
Konzept erfüllt SIL 3
Das Sicherheitssystem erfüllt das Performance Level E und das Safety Integrity Level 3 (SIL 3). Beide Standards formulieren die Anforderung, dass selbst eine Anhäufung von Fehlern nicht zum Verlust der Sicherheit führen darf. „Aus den anzunehmenden Verletzungen, der Häufigkeit, mit der sich eine Person der Gefahr aussetzt, und den Möglichkeiten, der Gefahr zu entkommen, leiten sich die Höhe des Risikos und die Sicherheitsmaßnahmen ab“, sagt Kai Giese.
Für ABB als Projektpartner sprachen dabei mehrere Gründe: Um die erneuerten Hochspannungszellen mehrere Jahrzehnte betreiben zu können, müssen auch die Sicherheitskomponenten über einen solch langen Zeitraum verfügbar sein. „Bei den Experimenten kann durchaus mal etwas kaputtgehen, sodass wir rasch Ersatzteile benötigen“, sagt Hassan Saadati. „Die hohe Produktverfügbarkeit von ABB war daher ein wichtiges Kriterium.“ Und dank des guten Preis-Leistungs-Verhältnisses der Komponenten konnte die Modernisierung der Versuchszellen budgetgerecht realisiert werden.
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