Der VDE-Ausschuss „Geschichte der Elektrotechnik“ veranstaltete gemeinsam mit der Energietechnischen Gesellschaft im VDE (ETG) und in Kooperation mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt eine Fachtagung zum Thema „75 Jahre Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), Entwicklung – Technologie – Anwendung“. Die Tagung fand im Hörsaal des Hermann-von-Helmholtz-Baues der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin am 26./27.September 2011 statt. Prof. Dr.-Ing. Johannes Nestler (Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover) initiierte die Fachtagung und arbeitete das wissenschaftliche Tagungsprogramm aus. Vor 75 Jahren wurde die Entwicklung der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) mit Quecksilberdampfventil-Stromrichtern aufgenommen, die in der Folge zur Errichtung der Elbe-Berlin-Übertragung führte. Sie wurde 1945 vor ihrer Inbetriebsetzung demontiert und in die Sowjet-Union transportiert. Das Thema der Energieübertragung auf große Entfernung ist heute so aktuell wie Mitte der dreißiger Jahre des vorigen Jahrhunderts als erörtert wurde, Wasserkräfte aus Norwegen über Kopenhagen nach Hamburg zu leiten. In jüngster Zeit erhält das Thema durch den weiteren geplanten Netzausbau besondere Bedeutung. Die Tagung gliedert sich in drei Themenbereiche mit Beiträgen zu der historischen Entwicklung der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, den Fortschritten in der Technologie vornehmlich der Leistungselektronik und der Anwendung anhand beispielhafter Projekte der Fern- und der Kabelübertragung sowie der Netzkupplung.
Zur Eröffnung der Tagung sprachen der Präsident der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Prof. Dr. rer. nat. Ernst O. Göbel, und der Vorsitzende des VDE-Ausschusses „Geschichte der Elektrotechnik“, Dr. phil. Frank Dittmann, die Begrüßungen aus. Den Eröffnungsvortrag hielt Prof. Dr.-Ing. Dieter Kind, ehemaliger Präsident der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, zum Genius Loci des Tagungsortes der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, die aus der 1887 gegründeten Physikalisch-Technischen Reichsanstalt hervorgegangen ist.
Zum Themenbereich der historischen Entwicklung stellte Prof. Dr.-Ing. Johannes Nestler in seinem Beitrag die Entwicklung von der ersten elektrischen Kraftübertragung von Miesbach nach München 1882 zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung dar. Nach der ersten Kraftübertragung, die mit Gleichstrom durchgeführt wurde, setzte sich durch die Erfindung des Transformators 1887 der Wechsel- bzw. Drehstrom durch. Anfang der Dreißiger Jahre des vorigen Jahrhunderts stellte sich die Aufgabe der bereits erwähnten Übertragung der Wasserkräfte aus Norwegen nach Deutschland, die sich mit Stromrichtern auf der Grundlage der Quecksilberdampfventile zu lösen versprach. Die Quecksilberdampfventile hatten für Anwendungen im Niederspannungsbereich bereits einen beachtlichen technischen Stand erreicht. 1935/1936 ist der Ausgangspunkt der systematischen Entwicklungsarbeit der Firmen AEG, BBC und Siemens an der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, namentlich an Hochspannungs-Stromrichtern mit Quecksilberdampfventilen. Prof. Dr. techn. Johannes Mitterauer (Technische Universität Wien) erläuterte in seinem Beitrag Aufbau und Physik der Quecksilberdampfventile und legte dar, welche Maßnahmen notwendig waren, um die hohe geforderte Sperrspannung und die Rückzündungssicherheit der Hochspannungsventile zu erreichen. Mit dem Aufkommen der Halbleiter lösten die Thyristoren die Quecksilberdampfventile ab.
Eine der ersten Anlagen dieser Art ist das Cabora-Bassa-Großprojekt, über das drei Ingenieure berichteten, die in führenden Positionen bei AEG für dieses Großprojekt tätig waren. Im Sambesi-Tal in Mozambique wurde zur Flussregulierung und Energieerzeugung ein Staudamm mit einem Wasserkraftwerk errichtet, dessen elektrische Energie eine Hochspannungs-Übertragung über eine Entfernung von 1414 km nach Südafrika zur Apollo-Station überträgt, die auf einem ehemaligen Gelände eines Umspannwerks zwischen Pretoria und Johannesburg liegt. Dipl.-Ing. Gerhard Heyner als Chairman des internationalen Konsortiums ZAMCO schilderte die Verhandlungen bis zur Auftragserteilung am 29. September 1969. Der Auftrag beinhaltete die schlüsselfertige Anlage, die durch den bedingten Zwang aufgrund von Politik, Finanzierung und Terror in der noch nicht erprobten Thyristor-Technik von den Firmen AEG, BBC und Siemens zu verwirklichen war. Dipl.-Ing. Herbert Pesch beschrieb die Bemessung und Ausführung der Stromrichterstationen an den Enden einer 2x1414 km langen monopolaren Gleichstromleitung mit Erdrückleitung. Die entscheidende Neuerung war der Einsatz von Leistungsthyristoren, die in großer Zahl in Reihe (280 Thyristoren) zu schalten waren, um die hohe Übertragungsspannung von + 533 kV zu ermöglichen. Dipl.-Ing. Michael Schubert berichtete über seine langjährigen Betriebserfahrungen von 1974 bis 2004. In drei Ausbaustufen wurde der Betrieb der Anlage nacheinander in den Jahren 1977, 1978 und 1979 aufgenommen, wobei sehr gute Betriebsergebnisse mit hohen Zuverlässigkeitsraten erreicht wurden.
Den zweiten Themenbereich Technologie eröffnete Prof. Dr.-Ing. Rainer Marquardt (Universität der Bundeswehr München) mit einem Beitrag über leistungselektronische Systeme der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. Darin wird eine Übersicht und Systematik der bei der HGÜ angewendeten Stromrichtertypen gegeben. Beginnend mit den herkömmlichen netzgeführten Stromrichtern mit Thyristoren werden die Entwicklungsstufen der selbstgeführten Stromrichter mit IGBT- und IGCT-Halbleiterventilen erläutert. Deren neueste Entwicklungsstufe ist der modulare Multilevel-Stromrichter, der außer den HGÜ-Zweipunktverbindungen die dynamische Spannungsstabilisierung, die Blindleistungskompensation und auch die Verwirklichung künftiger vermaschter HGÜ-Netze ermöglicht.
In den drei folgenden Beiträgen wird die Entwicklung der Halbleiterventil-Bauelemente - der Thyristor- und der IGBT-Bauelemente - darlegt. Prof. Dr. sc. techn. André Jaecklin (ehem. BBC/ABB) berichtete über die Entwicklung der Thyristor-Bauelemente bei BBC/ABB und Dipl.-Ing. Jörg Dorn (Infineon Technologies Bipolar) über die entsprechende Entwicklung bei Siemens/Infineon. Insbesondere die Beherrschung von hohen Spannungen und großen Strömen pro Bauelement gehörten zu den Herausforderungen, die Anfang der achtziger Jahre durch den erstmaligen Einsatz großer unzerteilter Silicium-Scheiben (100 mm Durchmesser) gelöst wurden. So wurde die Sperrspannung von etwa 1200 V auf heute 8500 V gesteigert. Durch die Grunddotierung des Siliciums mittels Neutronenbeschuss erhöhte sich die Stromtragfähigkeit pro Bauelement auf heute 4500 A. Ein wichtiger Innovationsschritt der Thyristorentwicklung war die Einführung der Lichtzündung - bei ABB als indirekte und bei Siemens als direkte Lichtzündung -. Die Entwicklung der Insulated-Bipolar-Transistoren hinsichtlich Technologie und Performance über die Generationen zeigte Dr.-Ing. Gerhard Miller (Infineon AG) seit den Anfängen der achtziger Jahre auf und gab einen Einblick in die nächsten Entwicklungen.
Dipl.-Ing. Peter Lips (ehem. BBC, Siemens) behandelte Aufbau, Kühlung und Ansteuerung der Halbleiterventile. Auch heute müssen noch viele Thyristoren (bis zu 100) elektrisch in Reihe geschaltet werden, um die für die Hochspannungs-Übertragung nötige hohe Sperrspannung pro Ventilzweig zu realisieren. Damit haben alle Bauelemente unterschiedliche Potentiale gegen Erde, woraus sich besondere Herausforderungen an die Ansteuerung, die Kühlmittelverteilung und die Isolation ergeben. Dieser Themenbereich schloss mit einem Vortrag von Dr.-Ing. Christian Frohne (Nexans Deutschland) und Prof. Dr.-Ing. Ernst Gockenbach (Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover) zur Entwicklung der Gleichstromkabel für die HGÜ. Gleichstromkabel sind im Gegensatz zu Drehstromkabeln in ihrer Übertragungslänge nicht begrenzt. Die Entwicklung der Kabelisoliersysteme für Gleichspannung wird unter Berücksichtigung der besonderen elektrischen Belastung im Hinblick auf die Feldstärkeverteilung bei Gleichspannung und bei möglichen Polaritätswechseln betrachtet.
Im dritten Themenbereich der Anwendung der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung zeigten Prof. Dr.-Ing. Jochen Kreusel (ABB AG) sowie Dr.-Ing. Marcus Häusler (Siemens AG) und Prof. Dr.-Ing. Dietmar Retzmann (Siemens AG) in abgestimmten Vorträgen den Stand der HGÜ-Technik an Beispielen aus aktuellen Projekten ihrer Firmen. Die Hoch-spannungs-Gleichstrom-Übertragung erlaubt heute nicht mehr nur die hocheffiziente Übertragung größter Leistungen (6 GW) über weite Entfernungen (über 2000 km) bei Übertragungsspannungen bis zu 800 kV, vielmehr ermöglicht sie die weitere Netzentwicklung zum Smard Grid und Super Grid. Mit den jüngsten Entwicklungslinien der selbstgeführten Stromrichter hat sich die HGÜ für eine Vielzahl von Aufgaben qualifiziert.
Prof. Dr.-Ing. Günther Brauner (Technische Universität Wien) betrachtete die HGÜ als Verbindung in Übertragungsnetzen unter den Aspekten zentraler und dezentraler Energieerzeugungen sowie dem Vergleich zwischen der HGÜ und der DSÜ (Drehstrom-Übertragung). Dabei erläuterte er die Aufgaben im Verbundnetz wie das Verbinden asynchroner Netze, die gerichtete Hochleistungs-Übertragung zwischen Erzeugungs-und Verbraucherzentren, die Leistungssteuerung und die Pendeldämpfung. Dipl.-Ing. Johann Meisner (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) stellte Arbeiten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt zur Energiemesstechnik in der HGÜ dar, die in den kommenden Jahren im Zuge eines europäischen Projektes mit der Beteiligung von sieben nationalen Metrologieinstituten durchgeführt werden sollen. Zum Abschluss der Tagung gab Dipl.-Ing. Matthias Wilhelm (50 Hertz Transmission) einen Überblick auf HGÜ-Vorhaben in Deutschland über verwirklichte und geplante Anlagen-Projekte. Ein Beitrag, der nicht im Tagungsprogramm vorgesehen war, jedoch von besonderem Interesse ist, lieferte Dipl.-Ing. Peter Lips über frühe Arbeiten am Gleichstromschalter.
Der abschließenden Diskussion stellten sich Dipl.-Ing. Matthias Wilhelm und Dipl.-Ing. Axel Schomberg (TenneT) zu Fragen des aktuellen Netzausbaues im Zusammenhang mit der Energiewende. An der Tagung nahmen 150 Zuhörer – überwiegend Ingenieure – teil. Die Moderation der Themenbereiche übernahmen Prof. Dr.-Ing. Manfred Michel (Technische Universität Berlin), Prof. Dr. rer. nat. Dieter Silber (Universität Bremen) und Prof. Dr.-Ing. Matthias Luther (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg). Die Vorträge werden in einem Tagungsband dokumentiert. Nicht zuletzt hat zum Gelingen der Veranstaltung die Unterstützung der Industrie (ABB AG, Converteam GmbH, Infineon AG, Nexans Deutschland GmbH, Siemens AG) beigetragen.