Generatorschutz - Schneider Electric

Schutz
Überwachung
Steuerung
Leitfaden über den Schutz
I>
Allgemeines
Seite
Inhaltsverzeichnis
Allgemeines
1
Sternpunktbehandlung
3
Kurzschlussströme
Selektivität
Netzschutz
21
Transformatorschutz
29
Motorschutz
35
Generatorschutz
41
Kondensatorschutz
47
Wandler
53
Zeichenerklärung
I>
Maximalstromschutz
I <–
Stromrichtungsschutz
I
Maximalerdschlussstromschutz
N
>
Ii >
MaximalGegenkomponentenschutz
I
∆I
I >
U
Vorwort
Merlin Gerin
9
15
U<
>f>
U>
Minimalspannungsschutz
Maximal- und
Minimalfrequenzschutz
Maximalspannungsschutz
P <––
Wirkleistungsrückflussschutz
Thermisches Abbild
Q <––
Blindleistungsrückflussschutz
Differentialschutz
U
Maximalrestspannungsschutz
N
Maximalstromschutz mit
spannungsabhängigem
Ansprechwert
Schutzeinrichtungen überwachen dauernd
den elektrischen Zustand der Teile eines
Netzes und bewirken deren Abschaltung
(z.B. durch Öffnen eines
Leistungsschalters), wenn dort eine Störung
wie z.B. ein Kurzschluss oder ein
Isolationsfehler usw. auftritt.
Damit werden die folgenden Ziele verfolgt:
c Beitrag zum Schutz von Personen gegen
die elektrischen Gefahren.
c Vermeidung der Zerstörung von Betriebsmitteln (die von einem dreiphasigen
Kurzschluss an MS-Sammelschienen
erzeugte Energie ist in der Lage, in 1
Sekunde bis zu 50 kg Kupfer zu schmelzen;
die Temperatur des Lichtbogens kann in
seinem Kern 10 000 °C übersteigen).
c Begrenzung der thermischen, dielektrischen und mechanischen Beanspruchungen,
denen diese Betriebsmittel unterworfen
werden.
c Aufrechterhaltung der Stabilität des
Netzes und der Kontinuität der
Stromversorgung.
c Schutz der benachbarten Anlagen (z.B.
Reduktion der in benachbarten Stromkreisen
induzierten Spannungen).
>
Buchholz-Schutz
Um diese Ziele zu erreichen, muss ein
Schutzsystem die folgenden Merkmale
haben:
c Schnelligkeit
c Selektivität
c Zuverlässigkeit
Man muss sich jedoch auch der Grenzen
des Schutzes bewusst sein: Zuerst muss
eine Störung auftreten, damit der Schutz in
Aktion treten kann. Somit kann der Schutz
keine Störungen verhindern, er kann
lediglich deren Dauer begrenzen. Zudem ist
die Wahl eines Schutzes oft ein technischwirtschaftlicher Kompromiss zwischen der
Sicherheit und der Verfügbarkeit der
Versorgung mit elektrischer Energie.
Die Wahl einer Schutzeinrichtung ist nicht
die Folge einer separaten Überlegung,
sondern eine der wichtigsten Stufen beim
Entwurf eines Stromnetzes. Ausgehend vom
Studium des Verhaltens der elektrischen
Betriebsmittel (Motoren, Transformatoren
usw.) im Störungsfall und der sich daraus
ergebenden Erscheinungen verfolgt der
vorliegende Leitfaden den Zweck, Ihnen bei
der Wahl der am besten geeigneten
Schutzeinrichtungen behilflich zu sein.
Leitfaden über den Schutz 1
2 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Sternpunktbehandlung
Einleitung
Die Wahl der Art der Erdung des Sternpunktes
der MS- und NS-Netze war lange Zeit Gegenstand von heftigen Meinungsverschiedenheiten, da es unmöglich ist, für die einzelnen
Netzarten einen einzigen Kompromiss zu
finden. Aufgrund der praktischen Erfahrung ist
es heute möglich, unter Berücksichtigung der
Besonderheiten jedes Netzes eine
sachdienliche Wahl zu treffen.
Die fünf Sternpunktschaltungen
Das Sternpunktpotential kann durch fünf verschiedene Methoden festgelegt werden, die
sich durch die Art (Kapazität, Widerstand,
Induktivität) und den Wert (null bis unendlich)
der zwischen dem Sternpunkt und der Erde
geschalteten Impedanz Zn unterscheiden:
c Zn = ∞ d.h. nicht geerdeter Sternpunkt
(auch isolierter Sternpunkt genannt), keine
absichtliche Verbindung.
c Zn ist ein Widerstand mit einem mehr oder
weniger hohen Wert.
c Zn ist eine Reaktanz mit einem in der Regel
niedrigen Wert.
c Zn ist eine bestimmte Reaktanz, welche die
Kapazität des Netzes kompensiert.
c Zn = 0, d.h. direkt geerdeter Sternpunkt.
Schwierigkeiten und
Auswahlkriterien
Die Auswahlkriterien betreffen zahlreiche
Gesichtspunkte:
c Technische Gesichtspunkte (Funktionstüchtigkeit des Netzes, Überspannungen,
Fehlerstrom usw.).
c Betriebliche Gesichtspunkte (Kontinuität der
Versorgung, Instandhaltung usw.).
c Sicherheits-Gesichtspunkte.
c Wirtschaftliche Gesichtspunkte (Investitionskosten, Betriebskosten).
c Gesichtspunkte der örtlichen oder nationalen
Gewohnheiten.
Besonders zwei wichtige technische Gesichtspunkte widersprechen sich:
Reduktion des Überspannungspegels
Überspannungen haben verschiedene
Ursachen:
c Blitzüberspannungen, denen alle Freileitungsnetze bis zu den Verbrauchern ausgesetzt sind.
c Netzinterne Überspannungen, die durch
Schaltvorgänge und bestimmte kritische
Situationen (Resonanzen) verursacht werden.
c Überspannungen, die sich aus einem
Erdschluss und seiner Beseitigung ergeben.
Reduktion des Erdschlussstroms Id
Ein zu hoher Fehlerstrom hat eine ganze
Reihe von Folgen:
c Schäden durch den Lichtbogen an der
Fehlerstelle, insbesondere Schmelzen der
magnetischen Kreise rotierender Maschinen.
c Thermisches Verhalten der Kabelabschirmungen.
c Abmessungen und Kosten des Erdungswiderstandes.
Merlin Gerin
c Induktionen in benachbarten Telekommunikationskreisen.
c Gefährdung von Personen durch Erhöhung
des Potentials des Körpers (der Masse) eines
elektrischen Betriebsmittels.
Leider bewirkt die Optimierung einer dieser
Anforderungen automatisch eine Beeinträchtigung der anderen. Zwei typische Methoden
der Sternpunkterdung streichen diesen
Kontrast besonders heraus:
c Der nicht geerdete (d.h. isolierte) Sternpunkt,
der verhindert, dass ein Erdschlussstrom
fliesst, der aber die höchste Überspannung
bewirkt.
c Der direkt geerdete Sternpunkt, der die
Überspannungen auf ein Minimum reduziert,
jedoch einen hohen Fehlerstrom bewirkt.
Deshalb wird in viele Fällen eine Zwischenlösung mit einem über eine Impedanz
geerdeten Sternpunkt gewählt.
Leitfaden über den Schutz 3
Sternpunktbehandlung (Fortsetzung)
Nicht geerdeter Sternpunkt
Id
4 Leitfaden über den Schutz
In einem solchen Netz bewirkt ein einphasiger
Erdschluss nur einen niedrigen Fehlerstrom Id
über die Kapazitäten der gesunden Phasen
gegen Erde.
Es kann gezeigt werden, dass Id = 3 CωV,
wobei
c V = Phasenspannung
c C = Kapazität einer Phase gegen Erde
c ω = Kreisfrequenz des Netzes (ω = 2πf).
Der Strom Id kann im Prinzip lange Zeit
bestehen bleiben, ohne Schaden anzurichten,
da sein Wert nicht höher ist als wenige Ampere
(etwa 2 A pro km für ein einpoliges 6 kV-Kabel
mit PRC-Isolation, dessen Kapazität
0,63 µF/km beträgt). Somit muss nichts unternommen werden, um diesen ersten Fehler zu
beseitigen, weshalb diese Lösung den
wesentlichen Vorteil hat, die Kontinuität der
Versorgung aufrechtzuerhalten.
Dies hat jedoch Folgen:
c Ein nicht beseitigter Isolationsfehler muss
unbedingt von einer Isolationsüberwachungseinrichtung gemeldet werden.
c Die darauffolgende Suche nach dem Fehler
erfordert einerseits eine umso komplexere
Apparatur, je automatischer sie ist, um eine
schnelle Erkennung des fehlerhaften Abgangs
zu ermöglichen, und andererseits einen
qualifizierten Unterhaltsdienst für den Betrieb.
c Falls der erste Fehler nicht beseitigt wird,
bewirkt ein zweiter Fehler an einer anderen
Phase einen echten zweiphasigen Erdschluss,
der von den Phasenschutzeinrichtungen
beseitigt werden muss.
Vorteil
Der wesentliche Vorteil ist die Kontinuität der
Versorgung, da es der sehr niedrige Fehlerstrom zulässt, nicht automatisch abzuschalten.
Nachteile
Die Nichtbeseitigung der Überspannungen
durch Ableitung gegen Erde ist ein bedeutender Nachteil, wenn diese Überspannungen
hoch sind. Zudem nehmen bei der Erdung
einer Phase die anderen Phasen die verkettete Spannung (U = V.e) gegen Erde an, was
die Gefahr eines zweiten Fehlers erhöht. Die
Isolationskosten sind höher, da die verkettete
Spannung während einer langen Zeit
zwischen Phase und Erde anstehen kann, weil
keine automatische Abschaltung erfolgt. Es ist
ein Unterhaltsdienst erforderlich, der mit für die
rasche Suche nach dem ersten Isolationsfehler geeignetem Material ausgerüstet ist.
Anwendungen
Diese Lösung wird oft für Industrienetze
(≤ 15 kV) gewählt, für welche die Kontinuität
der Versorgung oberstes Gebot ist.
Merlin Gerin
Erdung über einen
Widerstand
I >
N
N
Rn
I >
N
Id
Rn
Zugänglicher Sternpunkt
Nicht zugänglicher Sternpunkt
Schutzeinrichtungen
Die Erfassung eines schwachen Fehlerstroms
Id erfordert andere Schutzeinrichtungen als die
Überstromrelais der Phasen.
Diese «Erdschluss»-Schutzeinrichtungen
erfassen den Fehlerstrom
c entweder direkt in der Verbindung zwischen
Sternpunkt und Erde 1 ,
c oder im Netz durch Messung der Vektorsumme der 3 Ströme unter Verwendung
v entweder von 3 Phasenstromwandlern,
welche die Schutzeinrichtungen speisen 2
v oder eines Ringkernwandlers (vorzuziehen,
da genauere Messung) 3 .
I >
N
1
2
3
I >
N
I >
N
Merlin Gerin
Bei diesem Schema begrenzt ein ohmscher
Widerstand den Fehlerstrom Id gegen Erde bei
gleichzeitiger Ableitung der Überspannungen.
Demzufolge müssen jedoch automatisch
Schutzeinrichtungen in Aktion treten, die den
ersten Fehler beseitigen. In Netzen, die
rotierende Maschinen speisen, wird der Widerstand so festgelegt, dass ein Id von 15 bis 50 A
erhalten wird.
Dieser niedrige Strom muss jedoch trotzdem
gleich Id ≥ Ic sein (Ic = gesamter kapazitiver
Strom des Netzes), um die Schaltüberspannungen zu reduzieren und eine einfache
Erfassung zu ermöglichen. In Verteilnetzen
werden höhere Werte gewählt (100 bis 1000 A),
die besser erfassbar sind und eine Ableitung
von Blitzüberspannungen gestatten.
Vorteile
Dieses Schema ist ein guter Kompromiss
zwischen einem niedrigen Fehlerstrom und
gut abgeleiteten Überspannungen. Die
Schutzeinrichtungen sind einfach und selektiv
und der Strom wird begrenzt.
Nachteile
c Keine Kontinuität der Versorgung. Bei
einem Erdschluss muss dieser sofort beseitigt
werden.
c Die Kosten für den Erdungswiderstand steigen
mit der Spannung und dem begrenzten Strom.
Anwendungen
Öffentliche und industrielle MS-Verteilnetze.
Erdungswiderstand (Rn)
Wenn der Sternpunkt zugänglich ist (Transformator in Sternschaltung), kann der Erdungswiderstand zwischen Sternpunkt und Erde
geschaltet werden. Wenn der Sternpunkt nicht
zugänglich ist oder wenn es sich aufgrund der
Selektivitätsstudie als vorteilhaft erweist,
realisiert man mit einer Spule oder einem
Spezialtransformator mit sehr niedriger
Nullreaktanz einen künstlichen Sternpunkt
(Nullgenerator).
Die Ansprechwerteinstellung erfolgt in
Funktion des unter Vernachlässigung der
Quellen- und Verbindungs-Nullimpedanzen
gegenüber der Impedanz Rn und unter
Berücksichtigung der folgenden 2 Regeln
berechneten Fehlerstroms Id:
c Einstellung höher als das 1,3fache des
kapazitiven Stroms des Netzes vor der
Schutzeinrichtung,
c Einstellung auf ungefähr 20% des maximalen Erdschlussstroms.
Zudem darf die Einstellung, wenn die Erfassung mit 3 Stromwandlern erfolgt, nicht
niedriger sein als 10% der Baugrösse der
Stromwandler, um die mit
v der Asymmetrie der Ausgleichsströme,
v der Streuung der Kennlinien verbundenen
Unsicherheiten zu berücksichtigen.
Leitfaden über den Schutz 5
Sternpunktbehandlung (Fortsetzung)
Erdung über eine Drossel
Für Netzspannungen über 40 kV zieht man
wegen der Probleme, die mit der Wärmeentwicklung beim Auftreten eines Fehlerstroms verbunden sind, die Verwendung einer
Drossel anstelle eines Widerstandes vor.
Erdung über eine
Kompensationsdrossel
Mit diesem System kann der kapazitive Strom
des Netzes kompensiert werden.
Denn der Fehlerstrom ist die Summe der
Ströme, die durch die folgenden Kreisen
fliessen:
c Erdung über die Drossel.
c Kapazitäten der gesunden Phasen gegen
Erde.
Diese Ströme heben sich gegenseitig auf, da
c der eine (derjenige in der Erdung) induktiv
und
c der andere (derjenige in den Kapazitäten
der gesunden Phasen) kapazitiv ist.
Die Addieren sich somit gegenphasig.
Vorteil
Dieses System gestattet eine Verminderung
der Fehlerströme, selbst wenn die Kapazität
der Phasen gegen Erde gross ist.
Nachteil
Die Kosten für die Erdungsdrossel können
hoch sein, weil man den Wert der Reaktanz
verändern können muss, um die Kompensation anzupassen.
L
N
Id
Direkte Erdung der
Sternpunktes
Schutzeinrichtungen
Die Fehlerstromerfassung beruht auf der
Wirkkomponente des Reststroms. Der
Fehler bewirkt im gesamten Netz das
Fliessen von Restströmen, aber nur der
fehlerhafte Kreis wird von einem ohmschen
Reststrom durchflossen. Zudem berücksichtigen die Schutzeinrichtungen sich
wiederholende, selbstlöschende Fehler.
Wenn die Erdungsreaktanz und die Kapazität des Netzes aufeinander abgestimmt
sind (3LNCo2=1)
v ist der Fehlerstrom minimal,
v ist der Fehlerstrom ein Wirkstrom,
v ist der Fehler selbstlöschend.
Deshalb wird die Kompensationsdrossel
Löschspule oder Petersen-Spule genannt.
Wenn der Sternpunkt ohne dazwischengeschaltete Impedanz geerdet ist, ist der
Fehlerstrom Id zwischen Phase und Erde
praktisch ein Kurzschluss zwischen Phase und
Sternpunkt und somit hoch. Dieses zum
Ableiten von Überspannungen ideale Schema
bringt sämtliche Nachteile und Gefahren eines
hohen Erdschlussstroms mit sich. Es besteht
keine Kontinuität der Versorgung und es
gibt keine spezifischen Schutzeinrichtungen,
indem die normalen Überstromschutzeinrichtungen in Aktion treten, um den Fehler
zu beseitigen.
Anwendungen
c Dieses Schema wird in Europa für MSFreileitungs- und -Kabelnetze nicht angewendet, ist jedoch in den nordamerikanischen
Verteilnetzen üblich. In diesen (Freileitungs-)
Netzen rechtfertigen andere Besonderheiten
diese Wahl:
v Vorhandensein eines verteilten Neutralleiters,
v Verteilung 3 P, 2 P+N oder 1 P+N,
v Verwendung des Neutralleiters als Schutzleiter mit genereller Erdung an jedem Mast.
c Dieses Schema kann angewendet werden,
wenn die Kurzschlussleistung der Quelle
niedrig ist.
6 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 7
8 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Kurzschlussströme
Einleitung
Der Kurzschluss ist eine der bedeutendsten
Störungen, die in einem elektrischen Netz
auftreten können.
Seine Folgen sind oft schwerwiegend, wenn
nicht verheerend:
c Der Kurzschluss stört den Bereich des
Netzes an der Nähe der Fehlerstelle durch
die von ihm bewirkte plötzliche Spannungsabsenkung.
c Er zwingt zur Abschaltung eines oft
grossen Teils des Netzes durch entsprechende Schutzeinrichtungen.
c Alle vom Kurzschlussstrom durchflossenen
Betriebsmittel und Verbindungen (Kabel,
Leitungen) erleiden eine hohe mechanische
Beanspruchung (durch elektrodynamische
Kräfte), die zum Bruch führen kann, und eine
thermische Beanspruchung, die ein
Schmelzen der Leiter und eine Zerstörung
der Isolationen bewirken kann.
c An der Fehlerstelle entsteht meistens ein
Lichtbogen hoher Energie, dessen zerstörerische Auswirkungen sehr stark sind
und der sich schnell ausbreiten kann.
Trotz der abnehmenden Wahrscheinlichkeit
des Auftretens eines Kurzschlusses in
modernen, gut konzipierten und gut
betriebenen Anlagen, sind die möglichen
gravierenden Folgen Grund genug, alles zu
unternehmen, um jeden Kurzschluss
möglichst schnell festzustellen und zu
beseitigen.
Die Kenntnis des Wertes des Kurzschlussstroms an verschiedenen Stellen des Netzes
ist unerlässlich, um die Kabel, Sammelschienen und alle Schalt- und Schutzeinrichtungen sowie deren Einstellung
festzulegen.
Definitionen
Der Kurzschlussstrom an einem Punkt eines
Netzes wird durch den Effektivwert Icc (in
kA) seiner Wechselstromkomponente
ausgedrückt. Der maximale Momentanwert,
den der Kurzschlussstrom erreichen kann,
ist der Scheitelwert ip der ersten Halbperiode.
Dieser Scheitelwert kann wegen der abklingenden Gleichstromkomponente, die sich
der Wechselstromkomponente überlagern
kann, wesentlich höher sein als r • Icc.
Diese zufällige Gleichstromkomponente
hängt vom Momentanwert der Spannung im
Moment des Auftretens des Kurzschlusses
und von den Eigenschaften des Netzes ab.
Die Kurzschlussleistung wird durch den
Ausdruck Scc = e Un • Icc (in MVA)
definiert.
Dieser fiktive Wert ist physikalisch nicht
vorhanden. Es handelt sich um eine mit
einer Scheinleistung vergleichbare praktische konventionelle Grösse.
Strom
Gleichstromkomponente
iρ
2 2 Icc
Merlin Gerin
Zeit
Leitfaden über den Schutz 9
Kurzschlussströme (Fortsetzung)
Der Wert Icc des dreiphasigen Kurzschlussstroms an einem Punkt F des Netzes beträgt:
U
Icc =
e Zcc
wobei U die verkettete Spannung am Punkt
F vor dem Auftreten des Fehlers und Zcc die
von der Fehlerstelle aus gesehene Ersatzimpedanz des vorgeschalteten Netzes ist.
c Diese Berechnung ist somit im Prinzip
einfach. Ihre praktische Komplexität ergibt
sich aus der Schwierigkeit der Berechnung
von Zcc, der Impedanz, die allen seriellen
und parallelen Einzelimpedanzen der dem
Fehler vorgeschalteten Netzkomponenten
entspricht. Diese Impedanzen sind selber
die quadratische Summe von Widerständen
und Reaktanzen:
Kurzschluss zwischen
Phasen
Zcc
U
Zcc
U
Zcc
Icc
F
F
F
Zcc = VR2 + X2
Eine wesentliche Vereinfachung liegt
insbesondere vor, wenn man die Kurzschlussleistung (Scc) an der Anschlussstelle
an das Netz des Elektrizitätsversorgungsunternehmens kennt.
Erdschluss (einphasig)
1
N
2
Zn
3
Io
Aus dem Wert von Scc an dieser Stelle kann
die Impedanz Za, die der dieser Stelle
vorgeschalteten Impedanz entspricht, mit
der folgenden Formel abgeleitet werden:
U
U2
, Icc =
e Za
Scc
Ebenso ist nicht unbedingt nur eine
Spannungsquelle vorhanden; es können
mehrere parallele Spannungsquellen
vorliegen, denn insbesondere Synchronund Asynchronmotoren verhalten sich unter
Kurzschlussbedingungen wie Generatoren.
Der dreiphasige Kurzschlussstrom ist im
allgemeinen der höchste Strom, der im Netz
fliessen kann. Der zweiphasige
Kurzschlussstrom ist niedriger (im Verhältnis
von e/2, d.h. er beträgt ungefähr 87%).
Za =
Icc zweiphasig =
U
2 Zcc
Der Wert dieses Stroms hängt von der
Impedanz Zn zwischen dem Sternpunkt und
Erde ab. Diese Impedanz kann praktisch
gleich null sein, wenn der Sternpunkt direkt
geerdet (und somit diese Impedanz in Serie
mit dem Erdungswiderstand geschaltet) ist,
oder praktisch gleich unendlich, wenn der
Sternpunkt nicht geerdet (und somit diese
Impedanz parallel zur Phasen-ErdeKapazität des Netzes geschaltet) ist.
Zum Berechnen dieses asymmetrischen
Kurzschlussstroms muss die Methode der
symmetrischen Komponenten beigezogen
werden. Diese Methode ersetzt das reale
Netz durch eine Überlagerung der folgenden
3 Netze:
Mitnetz, Gegennetz und Nullnetz.
Auf diese Weise wird jedes Element des
Netzes durch die folgenden 3 Impedanzen
charakterisiert:
Mitimpedanz Z1, Gegenimpedanz Z2 und
Nullimpedanz Z0.
Der Wert des Erdschlussstroms I0 beträgt:
I0 =
Ue
Z1 + Z2 + Z0 + 3 Zn
Diese Berechnung ist für Netze erforderlich,
bei denen der Sternpunkt über eine Impedanz Zn geerdet ist, um die Einstellwerte der
Erdschlussstromchutzeinrichtungen zu
bestimmen, die in Aktion treten müssen, um
den Erdschlussstrom zu unterbrechen.
In der Praxis gilt:
I0
10 Leitfaden über den Schutz
z
U
e Zn
Merlin Gerin
Kurzschlussstrom an den
Klemmen eines Generators
Die Berechnung des Kurzschlussstroms an
den Klemmen eines Synchrongenerators ist
komplexer als an den Klemmen eines an
das Netz angeschlossenen Transformators.
Dies deshalb, weil die innere Impedanz der
Maschine nach dem Auftreten des Fehlers
nicht als konstant erachtet werden kann.
Diese nimmt allmählich zu, weshalb der
Strom abnimmt und dabei drei charakteristische Phasen durchläuft:
c Subtransiente Phase (etwa 0,01 bis 0,1 s):
Der Kurzschlussstrom (Effektivwert der
Wechselstromkomponente) ist hoch und
beträgt das 5- bis 10fache des Nennstroms.
c Transiente Phase (zwischen 0,1 und 1 s):
Der Kurzschlussstrom klingt bis zum 2- bis
6fachen des Nennstroms ab.
c Dauerphase: Der Kurzschlussstrom fällt
auf das 0,5- bis 2fache des Nennstroms
zurück.
Strom
Subtransiente
Die angegebenen Werte hängen von der
Leistung der Maschine, von der Art ihrer
Erregung und für den Dauerkurzschlussstrom
vom Wert des Erregerstroms und somit von
der Belastung der Maschine im Moment des
Auftretens des Fehlers ab.
Zudem ist die Nullimpedanz von Generatoren
in der Regel 2- bis 3mal niedriger als die
Mitimpedanz. Somit ist der Phasen-ErdeKurzschlussstrom höher als der drei-phasige
Strom. Zum Vergleich beträgt der dreiphasige
Dauerkurzschlussstrom an den Klemmen
eines Transformators je nach Leistung das
6- bis 20fache des Nennstroms. Daraus kann
geschlossen werden, dass Kurzschlüsse an
den Klemmen eines Generators schwer zu
charakterisieren sind, vor allem jedoch, dass
wegen ihres niedrigen und abklingenden
Wertes das Einstellen der Schutzeinrichtungen schwierig ist.
Transiente
Dauer-Vorgänge
i1
t
i2
t
i3
t
Auftreten
des Fehlers
Berechnung der
Kurzschlussströme
Merlin Gerin
Verlauf der drei Kurzschlussströme an den Klemmen eines Generators
Die Regeln für die Berechnung der Kurzschlussströme in Industrieanlagen sind in
der 1988 erschienenen Norm IEC 909
festgelegt worden.
Die praktische Berechnung der Kurzschlussströme an verschiedenen Stellen eines
Netzes kann bald eine aufwendige Arbeit
werden, wenn die Anlage komplex ist.
Mit Hilfe von speziellen Software-Programmen können diese Berechnungen schneller
durchgeführt werden.
Leitfaden über den Schutz 11
Kurzschlussströme (Fortsetzung)
Verhalten der Betriebsmittel unter Kurzschlussbedingungen
12 Leitfaden über den Schutz
Man unterscheidet zwei Arten von Netzbetriebsmitteln, je nachdem, ob sie beim
Auftreten eines Fehlers in Aktion treten
müssen oder nicht.
Passive Betriebsmittel
Zu dieser Kategorie gehören alle Betriebsmittel, die aufgrund ihrer Funktion dazu
bestimmt sind, sowohl den Nennstrom als
auch den Kurzschlussstrom zu übertragen,
ohne Schaden zu nehmen.
Das sind die Kabel, Leitungen, Sammelschienen, Trenner, Schalter, Transformatoren, Drosseln, Kondensatoren und
Messwandler.
Für diese Betriebsmittel wird die Befähigung,
den Durchgang eines Kurzschlussstroms
ohne Beschädigung auszuhalten, wie folgt
definiert:
c Anhand des elektrodynamischen
Verhaltens (ausgedrückt in kA Scheitelwert),
das ihre mechanische Widerstandsfähigkeit
gegen elektrodynamische Beanspruchungen
kennzeichnet.
c Anhand des thermischen Verhaltens (ausgedrückt in kA eff. während 1 bis 5 Sekunden), das die maximal zulässige Erwärmung
kennzeichnet.
Aktive Betriebsmittel
Zu dieser Kategorie gehören die Betriebsmittel, die dazu bestimmt sind, den
Kurzschlussstrom zu beseitigen, d.h. die
Leistungsschalter und Sicherungen. Diese
Befähigung wird durch das Ausschaltvermögen und wenn nötig durch das Kurzschluss-Einschaltvermögen ausgedrückt.
c Ausschaltvermögen
Diese wichtige Eigenschaft eines Schaltgerätes entspricht dem Maximalstrom (in
kA eff.) den dieses unter in den Normen
festgelegten Bedingungen unterbrechen
kann. Dabei handelt es sich normalerweise
um den Effektivwert der Wechselstromkomponente des Kurzschlussstroms.
Manchmal wird für bestimmte Geräte der
Effektivwert der Summe der Wechsel- und
der Gleichstromkomponente angegeben.
Dies ist dann der «asymmetrische Strom».
Das Ausschaltvermögen hängt ferner von
den folgenden Bedingungen ab:
v Spannung
v Verhältnis R/X des unterbrochenen Stroms
v Netzfrequenz
v Anzahl Unterbrechungen des Maximalstroms, zum Beispiel Schaltzyklus
O - S/O - S/O (O = Öffnen, S = Schliessen)
v Zustand des Gerätes nach der Prüfung
Das Ausschaltvermögen scheint somit eine
ziemlich schwierig zu definierende Eigenschaft zu sein. Deshalb ist es nicht erstaunlich, dass demselben Gerät je nach der
angewendeten Norm ein anderes Ausschaltvermögen zugeordnet werden kann.
c Kurzschluss-Einschaltvermögen
Diese Eigenschaft wird in der Regel implizit
durch das Ausschaltvermögen festgelegt,
denn ein Schaltgerät muss in der Lage sein,
auf einen Kurzschluss einzuschalten, den es
auch unterbrechen kann.
Manchmal muss das Einschaltvermögen
höher sein, zum Beispiel für GeneratorLeistungsschalter.
In diesem Fall wird das Einschaltvermögen
in kA Scheitelwert angegeben, da der
asymmetrische ersten Scheitelwert die
höchste elektrodynamische Beanspruchung
verursacht.
c «Abgeschnittener» prospektiver Kurzschlussstrom
Gewisse Schaltgeräte haben die Eigenschaft, den Strom, den sie zu unterbrechen
haben, zu «begrenzen». Ihr Ausschaltvermögen wird als maximaler prospektiver
Kurzschlussstrom angegeben, der sich bei
einem satten Kurzschluss an den speisungsseitigen Klemmen des Schaltgerätes bilden
würde und der unterbrochen wird.
Merlin Gerin
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 13
I>
I>
I>
I>
14 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Selektivität
I>
I>
I>
Einleitung
Die Schutzeinrichtungen bilden unter sich
eine zusammenhängende Gesamtheit, die
von der Netzstruktur und von der Sternpunktbehandlung abhängt. Sie müssen
deshalb unter dem Gesichtswinkel eines
Systems betrachtet werden, das auf dem
Prinzip der Selektivität beruht. Diese
Selektivität besteht darin, den von einem
Fehler betroffenen Teil des Netzes - und nur
diesen - möglichst schnell abzutrennen und
alle gesunden Teile der Anlage unter
Spannung zu lassen.
Stromselektivität
Die Stromselektivität beruht auf der Tatsache, dass in einem Netz der Fehlerstrom
umso schwächer ist, desto weiter entfernt
die Fehlerstelle von der Einspeisung ist.
Am Anfang jedes Abschnittes wird eine
Schutzeinrichtung mit Stromrelais angeordnet. Deren Ansprechpunkt wird auf einen
Wert eingestellt, der kleiner ist als der
minimale Wert des Kurzschlussstroms, der
durch einen Fehler im überwachten Teil
verursacht wird, und grösser als der
maximale Wert des Stroms, der durch einen
Fehler auf der Verbraucherseite (unterhalb
des überwachten Bereiches) verursacht
wird.
Bei dieser Einstellung tritt jede Schutzeinrichtung nur für unmittelbar verbraucherseitig von ihrer Position auftretende Fehler in
Aktion. Auf weiter unten auftretende Fehler
reagiert sie nicht. In der Praxis ist es jedoch
schwierig, die Einstellungen von zwei
hintereinandergeschalteten Schutzeinrichtungen (unter gleichzeitiger Sicherstellung
einer einwandfreien Selektivität) festzulegen,
wenn der Strom zwischen zwei benachbarten Abschnitten (wie es bei der Mittelspannung der Fall ist) nicht wesentlich
abnimmt.
Für Leitungsabschnitte, die durch einen
Transformator voneinander getrennt sind,
wird dieses System hingegen mit Vorteil
angewendet, da es einfach und kostengünstig ist und schnell reagiert (unverzögerte Abschaltung).
Die Abb. 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel.
I>
A
B
Icc A
Icc B
(Abb. 1)
Beispiel für die Stromselektivität
Verschiedene Massnahmen können
angewendet werden, um eine gute
Selektivität in bezug auf den Schutz eines
elektrischen Netzes sicherzustellen:
c Stromselektivität
c Zeitselektivität
c Logische Selektivität
c Selektivität durch richtungsabhängige
Schutzeinrichtungen
c Selektivität durch differentielle Schutzeinrichtungen
ICCA > Ir ≥ ICCB
Ir = Einstellstrom
ICCB = Abbild auf der Primärseite des Transformators des maximalen Kurzschlusstroms
auf der Sekundärseite.
Ir
ICCB maxi.
Merlin Gerin
ICCA mini.
I
Leitfaden über den Schutz 15
Selektivität (Fortsetzung)
Zeitselektivität
Einstellung der
Verzögerung
1,1s
I>
A
0,8s
I>
B
0,5s
I>
C
0,2s
I>
D
Kurzschluss
(*)
IRA ≥ IRB ≥ IRC ≥ IRD
IR: Einstellstrom der Schutzeinrichtung
16 Leitfaden über den Schutz
Die Zeitselektivität beruht darauf, den dem
Netz entlang angeordneten Schutzeinrichtungen mit Stromrelais verschiedene
Verzögerungen zu geben.
Diese Verzögerungen sind umso länger,
desto näher sich das Relais an der
Einspeisung befindet.
Im nebenstehenden Schema stellen alle
Schutzeinrichtungen (bei A, B, C und D) den
dargestellten Fehler fest. Die verzögerte
Schutzeinrichtung bei D schliesst ihre
Kontakte schneller als diejenige bei C, und
diese schneller als diejenige bei B usw.
Nach dem Öffnen des Leistungsschalters
bei D und den Verschwinden des Fehlerstroms kehren die nicht mehr erregten
Schutzeinrichtungen bei A, B und C in ihre
Ruhestellung zurück.
Die Differenz der Ansprechzeit ∆t zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Schutzeinrichtungen wird Selektivitätsintervall genannt.
Dieses muss folgendes berücksichtigen:
c die Ausschaltzeit Tc des Leistungsschalters,
c die Verzögerungstoleranzen dt,
c die Rückkehrzeit tr der Schutzeinrichtungen in die Ruhestellung.
∆t muss somit die folgende Beziehung
erfüllen:
∆t ≥ Tc + tr + 2dt.
Unter Berücksichtigung der tatsächlichen
Leistungsdaten der Schaltgeräte und Relais
wird für ∆t ein Wert von 0,3 s angenommen.
Dieses Selektivitätssystem hat die folgenden
zwei Vorteile:
c Es stellt seinen eigenen Reservebetrieb
sicher (indem es einen gesunden Teil der
Anlage abschaltet).
c Es ist einfach.
Wenn hingegen die Anzahl der hintereinandergeschalteten Relais gross ist, ergibt
sich aus der Tatsache, dass die am
nächsten an der Einspeisung angeordnete
Schutzeinrichtung die längste Verzögerung
hat, eine Fehlerbeseitigungszeit, die unzulässig lang ist und sich mit dem Verhalten
der Betriebsmittel unter dem Kurzschlussstrom oder den äusseren Betriebsanforderungen (zum Beispiel Anschluss an das
Netz eines Elektrizitätsversorgungsunternehmens) nicht mehr verträgt.
Dieses Prinzip wird für Radialnetze angewendet.
Merlin Gerin
I>
I>
I>
Anwendung der
Zeitselektivität
A IrA
Die Verzögerungen, die festgelegt worden
sind, um eine Zeitselektivität zu erhalten,
werden aktiviert, wenn der Strom die
Ansprechwerte der Relais erreicht. Deshalb
müssen die Einstellungen der Ansprechwerte in der richtigen Beziehung untereinander stehen.
Es gibt 2 Arten von verzögerten Stromrelais:
c Relais mit stromunabhängiger Verzögerung (Abb. 1): Die Verzögerung ist
konstant und unabhängig vom Strom, wenn
dieser grösser ist als der Ansprechwert.
IrA > IrB > IrC , tA > tB > tC.
t
B IrB
Strom-Ansprechwert
Keine
Auslösung
t
Verzögerte
Auslösung
C B
A
t
A
C IrC
∆t
t
B
∆t
t
C
Verzögerung
I
IrC
(Abb. 1)
Auslösekurve mit stromunabhängiger Verzögerung
IrB
IrA
IccC IccB IccA I
c Relais mit stromabhängiger Verzögerung
(inverser Verzögerung) (Abb. 2):
Die Verzögerung ist umso kürzer, je grösser
der Strom ist.
Wenn die Ansprechwerte auf In eingestellt
sind, wird der Überlastschutz gleichzeitig mit
dem Kurzschlussschutz gewährleistet und
stehen die Ansprechwert in richtiger
Beziehung zueinander.
InA > InB > InC
IrA = InA IrB = InB IrC = InC
Die Verzögerungseinstellungen werden so
gewählt, um das Selektivitätsintervall ∆t für
den von der nachgeschalteten Schutzeinrichtung festgestellten Maximalstrom zu
erhalten.
t
Strom-Ansprechwert
Keine
Auslösung
t
C
B
A
Verzögerte
Auslösung
∆t
∆t
I
(Abb. 2)
Auslösekurve mit stromabhängiger Verzögerung
Merlin Gerin
IrC
IrB
IrA
IccC
IccB
IccA
I
Leitfaden über den Schutz 17
Selektivität (Fortsetzung)
Logische Selektivität
I>
I>
R
Logischer
Wartebefehl
Dieses Prinzip gelangt zur Anwendung,
wenn eine kurze Fehlerbeseitigungszeit
erwünscht ist.
Der Austausch logischer Informationen
zwischen aufeinanderfolgenden Schutzeinrichtungen ermöglicht das Beseitigen der
Selektivitätsintervalle.
In einem Radialnetz werden die der Fehlerstelle vorgeschalteten Schutzeinrichtungen
erregt und die nachgeschalteten nicht.
Dadurch kann die Fehlerstelle eindeutig
geortet und der zu betätigende Leistungsschalter bestimmt werden.
Jede von einem Fehler erregte Schutzeinrichtung
c sendet an die vorgeschaltete Stufe einen
logischen Wartebefehl (Erhöhung der Zeitverzögerung des vorgeschalteten Relais),
c sendet an den damit verbundenen
Leistungsschalter einen Auslösebefehl,
ausser wenn sie selber von der nachgeschalteten Stufe einen logischen Wartebefehl erhalten hat.
Als Reserveschutz ist eine verzögerte
Auslösung vorgesehen.
Vorteil
Die Abschaltzeit ist unabhängig vom Ort des
Fehlers in der Selektivitätskaskade.
I>
R
I>
R
Kurzschluss zwischen Phasen
Logisches Selektivitätssystem
18 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
I>
I>
I>
Richtungsabhängige
Selektivität
In einem Ringnetz, wo ein Fehler von beiden
Seiten her gespeist wird, muss eine
Schutzeinrichtung eingesetzt werden, die
auf die Fliessrichtung des Fehlerstroms
reagiert, damit dieser geortet und beseitigt
werden kann.
Beispiel für die Anwendung von richtungsabhängigen Schutzeinrichtungen:
D1 und D2 sind mit unverzögerten, richtungsabhängigen Schutzeinrichtungen
versehen, und H1 und H2 sind mit verzögerten Maximalstromschutzeinrichtungen
ausgerüstet.
Beim Auftreten eines Fehlers bei 1 wird
dieser nur von den Schutzeinrichtungen von
D1 (richtungsabhängig), H1 und H2
festgestellt. Die Schutzeinrichtung von D2
stellt ihn (wegen ihrer entgegengesetzten
Erfassungsrichtung) nicht fest. D1 öffnet.
Die Schutzeinrichtung von H2 wird entregt
und H1 öffnet.
tH1 = tH2
tD1 = tD2
tH = tD + ∆t
H2
H1
I>
I>
1
A
I
I
D1
D2
Erfassungsrichtung
Anwendungsbeispiel für richtungsabhängige
Schutzeinrichtungen
Selektivität durch
Differentialschutz
I
Geschütztes
Betriebsmittel
I'
Rs
∆I
Schema des Hochimpedanz-Differentialschutzes
I
Geschütztes
Betriebsmittel
I'
Diese Schutzeinrichtungen vergleichen die
Ströme auf beiden Seiten des überwachten
Netzabschnittes. Jede Differenz der
Amplitude und der Phasenlage zwischen
diesen Strömen bedeutet, dass ein Fehler
vorliegt. Der Differentialschutz reagiert nur
auf Fehler innerhalb des Schutzbereiches
und nicht auf solche ausserhalb davon. Er
ist somit ihrem Wesen nach selektiv.
Das geschützte Betriebsmittel kann ein
Motor, ein Generator, ein Transformator oder
eine Verbindung (Kabel oder Leitung) sein.
Dieser Schutz wird verwendet
c um Fehlerströme festzustellen, die
niedriger sind als der Nennstrom,
c um unverzögert abzuschalten, da die
Selektivität auf der Erfassung und nicht auf
der Verzögerung beruht.
Es gibt zwei Hauptprinzipien:
c Der Hochimpedanz-Differentialschutz, bei
dem die Schutzeinrichtung in Serie mit
einem Stabilisierungswiderstand(1) im
Differenzialkreis geschaltet ist.
c Der Prozent-Differentialschutz, bei dem
die Schutzeinrichtung unabhängig an die
Kreise der Ströme I und I' angeschlossen ist.
Der Differenzstrom I - I' wird in der
Schutzeinrichtung ermittelt und die
Stabilität(1) des Schutzes wird durch ein vom
gemessenen Durchgangsstrom abhängiges
Signal I + I' erreicht.
2
(1)
Die Stabilität des Differentialschutzes ist
seine Befähigung, nicht zu reagieren, wenn
aus den folgenden Gründen ein Differenzstrom festgestellt wird, innerhalb des
Schutzbereiches jedoch kein Fehler vorhanden ist:
v Magnetisierungsstrom des Transformators
v Kapazitiver Leitungsstrom
v Falschstrom infolge unterschiedlicher
Sättigung der Stromwandler
∆I
Schema des Prozent-Differentialschutzes
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 19
20 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Netzschutz
Einleitung
Merlin Gerin
Netzschutzeinrichtungen müssen folgendes
ermöglichen:
c Erfassung von Fehlern.
c Abschaltung der Netzteile, die mit einem
Fehler behaftet sind, unter gleichzeitigem
Schutz der gesunden Teile.
Die Wahl der Schutzeinrichtungen muss in
Funktion der Netzkonfiguration (Parallelbetrieb von Generatoren oder Transformatoren, Stern- oder Ringnetz, Art der Sternpunkterdung usw.) erfolgen.
Die Schutzeinrichtungen gegen
c Kurzschlüsse
c Erdschlüsse (Schutzeinrichtungen in
Verbindung mit der Sternpunktbehandlung
im Netz) müssen separat in Betracht
gezogen werden.
Wir werden dies nacheinander für die
folgenden Fälle tun:
c Netz mit einer Einspeisung
c Netz mit zwei Einspeisungen
c Sammelschienen
c Ringnetz
Leitfaden über den Schutz 21
Netzschutz (Fortsetzung)
Netz mit einer Einspeisung
Kurzschlüsse zwischen Phasen
(Abb. 1)
I>
t
A
A
2
Die Schutzeinrichtung bei D stellt den
Fehler 1 am Abgang fest und löst mit der
Verzögerung tD aus.
Die Schutzeinrichtung bei A stellt den
Fehler 2 an den Sammelschienen fest und
löst mit der Verzögerung tA aus.
Zudem wirkt sie als Reserveschutz bei
einem Ausfall der Schutzeinrichtung D.
Man wählt: IrA ≥ IrD et tA ≥ tD +∆t
∆t = Selektivitätsintervall
(normalerweise 0,3 s).
D
t
I>
D
1
(Abb. 1)
Erdschlüsse
H
IN >
3
IN >
A
2
D3
D2
IN >
D1
IN >
IN >
1
(Abb. 2)
22 Leitfaden über den Schutz
Wirkstrom
Kapazitiver Strom
Sternpunkterdung am Transformator
über einen Widerstand (Abb. 2)
Die Abgänge, die Einspeisung sowie die
Erdungsverbindung des Sternpunktes sind
mit einem Maximalerdschlussstromschutz
ausgerüstet.
Diese Schutzeinrichtungen unterscheiden
sich notwendigerweise von den Schutzeinrichtungen gegen Kurzschlüsse zwischen
Phasen, da eine andere Grössenordnung
der Fehlerströme vorliegt. Die Schutzeinrichtungen der Abgänge werden im Verhältnis zur Schutzeinrichtung der Einspeisung selektiv eingestellt, und diese
wiederum wird im Verhältnis zur Schutzeinrichtung der Erdungsverbindung selektiv
eingestellt (Einhaltung der Selektivitätsintervalle). Der Fehlerstrom schliesst sich
über die Kapazitäten der gesunden Abgänge
und den Erdungswiderstand.
Die Wandler der gesunden Abgänge stellen
alle einen kapazitiven Strom fest.
Um unerwünschte Auslösungen zu
verhindern, wird die Schutzeinrichtung jedes
Abgangs auf einen Ansprechwert eingestellt,
der höher ist als der kapazitive Strom des
entsprechenden Abgangs.
c Fehler bei 1 :
Der Leistungsschalter D1 öffnet sich auf
Veranlassung der mit ihm verbundenen
Schutzeinrichtung.
c Fehler bei 2 :
Der Leistungsschalter A öffnet sich auf
Veranlassung der Schutzeinrichtung der
Einspeisung.
c Fehler bei 3 :
Die an der Erdungsverbindung des Sternpunktes angeordnete Schutzeinrichtung
bewirkt das Öffnen des Leistungsschalters H
auf der Primärseite des Transformators.
Merlin Gerin
Erdschlüsse (Fortsetzung)
Sternpunkterdung an den Sammelschienen über einen Widerstand (Abb. 3)
Die Schutzeinrichtungen der Abgänge und
diejenige der Einspeisung werden selektiv
im Verhältnis zur Schutzeinrichtung an der
Erdungsverbindung eingestellt. Wie im
vorhergehenden Fall wird die
Schutzeinrichtung jedes Abgangs auf einen
Ansprechwert eingestellt, der höher ist als
der kapazitive Strom des entsprechenden
Abgangs.
Bei einem Fehler 1 an einem Abgang öffnet
sich nur der Leistungsschalter D1 dieses
Abgangs.
Bei einem Fehler 2 an den Sammelschienen wird dieser nur von der Schutzeinrichtung an der Erdungsverbindung festgestellt.
Diese öffnet den Leistungsschalter A.
Schliesslich wird ein Fehler 3 auf der
Sekundärseite des Transformators von der
Schutzeinrichtung der Einspeisung festgestellt. Diese öffnet den Leistungsschalter H.
H
3
I
IN >
rA
t
A
A
IN > IrN tN
2
D2
D1
IN >
IN >
I
rD
Anmerkung: Wenn der Leistungsschalter A
offen ist, befindet sich die Sekundärseite des
Transformators im Zustand eines nicht
geerdeten Sternpunktes.
t
D
1
(Abb. 3)
Isolationsüberwachungseinrichtung
UN >
Nicht geerdeter Sternpunkt (Abb. 4)
Ein Fehler an irgendeiner Stelle bewirkt
einen Strom, der sich über die Kapazitäten
der gesunden Abgänge schliesst.
Im allgemeinen Fall der Industrienetze ist
dieser Strom niedrig (wenige Ampere). Der
Betrieb kann weitergehen, während man
den Fehler zu orten versucht.
Der Fehler wird durch eine Isolationsüberwachungseinrichtung (Vigilohm) oder eine
Maximalrestspannungsschutzeinrichtung
festgestellt. Wenn der gesamte kapazitive
Strom des Netzes hoch ist (etwa 10 A),
sollten zusätzliche Massnahmen getroffen
werden, um den Fehler schnell zu beseitigen.
Um den mit einem Fehler behafteten
Abgang schnell abzuschalten, kann ein
Erdschlussstromrichtungsschutz verwendet
werden.
(Abb. 4)
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 23
Netzschutz (Fortsetzung)
Netz mit zwei
Einspeisungen
H1
Kurzschlüsse zwischen Phasen
(Abb. 1)
H2
I>
t
I>
t
I
t
H
T1
H
T2
3
t
I
R
I>
t
R
t
I>
A
A1
A
A2
2
D1
D2
I>
t
D
I>
1
t
D
Netz mit zwei
Transformatoreinspeisungen oder zwei
Leitungseinspeisungen
Die Abgänge sind mit Maximalphasenstromschutzeinrichtungen ausgerüstet, deren
Verzögerung auf den Wert tD eingestellt
wird.
Die beiden Einspeisungen A1 und A2 sind
mit Maximalphasenstromschutzeinrichtungen versehen, die selektiv auf die
Abgänge eingestellt sind, d.h. auf einen
Wert tA ≥ tD + ∆t.
Zudem sind sie mit Stromrichtungsschutzeinrichtungen versehen, deren Verzögerung
auf den Wert tR < tA – ∆t eingestellt ist.
Somit wird ein Fehler bei 1 durch das
Öffnen von D2 mit einer Verzögerung tD
abgeschaltet.
Ein Fehler bei 2 wird durch das Öffnen
von A1 und A2 mit einer Verzögerung tA
abgeschaltet (wobei die richtungabhängigen
Schutzeinrichtungen keinen Fehler feststellen).
Schliesslich wird ein Fehler bei 3 von der
richtungabhängigen Schutzeinrichtung von
A1 festgestellt. Dieser Leistungsschalter
öffnet sich im Moment tR, was die Fortsetzung des Betriebs des gesunden Teils
des Netzes gestattet.
Der Fehler bei 3 wird jedoch immer noch
von T1 gespeist. Im Moment tH ≥ tA + ∆t
öffnet sich H1 auf Veranlassung der
Maximalphasenstromschutzeinrichtung,
mit der dieser Schalter ausgerüstet ist.
Erfassungsrichtung
(Abb. 1)
Erdschlüsse (Abb. 2)
Netz mit zwei Transformatoreinspeisungen
Sternpunkterdung an den Transformatoren
über einen Widerstand. Die Abgänge sind
mit Maximalerdschlussstromschutzeinrichtungen ausgerüstet, die auf einen Ansprechwert eingestellt werden, der höher ist als der
entsprechende kapazitive Strom, und
dessen Verzögerung tD beträgt.
Die Einspeisungen A1 und A2 sind mit
Erdschlussstromrichtungsschutzeinrichtungen
versehen, deren Verzögerung tR beträgt.
Die Erdungsverbindungen des Sternpunktes
sind mit Maximalerdschlussstromschutzeinrichtungen ausgerüstet, deren Ansprechwert höher eingestellt ist als die Einstellwerte der Schutzeinrichtungen der
Speisungen und der Abgänge, und deren
Verzögerung den Wert tN ≥ tD + ∆t hat.
Somit wird ein Fehler bei 1 durch das
Öffnen von D1 abgeschaltet.
Ein Fehler bei 2 wird durch das Öffnen von
A1, A2, H1 und H2 abgeschaltet, das durch
die an den Erdungsverbindungen des
Sternpunktes der beiden Transformatoren
angeordneten Schutzeinrichtungen ausgelöst wird.
Ein Fehler bei 3 wird von der Erdschlussstromrichtungsschutzeinrichtung von A1
festgestellt. Dieser Leistungsschalter öffnet
sich im Moment tR, was die Fortsetzung des
Betriebs des gesunden Teils des Netzes
gestattet.
Der Fehler bei 3 wird jedoch immer noch
bis zum Moment tN gespeist, in welchem die
an der Erdungsverbindung des Sternpunktes
des betreffenden Transformators angeordnete Schutzeinrichtung das Öffnen des
Leistungsschalters H1 auslöst.
H1
H2
IN >
3
IN
t
t
N
N
IN >
t
IN
R
A1
t
R
A2
2
D1
D2
IN > tD
D3
IN > tD
IN > tD
1
Erfassungsrichtung
(Abb. 2)
24 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Sammelschienen
∆I
Zusätzlich zu den bereits genannten
Schutzeinrichtungen können Sammelschienen mit einem speziellen Schutz
ausgerüstet werden, der HochimpedanzDifferentialschutz genannt wird und der
empfindlich, schnell und selektiv sein muss.
Die Differentialschutzeinrichtung (Abb. 3)
ermittelt die Vektorsumme der in die Sammelschienen eintretenden und aus diesen
austretenden Ströme pro Phase. Wenn
diese Summe nicht gleich null ist, löst sie
die Leistungsschalter der Einspeisungen
der Sammelschienen aus.
Die zwischen den Maximalstromschutzeinrichtungen angewendete logische
Selektivität (Abb. 4) stellt eine einfache
Lösung des Sammelschienenschutzes dar.
Ein Fehler bei 1 wird von der
Schutzeinrichtung von D1 festgestellt, die
der Schutzeinrichtung von A einen
logischen Wartebefehl übermittelt.
Die Schutzeinrichtung von D1 löst nach
0,6 s aus.
Ein Fehler bei 2 wird nur von der Schutzeinrichtung von A festgestellt, die nach 0,1 s
auslöst.
(Abb. 3)
I>
t = 0,1 s
I>
t = 0,6 s
I>
t = 0,3 s
A
2
D1
1
D2
(Abb. 4)
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 25
Netzschutz (Fortsetzung)
In einem Verteilnetz, das in einem Ringnetz
gespeiste Transformatorenstationen umfasst, kann der Schutz an der Einspeisung
des Ringnetzes oder abschnittweise
sichergestellt werden.
Offener Ring
Geschlossener Ring
Schutz an der Einspeisung des
Ringnetzes (Abb. 1)
I>
(Abb. 1)
I>
Der Ring ist immer offen.
Der Leistungsschalter an jedem Einspeisungspunkt des Ringnetzes ist mit einem
Maximalstromschutz ausgerüstet.
Ein Fehler an einem Kabel, das zwei Transformatorenstationen verbindet, bewirkt das
Öffnen des einen oder anderen Einspeisungs-Leistungsschalters, je nachdem, wo
der Ring offen ist.
Dieser Schutz wird oft durch eine Automatik
ergänzt,
c die den Fehler (spannungslos) abschaltet,
indem die Schalter an den Enden des
betreffenden Kabels geöffnet werden,
nachdem das mit einem Fehler behaftete
Kabel (mit einem Fehlerortungsgerät)
geortet worden ist,
c die den geöffneten EinspeisungsLeistungsschalter wieder schliesst,
c die den Schalter schliesst, der das
normale Öffnen des Ringes bewirkt hat.
Abschnittweiser Schutz
Jedes Kabelende ist mit einem Leistungsschalter ausgerüstet, wobei mehrere Schutzmöglichkeiten bestehen:
∆I
∆I
∆I
∆I
Differentialschutz (Abb. 2)
Jedes Kabel ist mit einem Leitungsdifferenzialschutz und jede Transformatorenstation
ist mit einem Sammelschienendifferentialschutz versehen.
Der Schutz ist sehr schnell.
Zudem muss man sich, wenn der Sternpunkt
über einen Widerstand geerdet ist, vergewissern, dass die Empfindlichkeit der Differentialschutzeinrichtungen die Erdschlussfehler
erfasst.
Diese Lösung funktioniert sowohl bei einem
geöffneten als auch bei einem geschlossenen Ring.
(Abb. 2)
26 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Abschnittweiser Schutz
(Fortsetzung)
I>
I>
I
I
I
I
I
I
I
I
(Abb. 3)
I>
t4
I>
I>
t5
t5
I>
I
t1
t3
I
I>
t2
t3
Der Unterschied zwischen den Verzögerungen t1, t2 ... t5 ist gleich dem
Selektivitätsintervall ∆t
I
I>
t2
t4
Maximalstromschutz und
richtungsabhängige logische Selektivität
(Abb. 3)
Die Leistungsschalter des Ringnetzes sind
mit Maximalstromschutzeinrichtungen und
richtungsabhängigen Schutzeinrichtungen
ausgerüstet. Zudem wird das Prinzip der
logischen Selektivität angewendet, um
möglichst kurze Fehlerabschaltzeiten zu
erhalten.
Ein Fehler im Ring erregt
c alle Schutzeinrichtungen, wenn der Ring
geschlossen ist,
c alle dem Fehler vorgeschalteten Schutzeinrichtungen, wenn der Ring offen ist.
Jede Schutzeinrichtung sendet je nach der
von der richtungsabhängigen Schutzeinrichtung gelieferten Information einen
logischen Wartebefehl an die eine oder
andere benachbarte Schutzeinrichtungen
im Ring.
Die Schutzeinrichtungen, die keinen
logischen Wartebefehl erhalten, lösen mit
einer Minimalverzögerung aus, die unabhängig vom Ort des Fehlers im Ring ist.
c Der Fehler wird von zwei Leistungsschaltern auf beiden Seiten davon
abgeschaltet, wenn der Ring geschlossen
ist, wobei alle Schalttafeln gespeist bleiben.
c Der Fehler wird vom vorgeschalteten
Leistungsschalter abgeschaltet, wenn der
Ring offen ist.
Diese Lösung ist umfassend, da sie die
Kabel und die Netze schützt. Sie ist schnell
und selektiv und schliesst den Reserveschutz mit ein.
I
t1
Erfassungsrichtung
Maximalstromschutz und richtungsabhängiger Maximalstromschutz (Abb. 4)
Wenn der Ring nur Transformatorenstationen umfasst, kann die Zeitselektivität
mit Maximalstromschutzeinrichtungen und
richtungsabhängigen Maximalstromschutzeinrichtungen angewendet werden, wie in
der Abb. 5 gezeigt wird.
Mehr Transformatorenstationen würden zu
unzulässig langen Zeitverzögerungen
führen.
(Abb. 4)
Distanzschutz
Dieser bietet nur für sehr lange Verbindungen (von mehreren Kilometern) Vorteile
und wird deshalb in der Mittelspannung
selten angewendet.
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 27
28 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Transformatorschutz
Einleitung
Der Transformator ist ein besonders wichtiger Teil eines Netzes. Er muss wirksam
gegen alle Fehler mit innerer oder äusserer
Ursache geschützt werden, durch die er
beschädigt werden könnte.
Die Wahl einer Schutzeinrichtung beruht oft
auf technisch-wirtschaftlichen Überlegungen
und hängt von seiner Leistung ab.
Fehlerarten
Die Fehler, denen ein Transformator
hauptsächlich unterworfen sein kann, sind:
c Überlast
c Kurzschluss
c Körperschluss
Überlast kann die Folge einer Erhöhung der
Anzahl der gleichzeitig gespeisten Lasten
oder einer Erhöhung der von einer oder
mehreren Lasten aufgenommenen Leistung
sein. Sie wirkt sich als lang andauernder
Überstrom aus, der eine Temperaturerhöhung bewirkt, die einen nachteiligen Einfluss auf das Verhalten der Isolationen und
die Lebensdauer des Transformators hat.
Ein Kurzschluss kann transformatorintern
oder -extern sein.
c Innerer Kurzschluss: Dabei handelt es sich
um einen Fehler zwischen verschiedenen
Phasenleitern oder zwischen Windungen
derselben Wicklung. Der Fehlerlichtbogen
beschädigt die Transformatorwicklung und
kann einen Brand zur Folge haben. In einem
Öltransformator bewirkt der Lichtbogen die
Entwicklung von Zersetzungsgasen. Wenn
der Fehler klein ist, tritt eine schwache
Gasentwicklung auf, wobei die entstehende
Gasansammlung gefährlich ist. Ein starker
Kurzschluss bewirkt sehr grosse Schäden.
Dabei kann die Wicklung zerstört werden,
jedoch auch der Kessel, wobei brennendes
Öl ausfliesst.
c Äusserer Kurzschluss: Hier handelt es sich
um einen Fehler zwischen Phasen der
nachgeschalteten Verbindungen. Der Kurzschluss auf der Verbraucherseite bewirkt im
Transformator elektrodynamische Kräfte,
welche die Wicklung beschädigen und sich
hierauf zu einem inneren Fehler entwickeln
können.
Ein Körperschluss ist ein innerer Fehler.
Er kann zwischen der Wicklung und dem
Kessel oder zwischen der Wicklung und
dem Eisenkern auftreten. Bei einem
Öltransformator bewirkt er eine Gasentwicklung. Wie der innere Kurzschluss kann
er eine Zerstörung der Transformators und
einen Brand zur Folge haben.
Die Stärke des Fehlerstroms hängt von der
Sternpunktbehandlung der vor- und nachgeschalteten Netze ab, sowie vom Ort des
Fehlers in der Wicklung.
c Bei der Sternschaltung (Abb. 1) variiert der
zur Masse fliessende Strom zwischen 0 und
dem Maximalwert je nachdem, ob sich die
Fehlerstelle näher am sternpunktseitigen
oder am phasenseitigen Ende der Wicklung
befindet.
c Bei der Dreieckschaltung (Abb. 2) variiert
der zur Masse fliessende Strom zwischen
50% und 100% des Maximalwertes je
nachdem, ob sich die Fehlerstelle näher an
der Mitte oder an einem Ende der Wicklung
befindet.
I
I
I max
I max
I max
2
0
(Abb. 1)
0
100%
50%
100%
(Abb. 2)
Fehlerstrom in Funktion des Ortes des Fehlers in der Wicklung
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 29
Transformatorschutz (Fortsetzung)
Schutzeinrichtungen
Überlast
Ein lang andauernder Überstrom wird in der
Regel von einem Maximalstromschutz mit
stromunabhängiger oder stromabhängiger, in
bezug auf die sekundärseitigen Schutzeinrichtungen selektiven Verzögerung erfasst.
Man verwendet einen Schutz mit thermischem Abbild, um Temperaturerhöhungen
mit möglichst hoher Empfindlichkeit zu
überwachen. Dabei wird die Erwärmung
durch Simulation der Wärmeabgabe in
Funktion des Stroms und der thermischen
Trägheit des Transformators bestimmt.
I>
∆I
I >>
Körperschluss
c Kesselmassen-Erdschlussschutz (Abb. 3):
Dieser an die Erdungsverbindung der
Kesselmasse des Transformators angeschlossene unverzögerte Maximalstromschutz stellt (wenn seine Einstellung mit der
Sternpunktbehandlung kompatibel ist) eine
einfache und wirksame Lösung für den
Schutz gegen innere Kurzschlüsse zwischen
einer Wicklung und der Masse dar. Er
erfordert eine Isolation des Transformators
gegen Erde.
Dieser Schutz ist selektiv, indem er nur auf
Fehlerströme gegen die Masse reagiert. Die
Einstellwerte sind jedoch hoch.
Eine andere Lösung besteht in der Sicherstellung des Schutzes gegen Erdschlüsse
wie folgt:
c Durch den Erdschlussschutz im vorgeschalteten Netz für einen die Primärseite des
Transformators betreffenden Körperschluss.
c Durch den Erdschlussschutz an der Einspeisung der gespeisten Schalttafel, wenn
die Sternpunkterdung des nachgeschalteten
Netzes an den Sammelschienen erfolgt
(Abb. 4).
Diese Schutzeinrichtungen sind selektiv,
indem sie nur auf Kurzschlüsse zwischen
Phasen und Erde im Transformator oder
an den vor- und nachgeschalteten Verbindungen reagieren.
c Durch einen beschränkten Erdschlussschutz, wenn die Sternpunkterdung des
vorgeschalteten Netzes am Transformator
erfolgt (Abb. 5). Dabei handelt es sich um
einen Hochimpedanz-Differentialschutz, der
die Differenz der einerseits an der Sternpunkterdung und andererseits am
dreiphasigen Ausgang des Transformators
gemessenen Restströme feststellt.
c Durch einen Sternpunkterdschlussschutz,
wenn die Sternpunkterdung am Transformator erfolgt (Abb. 6).
(Abb. 2)
(Abb. 1)
I>
I >
N
(Abb. 4)
(Abb. 3)
Kurzschluss
Für Öltransformatoren verwendet man
c den Buchholz-Schutz genannten Gasfangund Ölströmungsschutz, der auf Gasentwicklungen sowie Ölströmungen reagiert,
die von einem Kurzschluss zwischen
Windungen derselben Phase bzw. einem
Kurzschluss zwischen Phasen verursacht
werden,
c den Transformator-Differentialschutz
(Abb. 1), der für einen schnellen Schutz
gegen Kurzschlüsse zwischen Phasen sorgt,
empfindlich ist und für Grosstransformatoren
eingesetzt wird,
c einen unverzögerten Maximalstromschutz
(Abb. 2) in Verbindung mit einem auf der
Primärseite des Transformators angeordneten Leistungsschalter, der den Schutz gegen
starke Kurzschlüsse sicherstellt.
Der Strom-Ansprechwert wird auf einen
Wert oberhalb des durch einen Kurzschluss
auf der Sekundärseite verursachten Stroms
eingestellt. Dadurch wird eine Stromselektivität gewährleistet.
c Eine HS-Sicherung kann den Schutz von
Transformatoren kleiner Leistung sicherstellen.
∆I
(Abb. 5)
I >
N
(Abb. 6)
30 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Beispiele für den
Transformatorschutz
MS/NS
MS/NS
MS
MS
(1)
I
I>
(2)
I>>
(2)
I >
(3)
N
I >
N
(3)
(4)
(4)
I >
N
(5)
(6)
(6)
NS
NS
Hohe Leistung
Niedrige Leistung
(1) Thermisches Abbild
(2) Sicherung oder Maximalstromschutz mit zwei Ansprechwerten
(3) Maximalerdschlussstromschutz
(4) Buchholz-Schutz
(5) Kesselmassen-Erdschlussschutz
(6) NS-Leistungsschalter
MS/MS
MS/MS
I
I>
(1)
I
(2)
I>
II >>
>>
I >
N
∆I
I >
(3)
N
(4)
N
(2)
I >>
(3)
I >
(1)
(7)
(4)
I >
N
(6)
∆I
(5)
(8)
Niedrige Leistung
Hohe Leistung
(1) Thermisches Abbild
(2) Maximalstromschutz mit zwei Ansprechwerten
(3) Maximalerdschlussstromschutz
(4) Buchholz-Schutz
(5) Kesselmassen-Erdschlussschutz
(6) Sternpunkterdschlussschutz
(7) Transformator-Differentialschutz
(8) Beschränkter Erdschlussschutz
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 31
Transformatorschutz (Fortsetzung)
Einstellangaben
Fehlerart
Überlast
Kurzschluss
Erdschluss
32 Leitfaden über den Schutz
Einstellungen
c NS-Leistungsschalter; In (für MS/NSTransformator).
c Thermisches Abbild: Zeitkonstante ungefähr 10'.
c Sicherung: Baugrösse > 1,3 In.
c Maximalstromschutz mit stromunabhängiger
Verzögerung. Unterer Ansprechwert < 6 In;
Verzögerung ≥ 0,3 s (in bezug auf die
Verbraucherseite selektiv). Oberer Ansprechwert
> Icc auf der Verbraucherseite, unverzögert.
c Maximalstromschutz mit stromabhängiger
Verzögerung. Unterer Ansprechwert
stromabhängig (in bezug auf die Verbraucherseite
selektiv). Oberer Ansprechwert > Icc auf der
Verbraucherseite, unverzögert.
c Transformator-Differentialschutz.
Steilheit: 25% bis 50%.
c Kesselmassen-Erdschlussschutz.
Ansprechwert > 20 A (Verzögerung 0,1 s).
c Maximalerdschlussstromschutz.
Ansprechwert ≤ 20% des maximalen Erdschlussstroms und ≥ 10% der Baugrösse der Stromwandler, wenn mit 3 Stromwandlern gespeist;
Verzögerung 0,1 s, wenn im Netz geerdet,
Verzögerung in Funktion der Selektivität, wenn die
Erdung am Transformator erfolgt.
c Beschränkter Erdschlussschutz. Ansprechwert
ungefähr 10% In, wenn eine Summierschaltung
mit 3 Stromwandlern verwendet wird.
c Sternpunkterdschlussschutz. Ansprechwert
ungefähr 10% der maximalen Erdschlussstroms.
Merlin Gerin
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 33
34 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Motorschutz
Einleitung
Der Motor bildet die Schnittstelle zwischen
dem elektrischen und dem mechanischen
Bereich.
Er befindet sich in einem Umfeld, das mit
der angetriebenen Last verbunden ist und
von dem er nicht getrennt werden kann.
Andererseits kann der Motor inneren
mechanischen Belastungen unterworfen
sein, da er bewegliche Teile enthält.
Ein einziger ausgefallener Motor kann einen
ganzen Prozess aufs Spiel setzen.
Moderne Motoren haben ausgesprochen
optimierte Eigenschaften, die wenig
Spielraum für einen Betrieb ausserhalb ihrer
normalen Daten bieten. Deshalb handelt es
sich um einen verhältnismässig empfindlichen Verbraucher, der sorgfältig geschützt
werden muss.
Fehlerarten
Motoren werden von den folgenden
Fehlerarten betroffen:
c Mit der angetriebenen Last zusammenhängende Fehler.
c Speisungsfehler.
c Motorinterne Fehler.
Mit der angetriebenen Last zusammenhängende Fehler
c Überlast. Wenn die verbrauchte Leistung
höher ist als die Nennleistung, entsteht im
Motor ein Überstrom und eine Erhöhung der
Verluste und damit eine Erhöhung der
Temperatur.
c Zu lange dauernde und zu häufige
Anläufe. Der Anlauf eines Motors bewirkt
hohe Überströme, die nur zulässig sind,
wenn sie von kurzer Dauer sind. Wenn die
Anläufe zu häufig sind oder zu lange dauern,
weil der Unterschied zwischen dem Motordrehmoment und dem Lastdrehmoment zu
klein ist, wird die damit verbundene Erwärmung zu hoch.
c Blockierung. Dabei handelt es sich um
einen plötzlichen Stillstand, der seine
Ursache in der angetrieben Last hat. Der
Motor nimmt den Anlaufstrom auf und bleibt
im Stillstand blockiert. Er wird nicht mehr
belüftet und erwärmt sich sehr schnell.
c Leerlaufen einer Pumpe. Dies bewirkt
einen Leerlauf des Motors, was keine
direkten nachteiligen Folgen hat. Die Pumpe
wird hingegen sehr schnell beschädigt.
c Leistungsrückfluss. Dieser Fehler tritt in
der Folge auf eine Spannungsabsenkung
ein, wenn ein durch die Trägheit der Last
angetriebener Synchronmotor Energie in
das Netz einspeist. Insbesondere wenn die
normale Speisung des Netzes abschaltet,
kann der Synchronmotor die Spannung auf
unerwünschte Weise aufrechterhalten und
die übrigen parallelgeschalteten Lasten
speisen.
Speisungsfehler
c Spannungsabsenkung. Diese verursacht
eine Abnahme des Motordrehmomentes und
der Drehzahl. Diese Verlangsamung bewirkt
eine Erhöhung des Stroms und der Verluste.
Somit tritt eine abnormale Erwärmung auf.
c Unsymmetrie. Die Drehstromspeisung
kann aus den folgenden Gründen unsymmetrisch sein:
v Die Energiequelle (Transformator oder
Generator) liefert keine symmetrische Dreiphasenspannung.
v Die übrigen Verbraucher stellen keine
symmetrische Last dar, wodurch das Versorgungsnetz unsymmetrisch wird.
v Der Motor läuft an zwei Phasen, weil eine
Sicherung durchgebrannt ist. Die Unsymmetrie der Speisung bewirkt
Gegenkomponenten, die sehr hohe Verluste
und damit eine sehr schnelle Erwärmung des
Rotors mit sich bringen.
Motorinterne Fehler
c Kurzschluss zwischen Phasen. Dieser ist
je nach dem Ort des Fehlers in der Wicklung
mehr oder weniger stark und hat
bedeutende Schäden zur Folge.
c Körperschluss. Die Stärke des Fehlerstroms hängt von der Sternpunktbehandlung
im Versorgungsnetz und vom Ort des
Fehlers in der Wicklung ab.
Nach einem Kurzschluss zwischen Phasen
und einem Körperschluss muss der Motor
neu gewickelt werden. Zudem kann ein
Körperschluss irreparable Schäden am
magnetischen Kreis verursachen.
c Verlust des Synchronbetriebs. Dieser
Fehler betrifft Synchronmotoren, die infolge
eines Ausfalls der Erregung den Synchronismus verlieren und als Asynchronmotoren
laufen, wobei jedoch der Rotor eine starke
Erwärmung erfährt, da er nicht für einen
solchen Betrieb dimensioniert ist.
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 35
Motorschutz (Fortsetzung)
Motorschutzeinrichtungen
∆I
(Abb. 1)
∆I
Überlast
Diese wird durch eine der folgenden Schutzeinrichtungen überwacht:
c Maximalstromschutz mit stromabhängiger
Verzögerung.
c Thermisches Abbild.
Das thermische Abbild bringt die Erwärmung
aufgrund des durchfliessenden Stroms ins
Spiel.
c Temperaturfühler.
Zu lange dauernder Anlauf und
Blockierung des Rotors
Dieselbe Funktion stellt diese beiden
Schutzbedürfnisse sicher. Es handelt sich
um einen unverzögerten Ansprechwert, den
man auf einen Wert unterhalb des Anlaufstroms einstellt und der nach einer Verzögerung nach dem Einschalten des Motors
berücksichtigt wird. Diese Verzögerung wird
auf einen Wert eingestellt, der grösser oder
gleich der normalen Anlaufdauer ist.
Zu häufige Anläufe
Die entsprechende Schutzeinrichtung
reagiert auf die Anzahl Anläufe innerhalb
einer bestimmten Zeit oder auf den zeitlichen Abstand zwischen diesen Anläufen.
Leerlaufen einer Pumpe
Dieser Zustand wird durch einen
Minimalstromschutz mit stromunabhängiger
Verzögerung erfasst, der reinitialisiert wird,
wenn der Strom den Wert Null erreicht
(wenn der Motor stillsteht).
Leistungsrückfluss
Dieser wird durch einen richtungsabhängigen Wirkleistungsrückflussschutz
festgestellt.
Spannungsabsenkung
Diese wird durch einen verzögerten Minimalspannungsschutz überwacht. Die Einstellungen für den Spannungsansprechwert und
die Verzögerung werden so gewählt, dass
sie in bezug auf die Kurzschlussschutzeinrichtungen des Netzes selektiv sind und
normale Spannungsabfälle, wie sie zum
Beispiel beim Anlauf eines Motors auftreten,
tolerieren. Diese Schutzeinrichtung ist oft für
mehrere Motoren, die von derselben Schalttafel aus gesteuert werden, gemeinsam.
Unsymmetrie
Dieser Schutz wird durch eine vom Strom
abhängige oder unabhängige Erfassung der
Gegenkomponente des Stroms gewährleistet.
Kurzschluss zwischen Phasen
Dieser wird mit einem verzögerten Maximalstromschutz erfasst. Der Einstellwert des
Ansprechstroms ist höher oder gleich dem
Anlaufstrom, und die Verzögerung wird sehr
kurz eingestellt, da sie lediglich die Schutzeinrichtung unempfindlich gegen die ersten
Spitzen des Einschaltstroms machen soll.
Wenn das verwendete Schaltgerät ein
Schütz ist, wird dieses mit Sicherungen
verbunden, die den Kurzschlussschutz
gewährleisten.
Für grosse Motoren wird ein Hochimpedanzoder Prozent-Differentialschutz verwendet
(Abb. 1).
Durch eine entsprechende Schaltung der
sternpunktseitigen Anschlüsse und die
Verwendung von drei Summenstromwandlern ermöglicht ein einfacher Maximalstromschutz eine empfindliche und stabile
Erfassung interner Fehler (Abb. 2).
Körperschluss
Der Schutz hängt von der Sternpunktbehandlung ab. Zur Begrenzung von Schäden am
magnetischen Kreis ist eine hohe Empfindlichkeit erforderlich.
Ausfall der Erregung
(bei Synchronmotoren). Dieser wird durch
einen verzögerten Blindleistungsrückflussschutz erfasst.
(Abb. 2)
36 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Beispiele für den Motorschutz
I
Thermisches Abbild
Ii >
Unsymmetrie
I>
Maximalstrom
IN >
Von einem Schütz oder Leistungsschalter geschalteter Asynchronmotor
Zusätzlich je nach Art der Last:
c Zu lange dauernder Anlauf und Blockierung
des Rotors
c Anzahl Anläufe
c Minimalstrom
U<
Minimalspannung
Maximaler Erdschlussstrom
M
Asynchronmotor hoher Leistung
I
Thermisches Abbild
Ii >
Unsymmetrie
I>
Maximalstrom
IN >
Maximaler Erdschlussstrom
∆I
Zusätzlich je nach Art der Last:
c Zu lange dauernder Anlauf und Blockierung
des Rotors
c Anzahl Anläufe
c Minimalstrom
U<
Minimalspannung
Differentialschutz
M
Synchronmotor hoher Leistung
Zusätzlich je nach Art der Last:
c Zu lange dauernder Anlauf und Blockierung
des Rotors
c Anzahl Anläufe
c Minimalstrom
I
Thermisches Abbild
Ii >
Unsymmetrie
I>
Maximalstrom
IN >
∆I
U<
Minimalspannung
Maximaler Erdschlussstrom
P <––
Wirkleistungsrückfluss
Differentialschutz
Q <––
Ausfall der Erregung
M
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 37
Motorschutz (Fortsetzung)
Einstellangaben
Fehlerart
Überlast
Phasenunsymmetrie,
-ausfall und -umkehr
Kurzschluss
Statormasse
Zu lange dauernder Anlauf
Blockierung des Rotors
Spannungsabsenkung
Wirkleistungsrückfluss
Ausfall der Erregung
38 Leitfaden über den Schutz
Einstellungen
c Thermisches Abbild.
Die Parameter müssen auf die Betriebs
daten des Motors abgestimmt werden
(Zeitkonstante ungefähr 10').
c Maximalstromrelais
mit Stromunabhängiger Verzögerung.
Einstellung so, dass ein Anlauf möglich ist.
c Maximal-Gegenkomponentenschutz.
Einstellung 0,3 bis 0,4 In, Verzögerung
ungefähr 0,6 s. Im Fall eines Netzes, das mit
praktisch permanenten Unsymmetrien
betrieben werden kann, wird eine stromabhängige Kennlinie verwendet:
Einstellung, die während des Anlaufs ohne
Abschaltung 0,3 In zulässt.
c Sicherung.
Baugrösse > 1,3 In und den Anlauf zulassend.
c Maximalstromschutz mit stromunabhängiger Verzögerung. Ansprechwert ≥ 1,2 I
Anlauf, Verzögerung ungefähr 0,1 s.
c Differentialschutz: Ansprechwert 10% bis
20% von In.
c Über Widerstand geerdeter Sternpunkt.
Man wählt den niedrigsten Ansprechwert,
der mit dem kapazitiven Strom des geschützten Abganges kompatibel ist.
Ansprechwert 10 bis 20% des maximalen
Erdschlussstroms.
Verzögerung ungefähr 0,1 s.
Ansprechwert ungefähr 2,5 In,
Verzögerung 1,1 x Anlaufzeit.
Ansprechwert 0,75 bis 0,8 Un,
Verzögerung ungefähr 1 s.
c Ungefähre Einstellung:
v Ansprechwert 5% von Pn.
v Verzögerung 1 s.
c Ungefähre Einstellung:
v Ansprechwert 30% von Sn.
v Verzögerung 1 s.
Merlin Gerin
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 39
40 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Generatorschutz
Einleitung
Das Betriebsverhalten eines Generators kann
sowohl durch Fehler innerhalb der Maschine
als auch durch Störungen im Netz, an das er
angeschlossen ist, negativ beeinflusst
werden. Eine Generatorschutzeinrichtung hat
deshalb zwei Ziele:
Schutz der Maschine und Schutz des Netzes.
Fehlerarten
Überlast, Unsymmetrie und interner Kurzschluss zwischen Phasen sind Fehler, die
für Generatoren von derselben Art sind wie
für Motoren.
Es gibt jedoch Fehlerarten, die für
Generatoren charakteristisch sind.
Äusserer Kurzschluss zwischen Phasen
Wenn in einem Netz nahe an einem
Generator ein Kurzschluss auftritt, hat der
Fehlerstrom den in der Abb. 1 dargestellten
Verlauf.
Der Maximalwert des Kurzschlussstroms
muss unter Berücksichtigung der subtransienten Impedanz X"d der Maschine
berechnet werden.
Der von einer sehr schwach (mit etwa
100 ms) verzögerten Schutzeinrichtung
feststellbare Stromwert muss unter Berücksichtigung der transienten Impedanz X'd der
Maschine berechnet werden.
Der Wert des Dauerkurzschlussstroms muss
unter Berücksichtigung der synchronen
Impedanz X berechnet werden.
Letzterer Strom ist niedrig und beträgt in der
Regel weniger als der Nennstrom des
Generators. Unter dem Einfluss der
Spannungsregler kann er bisweilen über
dem Nennstrom gehalten werden.
Innerer Körperschluss
Dieser Fehler ist von der gleichen Art wie bei
einem Motor, und seine Folgen hängen von
der angewendeten Sternpunktbehandlung
ab. Eine Besonderheit im Vergleich zum
Motor ist jedoch die Tatsache, dass der
Generator während der Perioden des Anlaufs und des Anhaltens sowie im Versuchsbetrieb und im Reservebetrieb vom Netz
abgeschaltet läuft. Die Sternpunkterdung
kann verschieden sein, je nachdem, ob der
Generator an das Netz geschaltet ist oder
nicht, wobei die Schutzeinrichtungen für
diese beiden Fälle geeignet sein müssen.
Strom
Subtransiente
Ausfall der Erregung
Der Ausfall der Erregung eines vorher an
das Netz geschalteten Generators bewirkt,
dass er nicht mehr netzsynchron läuft
(ausser Tritt fällt). Er läuft asynchron mit
leichter Überdrehzahl und nimmt Blindleistung auf. Die Folgen sind eine Erwärmung des Stators, da der Blindstrom hoch
sein kann, und eine Erwärmung des Rotors,
da dieser nicht für die induzierten Ströme
dimensioniert ist.
Lauf als Motor
Wenn der Generator vom Netz wie ein Motor
angetrieben wird, liefert er mechanische
Energie an die Welle, was einen Verschleiss
und Beschädingungen an der Antriebsmaschine bewirken kann.
Spannungs- und Frequenzschwankungen
Spannungs- und Frequenzschwankungen im
eingeschwungenen Betrieb sind die Folge
eines schlechten Funktionierens der
entsprechenden Regler und haben die
folgenden nachteiligen Auswirkungen:
c Eine zu hohe Frequenz bewirkt eine
abnormale Erwärmung der angetriebenen
Motoren.
c Eine zu niedrige Frequenz bewirkt einen
Leistungsverlust der angetriebenen Motoren.
c Frequenzschwankungen haben Drehzahlschwankungen der angetriebenen Motoren
zur Folge, was zu mechanischen
Beschädigungen führen kann.
c Eine zu hohe Spannung beansprucht die
Isolation aller Betriebsmittel im Netz.
c Eine zu niedrige Spannung bewirkt einen
Drehmomentabfall und eine Erhöhung des
aufgenommenen Stroms und der Erwärmung der angetriebenen Motoren.
Transiente
Dauer-Vorgänge
t
(Abb. 1)
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 41
Generatorschutz (Fortsetzung)
Schutzeinrichtungen
Ansprechwert der Auslösung
Ir
0,3 Ir
U
Un
0,3 Un
[Abb. 2)
Ir = Einstellstrom
I>
(A)
A
I >
(B)
(Abb. 3)
Mit anderen Quellen gekuppelter Generator
42 Leitfaden über den Schutz
Überlast
Die Überlastschutzeinrichtungen des
Generators sind dieselben wie für Motoren,
nämlich:
c Maximalstromschutz mit stromabhängiger
Verzögerung
c Thermisches Abbild
c Temperaturfühler
Unsymmetrie
Der Schutz erfolgt wie bei den Motoren
durch eine vom Strom abhängige oder
unabhängige Erfassung der
Gegenkomponente des Stroms.
Äusserer Kurzschluss zwischen Phasen
Da der Wert des Kurzschlussstroms mit der
Zeit abnimmt und im Dauerzustand ungefähr
dem Nennstrom entspricht oder sogar
darunter liegt, kann eine einfache Erfassung
des Stroms ungenügend sein.
Diese Fehlerart wird mit einem Maximalstromschutz mit spannungsabhängigem (mit
der Spannung zunehmendem) Ansprechwert (Abb. 2) wirksam erfasst.
Das Ansprechen erfolgt verzögert.
Innerer Kurzschluss zwischen Phasen
c Der Hochimpedanz- oder ProzentDifferentialschutz bietet einen empfindlichen
und schnellen Schutz.
c In bestimmten Fällen und insbesondere
bei einem Generator mit im Verhältnis zum
Netz niedriger Leistung kann der Schutz
gegen einen inneren Kurzschlussschutz
zwischen Phasen mit den folgenden
Einrichtungen realisiert werden (Abb. 3):
v Einem unverzögerten Maximalstromschutz
(A), der berücksichtigt wird, wenn der Generator-Leistungsschalter offen ist, dessen
Stromwandler sich auf der Sternpunktseite
befinden und der auf einen Wert unterhalb
des Nennstroms eingestellt wird.
v Einen unverzögerten Maximalstromschutz
(B), dessen Stromwandler sich auf der
Schalterseite befindet und der auf einen
Wert oberhalb des Kurzschlussstroms des
Generators eingestellt wird.
Stator-Körperschluss
c Wenn der Sternpunkt am Sternpunkt des
Generators geerdet ist, wird ein Maximalerdschlussstromschutz oder ein beschränkter
Erdschlussschutz verwendet.
c Wenn der Sternpunkt im Netz geerdet ist
und nicht am Sternpunkt des Generators,
wird ein Körperschluss wie folgt erfasst:
v Mit einem Maximalerdschlussstromschutz
beim Leistungsschalter des Generators,
wenn dieser an das Netz geschaltet ist.
v Durch eine Isolationsüberwachungseinrichtung für nicht geerdeten Nullpunkt, wenn der
Generator nicht an das Netz geschaltet ist.
c Wenn der Sternpunkt nicht geerdet ist,
wird der Körperschlussschutz durch eine
Isolationsüberwachungseinrichtung gewährleistet. Diese Einrichtung arbeitet
entweder nach dem Prinzip der Erfassung
der Restspannung oder durch Einspeisung
eines Gleichstroms zwischen Sternpunkt
und Erde.
Wenn diese Einrichtung auf Netzebene
vorhanden ist, überwacht sie den Generator,
wenn dieser an das Netz geschaltet ist,
während zur Überwachung der Isolation des
vom Netz getrennten Generators eine
eigene Isolationsüberwachungseinrichtung
erforderlich ist, die berücksichtigt wird, wenn
der Generator-Leistungsschalter offen ist.
Rotor-Körperschluss
Wenn der Erregerkreis zugänglich ist, wird
ein Körperschluss mit einer Isolationsüberwachungseinrichtung (Vigilohm) überwacht.
Ausfall der Erregung
Dieser Fehler wird entweder durch Messung
der aufgenommenen Blindleistung oder
durch Überwachung des Erregerkreises,
falls dieser zugänglich ist, durch Impedanzmessung an den Generatorklemmen erfasst.
Lauf als Motor
Dieser wird mit einem Wirkleistungsrückflussrelais festgestellt, das die vom
Generator aufgenommene Wirkleistung
erfasst.
Spannungs- und Frequenzschwankungen
Diese werden einerseits durch einen
Maximal- und Minimalspannungsschutz und
andererseits durch einen Maximal- und
Minimalfrequenzschutz festgestellt. Diese
Schutzeinrichtungen arbeiten verzögert, da
diese Erscheinungen kein sofortiges
Eingreifen erfordern und da den Schutzeinrichtungen des Netzes und den Spannungsund Drehzahlreglern Zeit gelassen werden
muss, um zu reagieren.
Merlin Gerin
Anwendungsbeispiele
Generator niedriger Leistung
G
IN >
Maximaler Erdschlussstrom
I
Thermisches Abbild
Ii >
Maximal-Gegenkomponenten
I
>
U
Maximalstrom mit spannungsabhängigem Ansprechwert
IN >
Maximaler Erdschlussstrom
I
Thermisches Abbild
Ii >
Maximale Gegenkomponente
Generator mittlerer Leistung
G
∆I
Merlin Gerin
Differentialschutz
I
>
U
Maximalstrom mit spannungsabhängigem Ansprechwert
P <––
Wirkleistungsrückfluss
Q <––
Blindleistungsrückfluss
>U>
Maximal- und Minimalspannung
>f>
Maximal- und Minimalfrequenz
Leitfaden über den Schutz 43
Generatorschutz (Fortsetzung)
Anwendungsbeispiele
(Fortsetzung)
Generator mittlerer Leistung
(Sternpunkt im Netz geerdet)
I
G
Thermisches Abbild
Ii >
Maximale Gegenkomponente
I
>
U
Maximalstrom mit spannungsabhängigem Ansprechwert
P <––
Wirkleistungsrückfluss
Q <––
Ausfall der Erregung
>U>
Maximal- und Minimalspannung
>f>
Maximal- und Minimalfrequenz
UN >
Maximale Restspannung
I <––
IN
Stromrichtung
Maximaler Erdschlussstrom
Blockgruppe mittlerer Leistung
Thermisches Abbild
Ii >
G
∆I
44 Leitfaden über den Schutz
Differentialschutz
Maximale Gegenkomponente
I
>
U
Maximalstrom mit spannungsabhängigem Ansprechwert
P <––
Wirkleistungsrückfluss
Q <––
Ausfall der Erregung
UN >
Maximale Restspannung
>U>
Maximal- und Minimalspannung
>f>
Maximal- und Minimalfrequenz
IN >
Maximaler Erdschlussstrom
Merlin Gerin
Einstellangaben
Fehlerart
Überlast
Unsymmetrie
Äusserer Kurzschluss
Innerer Kurzschluss
Körperschluss
Ausfall der Erregung
Lauf als Motor
Spannungsschwankungen
Drehzahlschwankungen
Merlin Gerin
Einstellungen
c Thermisches Abbild.
Muss auf die Nenndaten abgestimmt werden
(Zeitkonstante ungefähr 10').
c Maximale Gegenkomponente.
Auf die Daten abstimmen (bei fehlenden Angaben
Ansprechwert 15% In, stromabhängige
Verzögerung).
c Maximalstrom mit spannungsabhängigem
Ansprechwert.
Ansprechwert 1,2 bis 2 In.
c Hochimpedanz-Differentialschutz.
Ansprechwert ungefähr 10% In.
c Sternpunkt im Netz geerdet:
Maximalerdschlussstromschutz. Ansprechwert
10% bis 20% des maximalen Erdschlussstroms.
Verzögerung: unverzögert oder 0,1 s.
c Sternpunkt am Sternpunkt des Generators
geerdet: Maximalerdschlussstromschutz.
Ansprechwert ungefähr 10% In.
Verzögerung aufgrund der Selektivität.
c Nicht geerdeter Sternpunkt.
Maximalrestspannungsschutz.
Ansprechwert ungefähr 30% Un.
c Blindleistungsrückflussschutz.
Ansprechwert 30% von Sn.
Verzögerung einige Sekunden.
c Wirkleistungsrückflussschutz.
Ansprechwert 1 bis 20% von Pn.
Verzögerung ≥ 1 s.
c Maximal- und Minimalspannungsschutz.
0,8 Un < U < 1,1 Un.
Verzögerung ungefähr 1 s.
c Maximal- und Minimalfrequenzschutz
0,95 fn < f < 1,05 fn.
Verzögerung einige Sekunden.
Leitfaden über den Schutz 45
46 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Kondensatorschutz
Einleitung
Kondensatorbatterien werden zur Kompensation der von den Lasten im Netz aufgenommenen Blindleistung eingesetzt, und
manchmal zum Herstellen von Filtern zur
Reduktion der Oberwellenspannungen.
Ihre Aufgabe besteht somit darin, die
Qualität des Stromnetzes zu verbessern.
Sie können je nach dem Spannungsniveau
und der installierten Leistung in Stern-,
Dreieck- oder Doppelsternschaltung angeordnet werden.
Ein Kondensator besteht aus einem
Gehäuse mit isolierten Anschlussklemmen,
das Einzelkondensatoren enthält, deren
maximal zulässige Spannung begrenzt ist
(zum Beispiel auf 2250 V) und die gruppenweise miteinander verbunden sind, in Serie,
um die notwendige Spannungsfestigkeit zu
erreichen, und parallel, um die gewünschte
Leistung zu erhalten.
Es gibt zwei Arten von Kondensatoren:
c Kondensatoren ohne inneren Schutz.
c Kondensatoren mit innerem Schutz, bei
denen jeder Einzelkondensator mit einer
Sicherung versehen ist.
Fehlerarten
Die wichtigsten Fehler, die eine Kondensatorbatterie in Mitleidenschaft ziehen
können, sind:
c Überlast
c Kurzschluss
c Körperschluss
c Kurzschluss eines Kondensatorelementes
Überlast ist die Folge eines kurzzeitigen
Überstroms oder eines Dauer-Überstroms.
c Ein Dauer-Überstrom kann die folgenden
Ursachen haben:
v Erhöhung der Speisespannung.
v Fliessen eines Oberwellenstroms infolge
von nichtlinearen Lasten wie zum Beispiel
Stromrichter (Gleichrichter, Regelantriebe),
Lichtbogenöfen usw.
c Ein kurzzeitiger Überstrom kann mit dem
Einschalten einer Kondensatorbatteriestufe
verbunden sein.
Überlast wirkt sich als eine für das dielektrische Verhalten schädliche Erwärmung aus
und führt zu einer vorzeitigen Alterung des
Kondensators.
Ein Kurzschluss ist ein innerer oder
äusserer Fehler zwischen aktiven Leitern,
sei es zwischen Phasen oder zwischen
Phase und Neutralleiter, je nachdem, ob die
Kondensatoren in Dreieck oder Stern geschaltet ist. Die Entwicklung von Gasen im
dichten Gehäuse des Kondensators
verursacht einen Überdruck, der eine
Öffnung des Gehäuses und das Entweichen
von Dielektrikum bewirken kann.
Ein Körperschluss ist ein innerer Fehler
zwischen einem aktiven Teil des Kondensators und dem vom (aus Gründen des
Personenschutzes) geerdeten Metallgehäuse gebildeten Körper.
Die Stärke des Fehlerstroms hängt von der
Sternpunktbehandlung im Netz und von der
Art der Schaltung (Stern oder Dreieck) ab.
Wie beim inneren Kurzschluss verursacht
die Entwicklung von Gasen im dichten Gehäuse des Kondensators einen Überdruck,
der eine Öffnung des Gehäuses und das
Entweichen von Dielektrikum bewirken kann.
Ein Kurzschluss eines Kondensatorelementes ist die Folge eines Durchschlags
eines Einzelkondensators.
c Ohne inneren Schutz werden dabei die
parallelgeschalteten Einzelkondensatoren
durch den fehlerhaften Einzelkondensator
überbrückt. Die Folgen sind:
v Die Impedanz des Kondensators ändert
sich.
v Die angelegte Spannung verteilt sich auf
eine Serieschaltung, die aus einer Gruppe
weniger besteht.
v Deshalb wird jede Gruppe einer höheren
Belastung unterworfen, was zu weiteren
Durchschlägen hintereinander bis zum totalen Kurzschluss führen kann (siehe Abb. 1).
c Mit innerem Schutz schaltet das Durchbrennen der damit verbundenen Sicherung
den fehlerhaften Einzelkondensator ab.
v Der Kondensator bleibt gesund.
v Seine Impedanz ändert sich entsprechend.
Gruppe 1
Gruppe 2
V
n-1
V
Gruppe 3
Gruppe n
(Abb. 1)
Merlin Gerin
V
n-1
Leitfaden über den Schutz 47
Kondensatorschutz (Fortsetzung)
Schutzeinrichtungen
48 Leitfaden über den Schutz
Kondensatoren dürfen nur unter Spannung
gesetzt werden, wenn sie entladen sind.
Deshalb muss die Wiedereinschaltung
verzögert werden, um transiente Überspannungen zu verhindern. Eine Verzögerung
von 10 Minuten genügt für eine normale
Entladung. Mit Schnellentladungsdrosseln
kann diese Zeit verkürzt werden.
Überlast
c Lange dauernde Überströme infolge einer
Erhöhung der Speisespannung werden mit
einem Maximalspannungsschutz verhindert,
der die Netzspannung überwacht. Diese
Schutz kann dem Kondensator selbst
zugeordnet werden, meistens handelt es
sich jedoch um einen Gesamt-Netzschutz.
Angesichts der Tatsache, dass ein Kondensator in der Regel eine Spannung von 110%
seiner Nennspannung während 12 Stunden
im Tag aushalten kann, ist dieser Schutz
nicht immer notwendig.
c Lange dauernde Überströme infolge des
Fliessens von Oberwellenströmen werden
von einem Überlastschutz einer der
folgenden Arten erfasst:
v Thermisches Abbild.
v Verzögerter Maximalstromschutz.
Dies unter der Voraussetzung, dass dieser
die Frequenzen der betreffenden Oberwellen berücksichtigt.
c Die Stärke kurzzeitiger Überströme infolge
des Einschaltens von Kondensatorbatteriestufen wird durch die Installation von Stossdrosseln in Serie mit jeder Stufe begrenzt.
Kurzschluss
Ein Kurzschluss wird von einem verzögerten
Maximalstromschutz erfasst. Die gewählten
Strom- und Verzögerungseinstellungen
ermöglichen einen Betrieb mit dem maximal
zulässigen Laststrom und die Durchführung
von Ein- und Stufenschaltungen.
Körperschluss
Der Schutz hängt von der
Sternpunktbehandlung ab. Wenn der
Sternpunkt geerdet ist, wird ein verzögerter
Maximalerdstromschutz verwendet.
Kurzschluss eines Kondensatorelementes
Die Erfassung beruht auf der bewirkten
Impedanzänderung
c durch den Kurzschluss des Elements bei
einem Kondensator ohne inneren Schutz,
c durch die Abschaltung des fehlerhaften
Einzelkondensators bei einem Kondensator
mit internen Sicherungen.
Wenn die Kondensatorbatterie in Doppelsternschaltung ausgeführt ist, bewirkt die
Schieflast infolge der Impedanzänderung in
einer der Sternschaltungen das Fliessen
eines Stroms in der Verbindung zwischen
den Sternpunkten. Diese Unsymmetrie wird
von einem empfindlichen Maximalstromschutz erfasst.
Merlin Gerin
Beispiele von Kondensatorbatterieschutzeinrichtungen
Blindleistungskompensationskondensator in Doppelsternschaltung
I>
Maximalstrom
IN
Maximalerdschlussstrom
U>
I>
Maximalspannung
Maximalstrom
Filter
Merlin Gerin
I
Thermisches Abbild
I>
Maximalstrom
IN >
Maximalerdschlussstrom
Leitfaden über den Schutz 49
Kondensatorschutz (Fortsetzung)
Einstellangaben
Fehlerart
Überlast
Kurzschluss
Körperschluss
Kurzschluss eines
Kondensatorelementes
50 Leitfaden über den Schutz
Einstellungen
c Maximalspannung.
Einstellung ≤ 110% Vn.
c Thermisches Abbild,
Einstellung ≤ 1,3 In
oder Maximalstrom,
Einstellung ≤ 1,3 In.
Stromabhängige Verzögerung oder
stromunabhängige Verzögerung 10 s.
c Maximalstrom.
Ansprechwert ungefähr 10 In.
Stromunabhängige Verzögerung,
Verzögerung ungefähr 0,1 s.
c Maximalerdschlussstrom.
Ansprechwert ≤ 20% des maximalen Erdschlussstroms und ≥ 10% der Baugrösse der Stromwandler bei Speisung durch 3 Stromwandler.
Stromunabhängige Verzögerung,
Verzögerung ungefähr 0,1 s.
c Maximalstrom.
Ansprechwert < 1 Ampere.
Stromunabhängige Verzögerung,
Verzögerung ungefähr 1 s.
Merlin Gerin
Merlin Gerin
Leitfaden über den Schutz 51
52 Leitfaden über den Schutz
Merlin Gerin
Wandler
Einleitung
Die Schutz- oder Messeinrichtungen
müssen Informationen über die elektrischen
Grössen der zu schützenden Betriebsmittel
erhalten.
Aus technischen, wirtschaftlichen und
Sicherheits-Gründen kann man diese
Informationen nicht direkt von den Hochspannungsanschlüssen der Betriebsmittel
erhalten. Es müssen geeignete Einrichtungen dazwischengeschaltet werden, wie:
c Spannungswandler
c Stromwandler
c Ringkernwandler zum Messen von
Erdschlussströmen
Diese Einrichtungen erfüllen die folgenden
Aufgaben:
c Reduktion der Messgrösse (z.B. 1500/5 A),
c Galvanische Trennung,
c Lieferung der Energie, die für die Datenverarbeitung oder sogar den Betrieb der
Schutzeinrichtung benötigt wird.
Stromwandler
Die Kenndaten der Stromwandler (gemäss
den Normen IEC 185 und NF C 42-502)*
sind folgende:
Stromwandlerspannung
Dies ist die Spannung, welcher die Primärwicklung des Stromwandlers unterworfen
wird.
Es sei daran erinnert, dass die Primärwicklung an Mittelspannungspotential liegt
und dass eine Klemme der Sekundärwicklung in den weitaus meisten Fällen
geerdet ist.
Wie für alle Betriebsmittel sind ferner die
folgenden Prüfspannungen festgelegt:
c eine industriefrequente Stehwechselspannung während 1 Minute,
c eine Stehstossspannung.
Genauigkeitsleistung
Dies ist die Sekundärleistung bei Nennstrom, für welche die Genauigkeit garantiert
wird. Sie wird in VA ausgedrückt und gibt die
Leistung an, welche die Sekundärwicklung
bei Nennstrom unter Einhaltung der Nenngenauigkeit liefern kann.
Sie stellt die gesamte aufgenommene
Leistung des Sekundärkreises dar, d.h. die
Leistungsaufnahme aller angeschlossenen
Geräte sowie der Verbindungen.
Wenn ein Stromwandler mit einer Leistung
unterhalb seiner Genauigkeitsleistung
belastet wird, ist seine effektive Genauigkeit
höher als seine Nenngenauigkeit, während
umgekehrt ein zu stark belasteter Stromwandler an Genauigkeit verliert.
P1
I1
I2
S1
S2
P2
Beispiel: Bei einer Nennspannung von 24 kV
muss der Stromwandler eine Spannung von
50 kV/50 Hz während 1 min und eine
Stossspannung mit einem Scheitelwert von
125 kV aushalten.
Le rapport nominal de transformation
Il est donné sous la forme du rapport
des courants primaires et secondaires I1/I2.
Le courant secondaire est généralement
5 A ou 1 A.
Nennübersetzung
Dieses ist das Verhältnis zwischen dem
Primär- und dem Sekundärstrom I1/I2. Der
Nenn-Sekundärstrom beträgt in der Regel
5 A oder 1 A.
Genauigkeit
Diese wird durch den zusammengesetzten
Fehler beim Genauigkeitsgrenzstrom
festgelegt.
Beispiel: 5P10 bedeutet 5% Fehler bei 10 In
und 10P15 bedeutet 10% Fehler bei 15 In.
5P und 10P sind die normierten Genauigkeitsklassen.
5 In, 10 In, 15 In und 20 In sind die
normierten Genauigkeitsgrenzströme.
Genauigkeitsgrenzfaktor
Dieser Faktor ist das Verhältnis zwischen
dem Genauigkeitsgrenzstrom und dem
Nennstrom.
Die Klasse X entspricht einer anderen Art
und Weise der Angabe der Eigenschaften
eines Stromwandlers aufgrund seiner
«Kniespannung» (siehe Abb. 1 im Abschnitt
«Verhalten eines Stromwandlers im
gesättigten Zustand»).
Merlin Gerin
Zulässiger Kurzzeitstrom
Dieser in kA effektiv ausgedrückte, während
maximal 1 Sekunde (bei kurzgeschlossener
Sekundärwicklung) zulässige Strom (Ith)
repräsentiert das thermische Verhalten des
Stromwandlers bei Überströmen. Der
Stromwandler muss den Kurzschlussstrom
während der Zeit aushalten können, die für
dessen Abschaltung erforderlich ist. Wenn
die Abschaltzeit t von 1 s abweicht, ist der
Strom, den der Stromwandler aushalten
kann, gleich Ith/Vt.
Das in kA Scheitelwert ausgedrückte
elektrodynamische Verhalten ist mindestens
gleich 2,5 x Ith.
Normierte Werte der Nennströme:
c Primärseitig (in A)
10 - 12,5 - 15 - 20 - 25 - 30 - 40 - 50 - 60 75 und deren Vielfache und dezimalen
Subvielfache.
* Ebenfalls zu berücksichtigen sind die mit der Art der
Montage, den Bedingungen am Standort (z.B. Temperatur
usw.), der Netzfrequenz usw. verbundenen Faktoren.
Leitfaden über den Schutz 53
Wandler (Fortsetzung)
Wenn ein Stromwandler einem sehr hohen
Primärstrom ausgesetzt wird, wird er
gesättigt. Dies bedeutet, dass der Sekundärstrom nicht mehr proportional zum Primärstrom ist.
Effektiv wird der dem Magnetisierungsstrom
entsprechende Stromfehler sehr hoch.
Verhalten eines Stromwandlers im gesättigten
Zustand
P1
S1
I
m
V
Kniespannung (Abb. 1)
Diese entspricht dem Punkt der Magnetisierungskurve eines Stromwandlers, bei
dem eine Erhöhung der Spannung V um
10% eine Erhöhung des Magnetisierungsstroms Im um 50% erfordert.
S2
P2
V
+10%
Kniespannung
(Abb. 1)
+50%
Im
Schlussfolgerung für
Stromwandler, die eine
Schutzeinrichtung vom
Maximalstrom-Typ speisen
Für Maximalstromschutzeinrichtungen mit
stromunabhängiger (konstanter) Verzögerung ist, wenn die Sättigung beim
2fachen Wert des Einstellstroms nicht
erreicht wird, das richtige Funktionieren
unabhängig vom Fehlerstrom sichergestellt.
Für Maximalstromschutzeinrichtungen mit
stromabhängiger (inverser) Verzögerung
darf die Sättigung für Stromwerte, die dem
nutzbaren Teil der Kennlinie (maximal dem
20fachen Wert des Einstellstroms) entsprechen, nicht erreicht werden.
Spezielle “Breitband”Wandler
Diese Wandler, die zumeist ohne magnetischen Kreis ausgeführt sind, bieten den
Vorteil, keiner Sättigung unterworfen zu
sein. Verbunden mit einer elektronischen
Einrichtung haben sie eine lineare
Kennlinie.
Diese Wandler werden für digitale Schutzeinrichtungen verwendet und geliefert. Für
deren Auswahl genügt die Kenntnis des
Nenn-Primärstroms.
54 Leitfaden über den Schutz
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Wandler für den
Erdschlussschutz
Der Erdschlussstrom kann auf verschiedene
Weise erfasst werden.
Schaltung eines Stromwandlers an den
Sternpunkt:
I >
N
Summierschaltung mit 3 Stromwandlern
(Abb. 3)
Diese Schaltung wird nur verwendet, wenn
es unmöglich ist, einen Ringkernwandler zu
verwenden.
Infolge des Summierungsfehlers der Stromwandler beträgt der minimale Ansprechwert
des Reststroms ungefähr 10% von In.
N
Erdschlussschutz
(Abb. 3)
(Abb. 1)
Differentialmessung mit einem
Ringkernwandler:
I1
N
I2
I3
I >
N
(Abb. 2)
Wandler für den
Differentialschutz
Die Stromwandler müssen in Funktion des
Funktionsprinzips des Schutzes spezifiziert
werden, wobei die technische Beschreibung
des betreffenden Schutzes zu beachten ist.
Schutzbereich
P1 P2
P2 P1
Differentialschutz
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Leitfaden über den Schutz 55
Wandler (Fortsetzung)
Spannungswandler
Die Kenndaten der Spannungswandler
(gemäss den Normen IEC 186 und
NF C 42-501) (1) sind folgende:
c Netzfrequenz
Im allgemeinen 50 oder 60 Hz.
c Höchste Netzspannung
(Die Sekundärspannung ist normiert:
100, 100/V3, 110, 110/V3 Volt)
c Bemessungsspannungsfaktor
c Leistung in VA und Genauigkeitsklasse
Schaltung mit 2 Spannungswandlern
(sog. V-Schaltung) (erfordert 2 isolierte
Hochspannungsklemmen pro Wandler)
Schaltung mit 3 Spannungswandlern
(erfordert 1 isolierte Hochspannungsklemme pro Wandler)
Übersetzungsverhältnis:
Un
100
Bei nicht geerdetem Sternpunkt müssen alle
Phasen-Sternpunkt-Spannungswandler
genügend belastet werden, um die Gefahr
einer Ferroresonanz zu verhindern.
Übersetzungsverhältnis:
Un/e
100/e
56 Leitfaden über den Schutz
(1) Ebenfalls zu berücksichtigen sind die mit der Art der
Montage, den Bedingungen am Standort (z.B. Temperatur
usw.) usw. verbundenen Faktoren.
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Notizen
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Notizen
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