Schutztechnik in Elektroenergiesystemen

Schutzeinrichtungen haben die Aufgabe, Auswirkungen der — leider unvermeidlichen — Störungen in elektrischen Energiesystemen auf ein Minimum zu beschränken. Unter Energiesystemen versteht man dabei die Einrichtungen für die elektrische Energieerzeugung, deren Transport und deren Verteilung, d.h. die Generatoren, Transformatoren, Leitungen, Sammelschienen, Schalter, Wandler etc.. Die Störungen können dabei durch äußere (z.B. Blitzschläge) oder innere Einwirkung (z.B. Überlastung) verursacht werden. Die Schutztechnik ist daher ein äusserst wichtiger Teil der Sekundärtechnik elektrischer Anlagen und für den sicheren Betrieb elektrischer Energiesysteme von entscheidender Bedeutung.

Kurzschlüsse zählen wegen der hohen dynamischen und thermischen Beanspruchungen von Anlagen und Betriebsmittel durch hohe Kurzschlußströme zu den gefährlichsten Fehlerarten in elektrischen Netzen. Als Beispiel sind in Tabelle 2.1 Nennströme und Kurzschlußströme von Synchrongeneratoren bei dreipoligen Kurzschlüssen direkt an den Generatorklemmen angegeben. Kurzschlußströme über dem 10-fachen Nennstrom sind nicht selten. Ähnliche Verhältnisse entstehen in starken Netzknoten.

Als Überstrom wird das überschreiten des dauernd zulässigen Belastungsstromes eines elektrischen Betriebsmittels verstanden. Solche Überströme sind kennzeichnend für das Auftreten von Kurz- und Erdkurzschlüssen, können aber auch im Betrieb vorkommen, z.B. beim Einschalten von Transformatoren, Asynchronmotoren usw. Das Überstrom- kriterium kann daher zur Erfassung von Kurzschlüssen und Erdkurzschlüssen benützt werden, wenn die genannten betrieblichen überströme entweder nicht auftreten oder durch geeignete Beeinflussung des Relais (wie z.B. durch Verzögerung, Blockierung durch Oberwellen, Einstellung des Ansprechwertes usw.) nicht zur Auslösung führen.

Stromwandler transformieren die Primärströme (bis einige tausend A) in Sekundärströme, die für eine weitere Verarbeitung in Meß- und Schutzkreisen geeignet sind und typisch 1 oder 5 A (Nennstrom) betragen. In Hochspannungsanlagen liegen die Primärströme auf Hochspannungspotential und der Stromwandler übernimmt dabei gleichzeitig die Potentialtrennung. Als konventionelle Stromwandler werden solche mit geschlossenem Eisenkern bezeichnet.

Die ersten Schutzeinrichtungen nach den Sicherungen waren elektromechanische Relais für den Kurzschlußschutz. Mit der Weiterentwicklung dieser Relais wurden auch andere Fehlerarten erfasst [5.1]. Die Einführung der Drehspultechnik mit Gleichrichterbrücken um 1950 [5.2] [5.3] haben die Kommandozeiten verkürzt und den Leistungsbedarf verringert.

Im Kapitel 3 wurden die wichtigsten Fehlererfassungskriterien beschrieben, ohne auf die technische Ausführung der Schutzeinrichtungen einzugehen, da abhängig von der Art der meßtechnischen Fehlererfassung, d.h. analoge oder digitale Meßwerterfassung die Schutzeinrichtungen ganz verschieden ausgeführt werden und deshalb separat behandelt werden müssen. Dieses Kapitel ist den häufigst angewandten analogen Schutzeinrichtungen gewidmet. Schutzeinrichtungen, die auf selten ausgenutzten Fehlererfassungskriterien beruhen bzw. nur für bestimmte Betriebsmittel eingesetzt werden, werden in den Kapiteln 7 und 8 behandelt.

Die Art und der Umfang der Schutzeinrichtungen von Kabel- und Freileitungen ist hauptsächlich von der Wichtigkeit der zu schützenden Leitung und der Sternpunktbehandlung des betreffenden Netzes abhängig. Gemäß der möglichen Fehlerarten unterscheidet man zwischen Kurzschluß-, Erdkurzschluß-, Erdschluß- und Überlastschutz. Tabelle 7.1 faßt die zur Behebung von Kurz- und Erdkurzschlüssen angewandten Schutzeinrichtungen zusammen, wogegen im Abschnitt 7.1.4.1 eine Zusammenstellung von Schutzanordnungen zur Erfassung von Erdschlüssen in isolierten und erdschlußkompensierten Netzen gegeben wurde. Der Überlastschutz wird meistens nur für kurze, stark belastete Leitungen angewendet. Da er weitgehend dem Überlastschutz anderer Schutzobjekte entspricht, wird hier auf dessen Beschreibung verzichtet.

Der Selektivschutz von elektrischen Maschinen wird im Rahmen dieses Kapitels auf die folgenden Betriebsmittel beschränkt

Digitale Rechner, zuerst in elektrische Netzen für off-line Berechnungen, Statistiken usw., anschließend für Planung und Vorhersagen verwendet, wurden bald in Lastverteilern für on-line Berechnungen eingesetzt. Dabei wurden zunehmend zeitkritische und sicherheitsrelevante Steuerungen und Regelungen durch den Rechner abgearbeitet. Dadurch wurde die Zuverlässigkeit industrieller Digitaltechnik auch in dieser Umgebung bewiesen. Seit dem Erscheinen der Mikroprozessoren löst man immer kleinere und dezentralisiertere Aufgaben und die Einführung in die Schutz- und Steuertechnik elektrischer Netze war dadurch naheliegend. Damit stehen auch auf dem Niveau “Abzweig” Geräte mit großer Speicher- und Rechenkapazität zur Verfügung, die es erlauben zusätzliche und neue Kriterien zu verarbeiten. Die leichte Kommunikationsmöglichkeit mit anderen Rechen- und Speichereinheiten ermöglicht den Bezug von Daten aus anderen Hierarchieebenen oder von gespeicherten Daten. Dabei wird ein Teil der Konfiguration von der Hardwareebene in die Softwareebene verlegt, wodurch Anpassungen, Erweiterungen usw. als “Parametrisierung” möglich werden.

Eine typische Reihenfolge in der Umformung von analogen Meßgrößen zeigt Bild 10.1. Am Eingang der Umformungseinrichtung werden kontinuierliche Signale angelegt, größtenteils sind es sinusförmige Strom- und Spannungsverläufe, erhalten aus den Sekundärkreisen der Meßwandler. Man muß jedoch berücksichtigen, daß u.U. diese Meßgrößen außer der Grundschwingung auch überlagerte Störsignale in Form von hochfrequenten bzw. subharmonischen Schwingungen, Gleichstromgliedern und Oberwellen beinhalten können.

Ziel der Signalaufbereitung ist die Bereitstellung von Informationen in solch einer Form, die für die nachfolgenden Anwendungsalgorithmen nutzbar sind. Im Leit — und Steuerprozess von elektrischen Schaltanlagen führt es vor allem zur Digitalfilterung, seltener zur Korrelation oder zur Bestimmung von symmetrischen Komponenten.

Es gibt zwei typische Grundstrukturen von Schutzalgorithmen, sie wurden in Bild 12.1 dargestellt. Die erste (Bild 12.1.a) beruht darauf, daß der Wert der Eingangssignale bzw. ihre gegenseitigen Beziehungen (z.B. die Amplituden, Frequenzen, Wirk- oder Blindleistungen) numerisch bestimmt werden. Anschließend werden diese Werte als Kriterien ausgenutzt, z.B. durch die Feststellung, ob der Amplitudenwert größer als der festgelegte Grenzwert (Ansprechwert) ist bzw. die Amplitude eines Signals die Amplitude eines anderen Signals überschreitet oder auch, ob die durch die Ansprechkennlinie eines Impedanzrelais gegebenen Auslösebedingungen erfüllt sind. Im weiteren Teil dieser Struktur werden alle logischen Funktionen und Beziehungen der Schutzeinrichtung durch die Überprüfung der vorher erfassten Signalwerte realisiert. Diese Ausführungsart unterscheidet sich von der analogen Realisierung dadurch, daß die Messung und Ermittlung der Signalwerte zahlenmäßig erfolgt, was in analogen Schutzrelais in der Regel nicht der Fall ist.

Zu den besonderen Vorteilen digitaler programmierbarer Schutzeinrichtungen gehört die Leichtheit der Überprüfung von logischen Bedingungen. Dank der Anwendung einer großen Anzahl von Informationen und logischer Überprüfungskriterien, kann der Bereich gegenseitiger Verbindungen zwischen dem Schutzobjekt und der Schutzeinrichtung erweitert werden, was eine Beschleunigung und Erhöhung der Genauigkeit in der Fehlererkennung und Fehlerortung, wie auch die Aufgabenerweiterung des Schutzes zur Folge hat.