SIPROTEC Schutztechnik

SIPROTEC
Schutztechnik
Basis für höchste Versorgungssicherheit –
Grundlagen
Frei verwendbar © Siemens AG 2016
www.siemens.de/schutztechnik
Ziele dieser Broschüre
 Ziel
• Nachfolgende Beispiele geben einen Überblick über die Anforderungen
an Schutzgeräte in Mittelspannungsnetzen mit Lösungshinweisen.
 Hinweise zur Nutzung dieser Broschüre
• Wählen Sie zunächst ein Thema in der Fußleiste aus.
• Die Ausgangssituation wird im oberen Teil dargestellt.
• Im unteren Bereich werden die verschiedenen Lösungsmöglichkeiten
aufgezeigt.
• Gegebenenfalls wird auf weitere Seiten referenziert.
Mit dieser Unterlage stellen wir Ihnen Lösungshinweise aus der
Schutztechnik zur erfolgreichen Anwendung zur Verfügung.
Seite 2
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Das Schutzsystem
Bei der Auslegung des Schutzes für das jeweilige Schutzobjekt ist nicht alleine das
Schutzgerät zu betrachten, sondern das gesamte Schutzsystem.
Insbesondere die Stromwandler müssen so ausgelegt werden, dass dem Schutzgerät
auch für den maximalen Kurzschlussstrom ausreichend lange hinreichend genaue
Sekundärströme zugeführt werden, um den Fehler korrekt zu klären.
Leistungsschalter*
Wandler
Zuleitungen*
DISTANZSCHUTZ
Batterie*
Schutzgerät
* Auf diese Komponenten
wird in dieser Broschüre
nicht näher eingegangen.
Das System ist so stark wie das schwächste Glied!
Seite 3
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Prozessbustechnologie
Anschluss der Wandler
über Prozessbus
Protection
device
Zuleitungen
Konventioneller Anschluss
der Wandler
Merging
Unit
Ethernet
Protection
Protection
device
device
Vorteile
 Kosteneinsparung (Verkabelung/Kupferverdrahtung, Installation, Betrieb und Wartung)
 Interoperabilität, basierend auf IEC 61850
 Erweiterte Funktionen
(z.B. leichte Verteilung von Signalen und Messwerten in der Anlage – auch an mehrere Geräte)
 Erhöhte Betriebssicherheit (z.B. Handhabung von Strom- und Spannungswandlern)
Seite 4
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Redundanz
Schutzsysteme werden in der Regel so ausgelegt, dass das Versagen einer Komponente
„verschmerzt“ werden kann („n-1-Prinzip“).
Je nach dem Grad der Redundanz werden Abstriche in Auslösezeit und/oder Selektivität in
Kauf genommen.
Beispiel 1:
Schutz-Staffelung
Beispiel 2:
Differentialschutz mit UMZ-Reserveschutz
Falls UMZ 2 versagt,
löst UMZ 1 verzögert aus.
Geringere Selektivität,
da Station 1 abgeschaltet wird.
UMZ 1
UMZ
UMZ
Station 1
UMZ 2
Diff
Diff
Kommunikationsverbindung
Station 2
UMZ 3
Falls der Differentialschutz versagt,
löst der UMZ-Schutz verzögert aus.
Station 3
UMZ 4
Station 4
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Seite 5
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Stromwandler
Die Stromwandler müssen so ausgelegt werden, dass sie den maximalen Kurzschlussstrom für eine bestimmte Zeit sättigungsfrei übertragen können, während der Schutz
den Fehler korrekt bewertet. Eine exakte Kalkulation dieser sättigungsfreien Zeit ist nur
durch dynamische Simulation (z. B. mit CTDim) möglich, ersatzweise kann aber auch die
erforderliche Betriebsüberstromziffer des Wandlers bestimmt werden.
Stromwandlerauslegung:
Stromwandlerbezeichnung:
5 P 10; 15 VA
'
K ssc  K ssc 
Wandlernennleistung
Nennüberstromfaktor
Kernart: P = Schutz
M = Messung
Maximaler Fehler in %
bei KSSC x IN
R ct  Rb
R ct  RLtg  Rrelais
K‘SSC = Betriebsüberstromziffer
KSSC = Nennüberstromziffer
Rct
= Wandler-Innenbürde
Rb
= Wandler-Nennleistung
RLtg
= Zuleitungsbürde
Rrelais = Relaisbürde
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Seite 6
Motorschutz
Sternpunktbehandlung
Mittelspannungsnetze werden in Deutschland vorwiegend kompensiert betrieben, d. h. dass die
Sternpunkte des Dreiphasensystems über eine Löschspule (Petersenspule) geerdet werden.
Hierdurch wird der einpolige Fehlerstrom (Erdschlussstrom) weitestgehend durch den um 180° phasenverschobenen induktiven Strom kompensiert, so dass die meisten Erdschlüsse schnell von selbst
erlöschen (Freileitungsnetz). Selbst bei stehenden Erdschlüssen (Kabelnetz) kann bei einpoligen Fehlern
der Betrieb zunächst weiter laufen. Gleichzeitig muss der Erdschluss jedoch geortet werden, da die
Spannungserhöhung der erdschlussfremden Phasen die Gefahr von Doppelerdschlüssen nach sich zieht,
die dann schnellstmöglich abgeschaltet werden müssen.
Die Größe eines kompensierten Netzes ist durch den zulässigen ungelöschten Erdstrom ICE begrenzt:
bei 6 kV bis 30 kV auf ICE < 600 A, bei 110 kV auf ICE < 1500 A.
Netze geringerer Ausdehnung (z. B. Netze von Industriebetrieben) können sogar isoliert betrieben werden,
sofern der kapazitive Erdstrom (Belag der Kabel/Leitungen) des Netzes 50 A nicht übersteigt.
Auch in diesem Fall kann – wie beim kompensierten Netz – bei Erdschlüssen der Betrieb zunächst weiter
laufen.
In (niederohmig) geerdeten Netzen hingegen treten bei einpoligen Fehler (Erdkurzschluss) kurzschlussartige Fehlerströme auf, die schnellstmöglich abgeschaltet werden müssen. Dies schont die Betriebsmittel,
führt aber unter Umständen dazu, dass Verbraucher unvermittelt abgeschaltet werden.
Seite 7
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Sternpunktbehandlung
„niederohmig geerdetes Netz“
Widerstandsgeerdetes Netz:
L1
~
L2
L3
IK
R
Im niederohmig geerdeten Netz fließen bei Erdfehlern kurzschlussartige Fehlerströme, die durch den
Sternpunktwiderstand begrenzt sind und gemäß Netzstaffelplan abgeschaltet werden.
Durch das unmittelbare Abschalten des Erdfehlers können Verbraucher abgeschaltet werden.
Betriebsmittel werden durch die schnelle Fehlerbeseitigung jedoch geschont.
Seite 8
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Sternpunktbehandlung
„isoliertes Netz“
Isoliertes Netz:
L1
~
L2
L3
ICE
C1
C2
C3
Der Erdstrom ICE (kapazitiver Belag des Netzes) fließt über die Fehlerstelle zum Sternpunkt zurück.
Aus der Phasenlage dieses Stroms zur gleichfalls auftretenden Verlagerungsspannung lässt sich die
Richtung bestimmen, in der der Erdschluss – bzgl. des Einbauorts der Wandler – liegt.
Je nach Ausdehnung des Netzes und dem dazu proportionalen kapazitiven Belag kann der Erdstrom
ICE via Holmgreen-Schaltung oder aber mittels Kabelumbauwandler erfasst werden.
Bei zu großer Ausdehnung des Netzes (ICE > 50 A) darf der Sternpunkt nicht mehr isoliert betrieben
werden, da sonst der auftretende Lichtbogen nicht mehr erlischt.
Seite 9
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Erdfehlererfassung
„isoliertes Netz“
Erdfehler = Erdschluss, kein Kurzschluss
Betrieb geht zunächst weiter
Erdschluss muss gemeldet und schnellstmöglich
beseitigt werden
Sternpunktbehandlung:
nicht geerdet -> isoliertes Netz
Strahlennetz:
Vermaschtes Netz:
vorwärts
rückwärts
Energierichtung
Erdschlussrichtungsfunktion, sin φ Methode
Erdschlusswischerfunktion
Richtungsbestimmung
aus Phasenlage zwischen Blindstrom (kapazitiv)
und Verlagerungsspannung
Stromwandleranschluss:
• Kabelumbauwandler oder Holmgreen-Schaltung
(abhängig von der Höhe des kapazitiven Stroms)
• empfindlicher Erdstromeingang am Schutzgerät
Richtungsbestimmung aus der Wirkenergie des
Nullsystems (E0wirk) nach Fehlereintritt
• negative Wirkenergie: Fehlerrichtung vorwärts
• positive Wirkenergie: Fehlerrichtung rückwärts
Stromwandleranschluss: Holmgreen-Schaltung
Erdschluss liegt auf der Leitung, an deren Enden beide
E-Wischerfunktionen „vorwärts“ anzeigen.
Seite 10
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Sternpunktbehandlung
„gelöschtes Netz“
Gelöschtes Netz:
L1
~
L2
L3
R
L
IL
Iee=ΣI~0
ICE
C1
C2
C3
Der Erdstrom ICE (kapazitiver Belag des Netzes) fließt über die Fehlerstelle zum Sternpunkt zurück und
wird durch den induktiven Kompensationsstrom IL der Petersenspule (nahezu) kompensiert. Somit fließt
an der Erdschlussstelle lediglich der verbleibende Erdstrom Iee, der nur durch einen Kabelumbauwandler
verlässlich zu messen ist. Aus der Phasenlage des Wirkanteils dieses Erdstroms Iee zur gleichfalls
auftretenden Verlagerungsspannung lässt sich die Erdschlussrichtung bestimmen.
Die um 3 erhöhten Leiter-Erde-Spannungen der fehlerfreien Phasen belasten die Isolation des Kabels
und führen über kurz oder lang zu einem Doppelerdschluss (Kurzschlussstrom!). Sollte die Zeit bis zur
Ausweitung auf einen Doppelerdschluss zu kurz sein, um den einpoligen Erdschluss zu orten, deutet
dies auf marode Kabel hin. In diesem Fall sollte überlegt werden, den Sternpunkt des Netzes über einen
Widerstand zu erden.
Seite 11
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Erdfehlererfassung
„gelöschtes Netz“
Sternpunktbehandlung:
über Petersenspule geerdet
-> kompensiertes oder
gelöschtes Netz
L
Strahlennetz:
Erdfehler = Erdschluss, kein Kurzschluss
Betrieb geht zunächst weiter
Erdschluss muss gemeldet und schnellstmöglich
beseitigt werden
Vermaschtes Netz:
vorwärts
rückwärts
Energierichtung
Erdschlussrichtungsfunktion,
cos φ Methode (wattmetrisch)
Richtungsbestimmung aus Phasenlage zwischen
Wirkstrom und Verlagerungsspannung
Stromwandleranschluss:
• Kabelumbauwandler
• empfindlicher Erdstromeingang am Schutzgerät
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Erdschlusswischerfunktion
Richtungsbestimmung aus der Wirkenergie des
Nullsystems (E0wirk) nach Fehlereintritt
• negative Wirkenergie: Fehlerrichtung vorwärts
• positive Wirkenergie: Fehlerrichtung rückwärts
Stromwandleranschluss: Holmgreen-Schaltung
Erdschluss liegt auf der Leitung, an deren Enden
beide E-Wischerfunktionen „vorwärts“ anzeigen.
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Seite 12
Motorschutz
Strahlennetz
Radialnetze verteilen die Energie von den Einspeisepunkten aus hin zu den Verbrauchern. Allerdings
werden bei einer Schutzauslösung alle unterlagerten Verbraucher abgeschaltet. Diese können nach
Umschaltungen (Einlegen von Notverbindungen) von anderer Seite wieder versorgt werden.
Ein Strahlennetz ist aufgrund der einseitigen Speisung und unvermaschten Topologie einfach zu
schützen, dennoch bieten sich auch hier unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten an:
 Meist ist eine Staffelung ungerichteter UMZ-Relais ausreichend. Zudem bietet es sich bei dieser Netzstruktur an, die Sammelschienen der Stationen mittels rückwärtiger Verriegelung zu schützen. Nachteil
dieser Lösung ist der Anstieg der Abschaltzeiten in Richtung Einspeisung hin, dem Ort mit der höchsten
Kurzschlussleistung. Durch die zunehmende Staffelzeit wird auch die Anzahl der unterlagerten Stationen
begrenzt. Die vorgelagerten UMZ-Relais stellen zugleich den Reserveschutz für unterlagerte Geräte dar.
 Ein alternatives Schutzkonzept mit kürzesten Abschaltzeiten bieten Differentialschutzgeräte.
Leitungsdifferentialschutzrelais schützen die Verbindungen zwischen den Stationen in Schnellzeit.
Der Schutz der Sammelschienen selbst bedarf zusätzlicher Überlegung (vgl. SS-Schutz). Auch das
Reserveschutzkonzept muss gesondert betrachtet werden. Keinesfalls sollte die in den Differentialschutzgeräten integrierte UMZ-Reserveschutzfunktion für den gleichen Netzabschnitt verwendet werden,
da hierbei keine Hardware-Redundanz gewährleistet wäre.
 Selbstverständlich lässt sich ein Radialnetz auch mittels Distanzschutzgeräten schützen, sofern
der Abstand zwischen benachbarten Stationen eine korrekte Staffelung der Distanzzonen erlaubt.
Hiermit würden Fehler weitestgehend in Schnellzeit abgeschaltet werden können. Für den Schutz
der Sammelschienen bietet sich auch hier das Prinzip der rückwärtigen Verriegelung an. Durch das
Überstaffeln unterlagerter Netzabschnitte ist auch der Reserveschutz bereits implizit enthalten.
Allerdings erfordern Distanzschutzgeräte Spannungswandler (zumindest an den Sammelschienen).
Seite 13
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Strahlennetz
Beispiel: Industrienetz geringer räumlicher Ausdehnung
Einspeisung 1
Es wurden lediglich die
bzgl. der Topologie
bedeutenden Schutzrelais
eingezeichnet.
Einspeisung 2
I>
I>
I>
Notverbindung
I>
M
M
M
ΔI
ΔI
M
M
M
M
M
ΔI
M
M
I>
M
M
M
M
M
M
ΔI
Notverbindung
ΔI
I>
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
Notverbindung
ΔI
I>
I>
M
M
M
M
SS-Schutz durch rückwärtige Verriegelung
via zusätzlichem UMZ oder integriertem
Reserve-UMZ (bei ΔI)
M
M
M
M
Seite 14
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Ringnetz
Ringnetze finden vor allem in Industriebetrieben Anwendung, da sie alle Stationen permanent von
zwei Seiten mit elektrischer Energie versorgen. Somit können Fehler auf Verbindungskabeln selektiv
herausgeschaltet werden, ohne Verbraucher abzuschalten.
Die zwei- oder mehrseitige Speisung stellt höhere Anforderungen an das Schutzkonzept, da der Fehlerstrom in beide Richtung fließen kann, d. h. ungerichtete UMZ-Relais sind als Hauptschutz ungeeignet.
 Meist werden Ringnetze mittels Differentialschutzrelais geschützt. Somit werden Fehler auf den
Verbindungsleitungen zwischen den Stationen in Schnellzeit abgeschaltet. Die in diesen Relais
enthaltene ungerichtete UMZ-Funktion kann für ein Reserveschutzkonzept Verwendung finden,
scheidet jedoch für einen Sammelschienenschutz via rückwärtiger Verriegelung aus.
 Alternativ können Ringnetze per Richtungsvergleichschutz geschützt werden. Hierfür werden
gerichtete UMZ-Relais eingesetzt, die jedoch Spannungswandler sowie eine Kommunikationsverbindung zum jeweiligen Partnergerät am Gegenende der Leitung benötigen.
Der Sammelschienenschutz kann mit diesen Relais per rückwärtiger Verriegelung realisiert werden.
Durch Überstaffelung benachbarter Netzabschnitte lässt sich zugleich ein Reserveschutzkonzept
aufbauen, bei dem bzgl. der Selektivität eventuell Einschränkungen auftreten können.
 Selbstverständlich lassen sich Ringnetze auch mit Distanzschutzgeräten schützen, sofern der
Abstand zwischen benachbarten Stationen eine saubere Staffelung der Distanzzonen erlaubt.
Hierbei würden Fehler weitestgehend in Schnellzeit abgeschaltet werden. Für den Schutz der
Sammelschienen bietet sich erneut das Prinzip der rückwärtigen Verriegelung an. Durch das
Überstaffeln benachbarter Netzabschnitte ist der Reserveschutz bereits implizit enthalten. Allerdings
benötigen Distanzschutzgeräte ebenfalls Spannungswandler.
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Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Ringnetz
Beispiel: Industrienetz geringer räumlicher Ausdehnung
Einspeisung 1
ΔI
Einspeisung 2
I>
ΔI
M
M
ΔI
I>
ΔI
M
ΔI
ΔI
M
M
ΔI
M
M
M
ΔI
ΔI
ΔI
ΔI
M
ΔI
Es wurden lediglich die bzgl.
der Topologie bedeutenden
Schutzrelais eingezeichnet.
M
M
M
ΔI
M
M
M
M
ΔI
ΔI
ΔI
ΔI
M
M
ΔI
M
M
M
M
ΔI
ΔI
ΔI
M
M
M
M
M
ΔI
Leitungsdifferentialschutz (7SD80, 7SD82, 7SD86)
ΔI
Sammelschienendifferentialschutz (7SS85)
I>
gerichteter UMZ-Schutz (7SJ80,7SJ82, 7SJ85)
M
M
M
ΔI
ΔI
ΔI
M
M
M
M
Seite 16
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Überstromzeitschutz
Der Überstromzeitschutz erkennt Fehler anhand der Stromhöhe und schaltet nach Ablauf
der Verzögerungszeit ab. Überstromzeitschutzgeräte arbeiten entweder mit scharf
definierten Stromschwellen (UMZ) oder einer strominversen Auslösekennlinie (AMZ).
Moderne digitale Geräte arbeiten phasenselektiv und haben für Erdfehler eigene
Einstellwerte. (UMZ / AMZ = un- / abhängiger Maximalstromzeitschutz)
UMZ :
t [sec]
2.0
 der UMZ benötigt mindestens
3 Stromeingänge, besser 4 zur
Stromsummenüberwachung
AUSLÖSEGEBIET
1.5
1.0
 keine Spannungserfassung
 keine Richtungsbestimmung
0.5
 klar definierte Auslösezeit bei UMZ
durch Stromschwelle(n)
0.5
1.0
1.5
I>
2.0
2.5
x IN
I>>
Auslösekennlinie eines zweistufigen UMZ-Schutzes
(definite time over current)
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Seite 17
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Überstromzeitschutz
Der abhängige Maximalstromzeitschutz (AMZ) findet in Deutschland nur selten
Anwendung, da seine Auslösezeit variabel von der Stromhöhe abhängt.
In der Vergangenheit wurden AMZ-Relais häufig als Überlastschutz eingesetzt. Hierfür
bieten die digitalen Schutzgeräte jedoch die Funktion „thermischer Überlastschutz“ an.
 der AMZ benötigt mindestens
3 Stromeingänge, besser 4 zur
Stromsummenüberwachung
 keine Spannungserfassung 
keine Richtungsbestimmung
 variable, (invers-)stromabhängige
Auslösezeit bei AMZ
 Kennlinien nach IEC, ANSI oder
BS (British Standard)
AMZ-Kennliniendiagramme (exemplarisch)
(inverse time over current)
Seite 18
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Überstromzeitschutz
Hauptanwendungen:
Der UMZ kann immer dann als Hauptschutz eingesetzt werden, wenn alleine anhand
der Stromhöhe zwischen Betriebs- und Fehlerstrom unterschieden werden kann.
Selektivität wird über eine Staffelung der Verzögerungszeiten erreicht.
Beispiele:
2
1
Leitungsschutz
 Einsatz des UMZ als Leitungsschutz möglich
bei einseitiger Speisung und strahlenförmiger
Netzstruktur.
 Nachteil: höchste Abschaltzeit an Einspeisung
2
Motorschutz
3
Transformatorschutz
 Einsatz des UMZ als Hauptschutz an Transformatoren
(bis ~ 5 – 10 MVA).
 Hochstromstufe I>> wirkt als unverzögerter
Kurzschluss-Schutz auf Oberspannungsseite,
Überstromstufe I> als Reserveschutz für
Unterspannungsseite
 Zusatzfunktion „therm. Überlastschutz“ schützt gegen
andauernde Überlastung des Transformators.
3
x
x
x
UMZ
1
UMZ
UMZ
t = 600 ms
x
M
UMZ
t = 300 ms
x
UMZ
t = 0 ms
Grundlagen
 Einsatz des UMZ an Motoren als Kurzschlussschutz.
 Moderne digitale UMZ-Geräte beinhalten meist
weitere Schutzfunktionen für Motoren, wie z. B.
Überlastschutz.
Seite 19
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Überstromzeitschutz
Reserveschutzanwendungen:
Der UMZ ist als preiswerter, einfacher Schutz als Reserveschutz prädestiniert. Bei Ausfall
des Hauptschutzes vermag der UMZ dann in höherer Staffelzeit zumindest stromstarke
Fehler abzuschalten und somit Zerstörungen der Primäreinrichtungen zu verhindern.
Mangelnde Selektivität wird hierfür unter Umständen in Kauf genommen.
Beispiele:
2
1
1
 Blockierung der UMZ-Stufen solange
Leitungsdiffschutz aktiv.
 Hardware-Redundanz gegenüber integrierter
Reserveschutzfunktion des Leitungsdiffschutzes
 evtl. Selektivitätsverlust bei Staffelung des UMZs
x
x
ΔI
UMZ
UMZ
ΔI
ΔI
UMZ
Reserveschutz bei Leitungsdiffschutz
2
Reserveschutz bei Trafodiffschutz
x
x
• Hardware-Redundanz gegenüber integrierter
Reserveschutzfunktion des Transformatordifferentialschutzes
• permanente Aktivierung als Reserveschutz
möglich, da Diffschutz schneller als UMZ
 Einstellungen wie bei UMZ als Trafo-Hauptschutz,
Hochstromstufe I>> leicht verzögert (ca. 50 ms)
Seite 20
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Gerichteter Überstromzeitschutz
Der gerichtete UMZ/AMZ-Schutz ermittelt aus der Phasenlage von Strom und Spannung
die Richtung des Stromflusses und bieten neben den ungerichteten (wie UMZ/AMZ)
zusätzliche gerichtete Überstromstufen. Dies erlaubt für beide Richtungen unterschiedliche
Stromschwellen und Verzögerungszeiten.
Hauptanwendungen sind Parallelleitungen sowie beidseitig gespeiste Leitungen.
Speiserichtung
x
x
Beispiel Parallelleitung:
Bei einseitiger Speisung über parallele Leitungen wird ein
Fehler auf einer Leitung auch über die parallele Leitung und
damit per Rückspeisung vom Gegenende her gespeist.
Ein gerichteter UMZ-Schutz kann einen gegen die
Speiserichtung fließenden Fehlerstrom in Schnellzeit
abschalten, da dies kein Betriebsstrom sein kann.
UMZ
UMZ
t = 300 ms
t = 300 ms
t = 0 ms
t = 0 ms
UMZ
UMZ
x
x
x
t = 0 ms
UMZ
Seite 21
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Gerichteter Überstromzeitschutz
Beidseitig gespeiste Leitungen (vgl. Ringnetze) können mit gerichteten UMZ-Relais
geschützt werden. Hierzu erfolgt die Staffelung von beiden Einspeisungen her
gegeneinander gerichtet. An den beiden äußeren Enden ist jeweils ein ungerichteter UMZ
ausreichend.
Beispiel: beidseitig gespeiste Leitung
x
x
x
x
x
x
UMZ
UMZ
UMZ
UMZ
UMZ
UMZ
t = 600 ms
t = 0 ms
t = 300 ms
t = 300 ms
t = 0 ms
t = 600 ms
Wie bei der Staffelung ungerichteter UMZ-Geräte können nicht beliebig viele Relais
gestaffelt werden, da sonst die Verzögerungszeit unzulässig hoch wird.
Seite 22
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Richtungsvergleichschutz
Gerichtete UMZ-Relais, die am Anfang und Ende eines Leitungsabschnitts platziert sind,
können dazwischen liegende Netzstörungen unverzögert abschalten, sofern sie von der
Gegenseite die Information erhalten, in welcher Richtung dieses Relais den Fehler sieht.
Sehen beide Geräte den Fehler in Vorwärtsrichtung schalten sie unverzögert ab.
Dieses Schutzprinzip benötigt eine Kommunikationsverbindung der beiden Relais!
A
B
C
D
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
I>,t
R 1.1
R 1.2
R 2.1
R 2.2
R 3.1
R 3.2
Die Information, dass der Fehler in Richtung „rückwärts“ liegt, wird über die Kommunikationsverbindung an das Partnergerät übermittelt. Dieses blockiert daraufhin die gerichtete,
unverzögerte Auslösestufe, der Schutz arbeitet mit „normaler“ Staffelzeit.
Im fehlerbehafteten Leitungsabschnitt sehen beide Geräte den Fehler „vorwärts“. Es erfolgt keine
Blockierung der gerichteten Schnellstufe, der Fehler wird unverzögert abgeschaltet.
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Seite 23
Motorschutz
Leitungsdifferentialschutz
Der Leitungsdifferentialschutz wird eingesetzt, um streng selektive Bereiche in Schnellzeit
zu schützen. Das einfache Messprinzip des Stromvergleichs erfordert eine Kommunikationsverbindung zwischen den Partnergeräten.
Während früher analoge Messgrößen übertragen wurden (Stromwaage-Prinzip),
nutzen moderne Geräte die Vorteile der digitalen Kommunikation.
I
I
Kommunikationsverbindung
Vorteile:
 einfaches Messprinzip
 schnell (keine Staffelzeit)
 streng selektiv
 benötigt nur Stromwandler
Voraussetzung:
 Kommunikation mit Gegenende
Seite 24
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Leitungsdifferentialschutz
SIPROTEC-Leitungsdifferentialschutzgeräte können Netzgebilde bis zu sechs Enden
schützen.
Die Geräte 7SD8 verfügen über Wirkschnittstellen um Daten mit den Partnergeräten in
Ring- oder Kettentopologie auszutauschen.
Intelligente Algorithmen erlauben auch
Transformatoren im Schutzbereich. Für
Inbetriebsetzung und Prüfung können einzelne
Enden aus der Differentialschutzkonfiguration
herausgenommen werden.
7SD8
7SD8
Beispiel: unterschiedliche Netztopologien
LWL-Kabel
7SD82, 7SD86
und 7SD87
7SD82, 7SD86
und 7SD87
7SD8
7SD8
LWL-Kabel
7SD8
7SD82, 7SD86
und 7SD87
Grundlagen
7SD8
7SD82, 7SD86
und 7SD87
Netzarten
Überstromzeitschutz
Seite 25
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Leitungsdifferentialschutz
Die Nutzung digitaler Kommunikation zum Austausch schutzrelevanter Daten
(z.B. Messwerte, Mitnahmebefehle, etc.) erlaubt eine flexible Anpassung an vorhandene
Übertragungswege. Insbesondere Lichtwellenleiter-Direktverbindungen ermöglichen
eine beeinflussungsfreie Kommunikation. Aber auch andere Wege bieten sich an.
Nutzung von Lichtwellenleitern
LWL
820 nm, 1.5 km
1300 nm, 4/24 km
1300 nm, 60 km
1550 nm, 100 km
LWL
820 nm,
1.5 km
PW
O
Multi mode
Multi/Single mode (SIP5/7SD80)
Single mode
Single mode
2 Kupferadern
O
LWL
820 nm,
1.5 km
PW
bis zu 12 km
Nutzung vorhandener Diffschutzkabel oder Telefonadern (2 Adern verwendet) mittels Umsetzung von LWL
auf Kupfer (7XV5662-0AC00).
Seite 26
Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Leitungsdifferentialschutz
Für den Austausch schutzrelevanter Daten (z.B. Messwerte, Mitnahmebefehle, etc.)
können auch digital Kommunikationsnetze (SDH als auch Netze mit MPLS-Technologie)
genutzt werden. Die Ankopplung erfolgt optisch direkt oder über externe
Kommunikationsumsetzer.
Anbindung an Netzwerke mit elektrischen Schnittstellen mittels Nutzung von Kommunikationsumsetzern
(optisch/elektrisch): 7XV5662-0AA00 (X.21 oder G703.1) bzw. 7XV5662-00AD00 (G703.6/E1/T1)
G
LWL
820 nm,
1.5 km
Weitverkehrsnachrichtennetz
O
G703.1
X21
G703.6
O
G
LWL
820 nm,
1.5 km
G703.1
X21
G703.6
Optische Direktverbindung mit Netzwerken mit IEEE C37.94 Schnittstellen (SDH- und MPLS-Netzwerken)
IEEE C37.94
Schnittstelle
IEEE C37.94
Schnittstelle
Weitverkehrsnachrichtennetz
LWL
820 nm
1,5 km
LWL
820 nm
1,5 km
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Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Leitungsdifferentialschutz – 7SD80
Für den Austausch schutzrelevanter Daten (z.B. Messwerte, Mitnahmebefehle, etc.)
können beim SIPROTEC 7SD80 folgende Kommunikationswege genutzt werden.
Nutzung von LWL-Kabeln
LWL
1300 nm, 4/24 km, Multi/Single mode fiber cables
Nutzung vorhandener Diffschutzkabel oder Telefonadern (2 Adern verwendet)
*
*
2 Kupferadern bis zu 20 km
* Abriegeltrennwandler 5 kV oder 20 kV
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Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Transformatordifferentialschutz
Der Transformatordifferentialschutz wird zum selektiven, unverzögerten Schutz von
Transformatoren eingesetzt. Da sich die Zuleitungslänge der ober- und unterspannungsseitigen Wandler sich meist in Grenzen hält, kann die Stromsumme in einem Gerät –
und nicht wie beim Leitungsdifferentialschutz in getrennten Geräten – gebildet werden.
Moderne Trafodiffschutzrelais benötigen keine sekundärseitigen Anpassschaltungen
mehr, um die Strombeeinflussung durch den Transformator nachzubilden. Dies erledigt
das digitale Schutzgerät rechnerisch.
x
Normalbetrieb:
Trafofehler:
I1
I
x
I2
I1 + I2 = 0
I1 + I2 = 0
Der digitale Transformatordifferentialschutz berücksichtigt
rechnerisch:
 das Übersetzungsverhältnis des Trafos durch
Amplitudenanpassung
 die Phasenverschiebung der Sekundärströme durch
Schaltgruppenanpassung
 die eventuelle Fehlabbildung von Erdströmen durch
Nullstromelimination bzw. Nullstromkorrektur
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Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Distanzschutz
Der Distanzschutz überwacht die erfassten Ströme und Spannungen hinsichtlich des
parametrierten Anregekriteriums. Abhängig von den jeweiligen Netzverhältnissen haben
sich unterschiedliche Anregeverfahren etabliert. Sofern Last- und Fehlerstrom eindeutig
durch die Stromhöhe unterscheidbar sind, ist eine Überstromanregung ausreichend.
Kompliziertere Strom- und Spannungsverhältnisse zwischen Betriebs- und Fehlerzustand
erfordern aufwändigere Anregeverfahren.
Anregeverfahren:
Spannungs- und
winkelabhängige
Überstromanregung
X
Impedanzanregung
U
Spannungsabhängige
Überstromanregung
R
Überstromanregung
I>
Grundlagen
I>
Netzarten
I >>
I
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
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Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Distanzschutz
Regt der Distanzschutz an, so werden aus den erfassten Strömen und Spannungen die
Impedanzen aller sechs möglichen Fehlerschleifen ermittelt und mit den parametrierten
Zoneneinstellungen (~ Fehlerentfernungen) verglichen.
Nach Ablauf der für die jeweilige Zone hinterlegten Verzögerungszeit löst der Distanzschutz
aus und klärt den Fehler.
X X3
Fehlerschleifen:
Auslösekennlinien:
E
X2
L1 L2 L3
XFehler
Distanzschutz
X1B
L2-E
R3
R2
R1
L1-E
R1B
X1
R
RFehler
L3-E
L1-L2
L2-L3
L3-L1
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Grundlagen
Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Distanzschutz
Die ermittelte Fehlerimpedanz erlaubt es, den Distanzschutz in Abgangsfeldern so zu
staffeln, dass er Fehler bis zur nächsten Station in Schnellzeit abschaltet. Für weiter
entfernte Fehler stellt er zugleich einen Reserveschutz für das Schutzgerät in der nächsten
Station dar. Aufgrund von Messungenauigkeiten wird die Zone 1 jedoch kleiner als die
Entfernung zur nächsten Station eingestellt, um eine Überfunktion zu verhindern.
t
tuE
ungericht. Endzeit * * nicht bei
Impedanzgericht. Endzeit *
anregung
tgE
t3
t2
t1
Station
Gerät 1
7SA8
Gerät 2
7SA8
Gerät 3
7SA8
Gerät 4
7SA8
Die SIPROTEC-Distanzschutzgeräte 7SA8 besitzen eine variable Anzahl unabhängiger Zonen,
die frei konfiguriert werden können. So lassen sich verschiedene Zonen für beispielsweise sichere
Schnellabschaltungen bei „Zuschalten auf Fehler“ oder „Automatischer Wiedereinschaltung“ einstellen.
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Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Distanzschutz
Der Distanzschutz im Einspeisefeld dient für die Relais der Abgangsfelder als Reserveschutz und gleichzeitig als Sammelschienenschutz. Da keine selektive Staffelung für
die Sammelschiene möglich ist (zu geringe Impedanz), wird dieses Relais als
Reserveschutz für den Abgangsschutz mit der kürzesten Zone 1 eingestellt.
Sammelschienenfehler werden daher erst mit Ablauf der ersten Staffelzeit abgeschaltet.
Einspeiseschutz
Abgangsschutz
1. Ebene
Abgangsschutz
2. Ebene
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Netzarten
Überstromzeitschutz
Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Sammelschienenschutz
Sammelschienen (SS) sind in Schaltanlagen die Orte der höchsten Energiekonzentration.
Zu lange anstehende SS-Fehler können leicht zur Schädigung der Primärtechnik führen.
Daraus resultierende Versorgungsunterbrechungen können – insbesondere in Industrienetzen – erhebliche negative Auswirkungen (Produktionsausfälle, etc.) nach sich ziehen.
Daher müssen – unabhängig von der Spannungsebene – wichtige Sammelschienen in
Schnellzeit geschützt werden.
Da jedoch SS-Fehler sehr selten sind, werden Sammelschienenfehler meist erst in höherer
Staffelzeit abgeschaltet. Abhängig von der Komplexität des SS-Systems (von Einfach- bis
Fünffach-SS) ist ein eigenständiger SS-Schutz mehr oder weniger aufwändig.
Der einfachste SS-Schutz lässt sich nach dem Prinzip der „rückwärtigen Verriegelung“
aufbauen, sofern ein Vergleich der anstehenden Schutzanregungen eindeutig ergibt,
ob nur einspeisende Felder (SS-Fehler) oder auch Abgangsfelder (außen liegender Fehler)
beteiligt sind.
Ein eigenständiger SS-Schutz kann bei Einfach-SS durch einen simplen Knotenpunktschutz
realisiert werden, da dieser kein Trennerabbild benötigt.
Bei komplexer SS-Topologie ist der SS-Schutz aufwändig, da nur der fehlerhafte
SS-Abschnitt abgeschaltet werden soll. Hierzu muss der SS-Schutz von jedem Abzweig
neben dem Strom auch das Trennerabbild erfassen und daraus die selektiven Bereiche
ermitteln.
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Sammelschienenschutz
Motorschutz
Sammelschienenschutz –
Prinzip der rückwärtigen Verriegelung
Eine Schutzanregung in einem Abgangsfeld bedeutet, dass der anstehende Fehler nicht
im Bereich der Sammelschiene liegt, auch wenn die Schutzgeräte der Einspeisefelder
ebenfalls angeregt haben. Diese Anregung eines Abgangsschutzes kann genutzt werden,
die (nahezu) unverzögerte Auslösung des Einspeiseschutzes zu blockieren.
Regen lediglich Schutzgeräte der Einspeisefelder an, so fehlt diese Blockierung und der
SS-Fehler wird in Schnellzeit abgeschaltet.
2
t = 50 ms
t = x ms
Anr.
+
M
Anr.
Abgangsschutz löst aus und sperrt
50 ms-Stufe im Einspeiseschutz über
Ringleitung
2
Einspeiseschutz löst in 50 ms aus,
da kein Abgang angeregt und damit
gesperrt hat
Blockierung
1
+
1
+
Anr.
Sammelmeldung Anregung
Bei zweiseitiger Speisung werden gerichtete
Anregemeldungen benötigt, um Rückspeisungen
auf außen liegende Fehler zu erkennen.
Sollen bei Doppelsammelschienen selektive
Bereiche berücksichtigt werden, müssen
SS-bezogene Blockiermeldungen
(über Trenner-Hilfskontakte) gebildet werden.
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Netzarten
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Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Sammelschienenschutz – zentral
Beim zentralen Sammelschienenschutz werden alle Ströme und Schalterstellung zentral
an ein Schutzgerät zusammengefasst. Mit Hilfe der Schalterstellungen wird das Trennerabbild erzeugt. Mit Hilfe des Trennerabbildes erfolgt die Zuordnung der Leitungen zum
Sammelschienenschutzsystem.
Sammelschienen:
SS-Schutz mit bis zu 20 Messstellen in 26 Feldern
X
7SS85
1
2 3
x
7SS85
 Einfach-Sammelschienen
mit/ohne Umgehungsschiene
 Doppelsammelschienen
mit/ohne Umgehungsschiene
 Dreifach-Sammelschienen
 Eineinhalb-Leistungsschalter-Methode
 Doppelleistungsschalter-Anlagen und
ein- oder zwei-Stromwandler je Abzweig
 Schaltwagenanlagen
 Anlagen mit Kombischienen
 Dreibein-Schaltungsanordnungen
 H-Schaltungsanordnungen mit Kupplung
oder Trennung
 Ring-Sammelschienen
7SS85
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Sammelschienenschutz
Motorschutz
Sammelschienenschutz – dezentral
Der dezentrale SS-Schutz 7SS52 erfasst in jedem Schaltfeld Abzweigstrom und Trennerstellungen mittels einer eigenen Feldeinheit. Diese Feldeinheiten sind sternförmig über
Lichtwellenleiter mit dem SS-Schutz-Zentralgerät verbunden.
Anhand des Trennerabbilds bestimmt der SS-Schutz die selektiven Bereiche und bildet
jeweils die Stromsumme.
An die Zentraleinheit des 7SS52 können bis zu 48 Feldeinheiten angeschlossen werden.
Es stehen bis zu 12 selektive Bereiche (SS-Abschnitte) zur Verfügung. Um sicher zwischen
innen und außen liegenden Fehlern zu unterscheiden, genügen 3 ms sättigungsfreie
Übertragungszeit des maximalen durchfließenden Fehlerstroms.
Die Auslösezeit (am Kontakt der Feldeinheiten) beträgt weniger als 15 ms, unabhängig
von der Anzahl der Feldeinheiten.
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Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Motorschutz
Für den Schutz von Mittelspannungsmotoren stehen spezielle Schutzfunktionen,
wie beispielsweise die Überlastschutzfunktion zur Verfügung. Mittels sogenannter
„Thermoboxen“ können die Temperaturen kritischer Punkte des Motors (z. B. Lager)
erfasst und überwacht werden. Hierdurch kann insbesondere die Empfindlichkeit des
thermischen Überlastschutzes gesteigert werden.
Thermobox
- 7XV5662-6 RS 485
- 7XV5662-8 Ethernet
L1
L2
L3
L1
L3
N
Σ
i0
RS 485/Ethernet
u0
7SK8
M
3~
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Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Motorschutz
 Reduzierte Investition durch Schutz
und Steuerung in einem Gerät
 Eigenständige Differentialschutzfunktionen
 Thermische Motorschutzfunktionen
zur sicheren Überwachung des Motors
 Hohe Empfindlichkeit und kurze
Auslösezeiten durch Differentialschutzfunktion
 Thermische Motorschutzfunktionen mit
direktem Anschluss von Temperatursensoren
 Getrennte Erfassung und Überwachung der Stromwandler
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Differentialschutz
Distanzschutz
Sammelschienenschutz
Motorschutz
Herausgeber
Siemens AG 2016
Energy Management Division
Freyeslebenstraße 1
91058 Erlangen, Deutschland
Artikel-Nr.: EMDG-T10034-00
Gedruckt in Deutschland
Dispo-Nr.: 06200
WS 12150.5 SCH DS 07120.75
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Tel.: +49 180 524 70 00
Fax: +49 180 524 24 71
(Gebühren in Abhängigkeit vom Provider)
E-Mail: [email protected]
Änderungen und Irrtümer vorbehalten.
Die Informationen in diesem Dokument enthalten lediglich allgemeine Beschreibungen bzw.
Leistungs-merkmale, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen
Form zutreffen bzw. welche sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können.
Die gewünschten Leistungsmerkmale sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragsschluss
ausdrücklich vereinbart werden.
Für alle Produkte, die IT-Sicherheitsfunktionen der OpenSSL beinhalten, gilt Folgendes:
This product includes software developed by the OpenSSL Project for use in the OpenSSL
Toolkit (www.openssl.org).
This product includes cryptographic software written by Eric Young ([email protected]).
Frei verwendbar © Siemens AG 2016
www.siemens.de/siprotec
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