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Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 1
Schutzkonzepte für 110-kV-/MS-Anlagen der
Verteilnetzbetreiber„OMICRONcamp“ Anwendertagung 2010
Dipl.-Ing. Klaus Hinz
VDE Region Nord
hinzk@t-online.de
Dipl.-Ing. Walter Schossig
VDE Thüringen
info@walter-schossig.de
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Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept
Bilder von Störungen
Inhalt eines Schutzkonzeptes
Beispiele für Schutzkonzepte
Empfehlungen und Richtlinien
Schutzkonzepte
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Energiewirtschaftsgesetz – EnWG (D) vom 24. April 1998 (BGBl I S. 730)
§ 1 Zweck des Gesetzes
… eine möglichst sichere, preisgünstige und umweltverträgliche Versorgung
§ 4 Betrieb des Elektrizitätsversorgungsnetzes
(1) EVU sind zu einem Betrieb ihres Versorgungsnetzes nach §1 verpflichtet
§ 49 Anforderungen an Energieanlagen
(1) Energieanlagen sind so zu errichten und zu betreiben, dass technische Sicherheit
gewährleistet ist. Dabei sind vorbehaltlich sonstiger Rechtsvorschriften die allgemein
anerkannten Regeln der Technik zu beachten.
(2) Die Einhaltung der allgemein anerkannten Regeln der Technik wird vermutet, wenn
bei Anlagen zur Erzeugung, Fortleitung und Abgabe die technischen Regeln des
VDE eingehalten worden sind.
Einhaltung anerkannter Regeln der TechnikForderung in den Energiewirtschafts- bzw. Elektrizitätsgesetzen der
Länder
Bereits das Energiewirtschaftsgesetz - EnergG (D) von 1935 verpflichtete die Energie-
wirtschaft die Bevölkerung und Industrie so sicher und billig wie möglich zu versorgen.
Schutzkonzepte
Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept
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Elektrizitätswirtschafts-und-organisationsgesetz EIWOG / TOR (A)
Schutzkonzepte
Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept
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EleG (CH)
Schutzkonzepte
Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept
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Normen (IEC, EN, VDE, OVE, SEV/AES)
Beispiele
DIN VDE 0101 Errichten von Anlagen
DIN VDE 0105 Betreiben von Anlagen
Richtlinien (VDEW … FNN, VEÖ, TOR, VSE
sowie BNetzA, E-CONTROL, ElCom, GridCodes)
Beispiele
VDN/VEÖ Digitale Schutzsysteme
FNN/VEÖ Leitfaden Einsatz Schutzsysteme
TC bzw. DC Transmission- bzw. DistributionCode
Anerkannte technische Regeln
Schutzkonzepte
Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept
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DIN VDE 0101
Für Anlagen müssen selbständige Einrichtungen zum
Abschalten von Kurzschlüssen vorgesehen werden.
Für Anlagen müssen entweder Einrichtungen zum
selbständigen Abschalten von gefährlichen Erdschlüssen oder
zum Anzeigen des Erdschlusszustandes vorgesehen werden
Schutzeinrichtungen müssen u.a. aus Selektivitätsgründen
konzeptionell aufeinander abgestimmt werden
Notwendigkeit einer Schutzkonzeption
Schutzkonzepte
Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept
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Grundanforderungen an Schutzsysteme
Selektivität
Schnelligkeit
Empfindlichkeit
Genauigkeit
Zuverlässigkeit
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
Wirtschaftliche Angemessenheit
Schutzkonzepte
Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept
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Ein durchgängiges Haupt- und Reserveschutzsystem stellt
sicher, dass ein Versagen einzelner Elemente aufgefangen
werden kann.
Das System sollte über den Normalschaltzustand hinaus auch
für länger andauernde Sonderschaltzustände ausgelegt werden.
Reserveschutzkonzepte
Der Reserveschutz kommt zur Wirkung, wenn der Hauptschutz einen
Fehlerzustand in der vorgegebenen Zeit nicht oder nicht korrekt klären kann.
Der Reserveschutz kann verzögert und/oder mit verminderter Selektivität
arbeiten.
Hinsichtlich des Versagens werden einbezogen:
Strom- und Spannungswandler
Schutzeinrichtungen
Leistungsschalter
Hilfsenergieversorgung
Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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23 41
Örtlicher Reserveschutz
-stationsbezogen-
Fernreserveschutz
Örtlicher Reserveschutz
-stationsbezogen-
Relais 2
Relais 3
Relais 4
Relais 1
Hauptschutzbereich
Reserveschutzbereich
Hauptschutzbereich
Reserveschutzbereich
A
Örtlicher Reserveschutz
-feldbezogen-
Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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Fern- Reserveschutz
ist in der Regel die kostengünstigste Version, muss aber meistens mit Verlust auf Selektivität erkauft werden.
Örtlicher Reserveschutz (stationsbezogen)
ist in der Regel die kostengünstigste Version, muss aber meistens mit Verlust auf Selektivität erkauft werden.
Örtlicher Reserveschutz (feldbezogen)
Zusätzlicher Schalterversagerschutz erforderlich
Varianten des feldbezogenen örtlichen Reserveschutzes Schutzdopplung
Schutzsystem 1 und Schutzsystem 2
Einsatz möglichst zwei verschiedener Messsysteme, bei gleichen Messsystemen möglichst unterschiedliche Hersteller verwenden.
Varianten des Reserveschutzsystems
Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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bei Kurzschlüssen auf den zu schützenden Selektionsabschnitten verlässlich anzuregen (Anregeverlässlichkeit)
als auch sicher gegen Falschanregungen im störungsfreien Betrieb zu sein (Anregesicherheit)
Zuverlässigkeit der Schutzanregung
ist sowohl die Eigenschaft
Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
0 Izul IAL IAK Ik min
Zulässiger Einstellbereich
der I >- Anregung
Anregesicherheit aus
LastbedingungenAnregeverlässlichkeit aus
Kurzschlussbedingungen
Betriebslast Kurzschlussströme
Ik
[E2]
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Anregesicherheit im Lastbereich (kleinster zul. Ansprechwert IAL).
SV M
transientÜLzulAL
fRf
ffII
Izul zulässige Dauerbelastbarkeit der zu schützenden Betriebsmittel
RV Rückfallverhältnis der Schutzanregung,
elektromech.: 0,8...0,85; digital: 0,95
fM max. Messfehler Schutzeinrichtung einschl. Wandler fM= 0,9
fÜL Überlastfaktor, max. Betriebsstrom im gestörten Netzbetrieb
bezogen auf Izul
ftransient Faktor transiente Übergänge, wie Anlaufströme von Motoren
(nur erforderlich, wenn sie über te andauern, sonst = 1)
[E2]
fS Sicherheitsfaktor (üblicher Wert fS = 0,9)
Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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Anregesicherheitsfaktor fAS für Lastbedingungen
SfRf
fff
VM
transientÜLAS zulASAL IfI
AnwendungsbeispielEinfachleitung
Schutz digital
Doppelleitung
Schutz digital
Doppelleitung
Schutz
elektromech.
Anregesicherheitsfaktor fAS ≥ 1,4 ≥ 1,7 ≥ 2
Überlastfaktor fÜL 1,25 1,5 1,5
Rückfallverhältnis Anregung RV 0,95 0,95 0,80
Transientenfaktor ftransient 1 1 1
[E2]
Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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Anregeverlässlichkeit fAV-I bei Kurzschlüssen
A
kminI-AV I
If
Hauptschutz Reserveschutz
Anregeverlässlich-
keitsfaktor fAV-I
≥ 1,5 ≥ 1,8 ≥ 1,3
Genauigkeit der
Impedanzwerte5 % 10 % 10 %
Anregemessfehler 5 % 5 % 5 %
Spannungsbeiwert c 1,0 1,0 1,0
Reglerstellung des
TransformatorsMittelstellung Mittelstellung Mittelstellung
Lichtbogeneinfluss berücksichtigt vernachlässigt vernachlässigt
Anmerkung: Wandlerfehler sind in den angegebenen Werten enthalten
[E2][E2]
Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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Vorschlag für Fehlererfassungszeiten
Schutzbereich Haupt-
schutz
Reserve-
schutz
Schalterver-
sagerschutz
110-kV-Leitung 120 ms /
400 ms *
2 s -
MS-Leitung u. -
Anlagen
1 s 2 s -
110-kV-/MS-
Trafo
150 ms 2 s 300 ms
MS-/0,4-kV-
Trafo
300 ms 2 s -
* Zur Überstaffelung von Kupplungen kann 600 ms erforderlich sein
Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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Gründe für eine Fehlerabschaltung t max. 1 s:
PEHLA-Richtlinie, IEC 62271-200 / VDE 0671-200
VDE 0101
EN 50160
zul. Belastung der Kabelmäntel
Kurzschlussfestigkeit der Betriebsmittel
Versorgungsunterbrechung
EN 50341-1 (DIN VDE 0210-1)
Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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gilt nicht für innenliegende Lichtbogenfehler
Beispiel: Herstellerangabe MS-Schaltanlage
Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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SchutzkonzepteInhalt eines Schutzkonzeptes
9)
VDE 0101
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Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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Kurzschlussfestigkeit
eines Kabels mit 25 mm2
Cu-Schirm
110 kV
20 kV
VPE-Kabel 150 mm²,
Kupferdrahtschirm
25 mm²
40 MVA
uK=15%
5 km
SIEMENS-Kabelbuch [Hei-Kab]
Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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Schutzkonzepte
Inhalt eines Schutzkonzeptes
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SchutzkonzepteInhalt eines Schutzkonzeptes
Kurzschlussfestigkeit von Transformatoren
EN 60076-5 VDE 0532 Teil 5, Nov.2001 :
Einstellwerte beim Trafo-UMZ von 3 bis 5 s waren früher üblich
4.1.3 Dauer des dreipoligen Kurzschlussstroms
Die Dauer des dreipoligen Kurzschlussstroms IK, der für die Berechnung der thermischen Kurzschlussfestigkeit ver-
wendet wird, muss 2 s betragen, solange keine andere Dauer festgelegt wurde.ANMERKUNG Bei Spartransformatoren und Transformatoren, deren Kurzschlussstrom den 25fachen Bemessungsstrom über-
steigt, darf eine geringere Kurzschlussdauer als 2 s zwischen Hersteller und Käufer vereinbart werden.
F36
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Feldbezogener Reserveschutz bzw. Hauptschutz 1 und 2
[ÜNB-Konzept]
Schutzkonzepte
Beispiele für Schutzkonzepte
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Ortsferner Reserveschutz
Die Reserveschutzauslösung erfolgt durch den gestaffelten
Überstromzeit- oder Distanzschutz in der vorgeordneten Station.
A
B
D
C
E
F1
F2 F3
t
ReserveschutzSchutzkonzepte
Beispiele für Schutzkonzepte
A
t
Z
Z
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Zeitstaffelung
Staffelzeit ∆t = 0,3 s bei digitalem und 0,4 s bei elektromechanischem Schutz
Fehler in gekapselten Schaltanlagen müssen mit t < 1 s erfasst werden
Beispiel Distanzschutz t1 = 0 s, t2 = 0,3 s, t3 = 0,6 s usw.
Schutzkonzepte
Beispiele für Schutzkonzepte
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Stufen- und Endzeiten im HS- und MS-Netz
Schutzkonzepte
Beispiele für Schutzkonzepte
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Lichtbogen-
brennstrom
Un gemessene Licht-
bogenspannung
errechneter Licht-
bogenwiderstand
5 – 20 kA
10 800 – 1000 V 0,05 – 9,2 Ω
20 1000 – 1500 V 0,07 - 0,3 Ω
30 1500 – 2000 V 0,1 – 0,4 Ω
Ermittlung des LichtbogenwiderstandesPrüfung luftisolierter gekapselten MS-Schaltzellen,
IPH
Berechnung des Lichtbogenwiderstandes
Lichtbogenwiderstände im
Übertragungsnetz
[PV-Dist]
[Cle_Ro][E2]
Schutzkonzepte
Beispiele für Schutzkonzepte
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Berücksichtigung des Lichtbogenwiderstandes
[E2]
Schutzkonzepte
Beispiele für Schutzkonzepte
Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 30
SKB
40 MVA
500 MVA
500 MVA
G
SKC
SKA
IKA+ IKC IKA=2,6 kA
IKC =200 A
IKB =2,6 kA
A
C
BM
Relais A:
ZK = ZA-M + ZM-B (IKA + IKC)/ IKA)
Relais C:
ZK = ZC-M + ZM-B (IKA + IKC)/ IKC)
ZK = ZA-M + ZM-B (2,6 kA + 0,2 kA) / 2,6 kA)
ZK = ZA-M + ZM-B*1,08
ZK = ZC-M + ZM-B (2,6 kA + 0,2 kA) / 0,2 kA)
ZK = ZC-M + ZM-B*14
Windumspannwerk Stichanschluss - Bewertung Messfehler Distanzschutz-
Schutzkonzepte
Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz
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Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 31
SKA
A B
G
SKC
C
G
SKD
D
Z< Z<
1 1
Stichanschluss mehrerer EZA - Schaltermitnahmeschaltung
SKB
Schutzkonzepte
Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz
Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 32
[MS-EZ]
UNS
= Uc / ü
mit ü = Übersetzungsverhältnis der
Maschinentransformatoren
Uc = vereinbarte
Spannung im
Mittelspannungsnetz
WEA
öffentliche
Versorgung
1 n
Netz
UF=0,8U
C
IF=0,2I
nom
IE>1,2I
CE
1,15 UC
t=0,1s
1,08 UC
t=1 min
U>> U>
0,80 UC
t= 2,7 s
U<Z<
47,5Hz
t= 0,1 s
f<
51,5Hz
t=0,1s
f>U>>
1,20 UNS
t=0,1s
0,8 UNS
t=1,5-2,4s
U<
Z<
t= 0,1 s
UF=0,50 U
C
Trafo
ODER
0,45 UNS
t= 0,3 s
U<<ODER
47,5Hz
t= 0,1 s
f<
51,5Hz
t=0,1s
f>U>>
1,20 UNS
t=0,1s
0,8 UNS
t=1,5-2,4s
U<
0,45 UNS
t= 0,3 s
U<<ODERODER
ODER
*) Mitnahmeschaltung nur bei im
Stich angeschlossenem UW
*)
0,85 UC
t= 0,5 s
Q&U<
Anschluss an UW- Sammelschiene
Schutzkonzepte
Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz
[E34]
17
Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 33
Un = U
c / ü
mit ü = Übersetzungs-
verhältnis der Nieder-
spannungstransformatoren
Uc = vereinbarte
Spannung im
Mittelspannungsnetz
Übergabestation
I>
I>>
öffentliche
Stromversorgung
U>>
1,20 UNS
t 0,1s
0,8 UNS
t=0,8-1,0s
U<
47,5Hz
t 0,1 s
f<
51,5Hz
t 0,1s
f>
0,45 UNS
t=0...0,3s
U<<
Anschluss im MS-Netz - ohne Blindstromeinspeisung im Fehlerfall
Schutzkonzepte
Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz
[E34]
Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 34
Un = U
c / ü
mit ü = Übersetzungs-
verhältnis der Nieder-
spannungstransformatoren
Uc = vereinbarte
Spannung im
Mittelspannungsnetz
Übergabestation
UF=0,8 U
C
IF=0,2 I
nom
IE>1,2 I
CE
Z<
öffentliche
Stromversorgung
U>>
1,20 UNS
t=0,1s
0,8 UNS
t=1,5-2,4s
U<
47,5Hz
t= 0,1 s
f<
51,5Hz
t=0,1s
f>
0,45 UNS
t=0,3s
U<<
1,15 UC
t=0,1s
U>>
1,08 UC
t=1 min
U>
0,80 UC
t= 2,7 s
U<
0,85 UC
t= 0,5 s
Q &U<
Anschluss im MS-Netz - mit Blindstromeinspeisung im Fehlerfall
Schutzkonzepte
Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz
[E34]
18
Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 35
Staffelung zur selektiver Fehlererfassung angeschlossener
Einspeiser im MS-Netz
B
t
Reserveschutz
A ZI >
0,3 s
I >>
0 s
WKA
I >
0,3 s
I >>
0 s
WKA
C D
Einstellung Distanzrelais in SSt B, Abg. C
t1 = 0 s oder bei kurzer Leitung 0,3 s
t2 = 0,3 s
tp = 0,6 s
Schutzkonzepte Staffelbeispiel zur Einbeziehung einer Erzeugungsanlage
Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 36
G
Z Z Z Z
EEG über längeres
Kabel angeschlossen
l >
1
0,7
0,3
0,1
t/s
X/
Schutzkonzepte Staffelbeispiel zur Einbeziehung einer Erzeugungsanlage
19
Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 37
Stufen- und Endzeiten im HS- und MS-Netz
Schutzkonzepte
Beispiele für Schutzkonzepte
Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 38
Verwendung der R-X-Anregung in der MS-Trans-
formatoreneinspeisung als Leitungsreserveschutz
Haupt- und Reserveschutz bei Transformatoren
Kupplungsschutz
Einbauhinweise
Schaltungsunterlagen
Schutzkonzepte
Weitere Schwerpunkte einer Schutzkonzeption
20
Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 39
[E1] Bergauer,G.; Fischer,W.; Hauschild,J.; Hinz,K.; Hupfauer,H.; Hübl,I.; Kühn,H.;
Nowak,W.; Roth,H.; Sack,H.; Wührmann,B.: Richtlinie für digitale Schutzsysteme. 1.
Auflage 2003, VDN/VEÖ. http://www.vde.de/de/fnn/dokumente/documents/richtlinie-digitale-
schutzsysteme_vdn2003-11.pdf
[E2] Leitfaden zum Einsatz von Schutzsystemen in elektrischen Netzen. VDE-FNN / VEÖ.
http://www.vde.de/de/infocenter/seiten/details.aspx?eslshopitemid=0a2decea-9c27-4541-aa57-
6b75845f7602
[E12] VDEW-Ringbuch: Richtlinie für den Sammelschienenschutz. 3. Auflage 2001 und
Anregeprobleme beim Reserveschutz. Ausg. Juni 1992. VDEW. http://www.vde.com/FNN
[E22] PEHLA Richtlinie Nr. 4. Empfehlung für die Anwendung von VDE 0670, Teil 601/9.84 oder
IEC 298 (1981) – Appendix AA für die Prüfung des Verhaltens von metallgekapselten
Hochspannungs-Schaltanlagen bei inneren Lichtbögen (Störlichtbögen).
[E33] Albrecht,E.W.: Effektive Staffelung von Überstromzeitrelais. OMICRON Anwendertagung
2003. http://www.omicron.at/de/support/customer/appnotes/03-awt/
[E34] Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. Ausgabe Juni 2008,
BDEW
http://www.vde.de/de/fnn/dokumente/documents/rl_ea-am-ms-netz_bdew2008-06.pdf
SchutzkonzepteEmpfehlungen und Richtlinien
Fortsetzung s. nächste Folie
Dresden,18.-20. Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 40
[P11] Realisierung eines gerichteten Überstromzeitschutzes mit SIPROTEC 7SA6. S. 117-120,
Applikations-Beispiele für SIPROTEC-Schutzgeräte. SIEMENS 2005, E50001-K4451-A101-
A1, http://siemens.siprotec.de
[P4] Mittelspannungsschutz mit AWE und Steuerung. S. 21-29, Applikations-Beispiele für SIPRO-
TEC-Schutzgeräte. SIEMENS 2005, E50001-K4451-A101-A1, http://siemens.siprotec.de
[P21] -; Einfacher Sammelschienenschutz durch rückwärtige Verriegelung. S. 223-225, Applikations-
Beispiele für SIPROTEC-Schutzgeräte. SIEMENS 2005, E50001-K4451-A101-A1,
http://siemens.siprotec.de
[Cle_Ro] Clemens,H.; Rothe,K.: Schutztechnik in Elektroenergiesystemen. 3.Auflage1991, Berlin:
VDE-Verlag
[PV-Dist] Schossig,W.: Distanzschutz. VEM-Projektierungsvorschrift 3.7/3.90 vom 1.7.1990
[ÜNB-Konzept] Herrmann.H.-J.; Ludwig,A.; Föhring,H.; Kühn,H.; Oechsle,F.: German Practice of
Transmission System Protection. CIGRE 306-1 bis 12, 2007 October 15-20, Madrid
SchutzkonzepteEmpfehlungen und Richtlinien (Fortsetzung)