Schutztechnik

1.Fehlerarten und Auswirkungen

Das Auftreten von Fehlern beim Betrieb von elektrischen Anlagen lässt sich nie vollständig

verhindern. Es müssen daher Maßnahmen getroffen werden, um die Auswirkung von Fehlern

einzuschränken.

Fehlerfolgen:

− Direkte Zerstörung an der Fehlerstelle (Lichtbogen)

− Auswirkung auf benachbarte Anlagenteile – Folgeschäden durch thermische, mechanische

oder elektrodynamische Überbeanspruchung

Ziele der Schutztechnik:

− Weitgehende Aufrechterhaltung der Energieversorgung bei

Bei Fehlern soll nur das erforderliche Minimum an Anlagenteilen abgeschaltet werden.

− Verhinderung einer Ausbreitung der Störung

Es soll verhindert werden, dass durch Überbeanspruchung weitere Anlagenteile abgeschaltet

werden müssen

− Begrenzung der Zerstörenden Wirkung auf Betriebsmittel

Bei elektrischen Maschinen und Transformatoren können erhebliche Reparaturkosten

anfallen

Fehlerursachen:

Ursachen von Fehlern bei Generatoren oder Transformatoren sind zum Beispiel:

Alterung der Isolationsmaterialien, thermische Überlastung, Überspannungen, Schieflast usw.

Bei Sammelschienen und Leitungen werden Fehler oft durch Blitzschläge, Isolationsversager,

Vereisung, Witterungseinflüsse usw. verursacht..

Fehlerarten (Beispiele):

Erdschluss oder Erdkurzschluss: z.B.: Fehler zwischen Stator Gehäusen der SYM und der Stator

Wicklung

Windungsschluss: Schluss innerhalb einer Wicklung

Wicklungsschluss: Schluss zwischen zwei Wicklungen des Stators

Kurzschluss zwischen Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators

TABELLE 1 Fehlerarten und Auswirkungen

Nr. Fehlerart Auswirkung

1 Einsträngiger Kurzschluss Thermische und dynamische

Beanspruchung durch Kurzschlussstrom und

Stoßkurzschlussstrom

2 Zweisträngiger Kurzschluss

3 Dreisträngiger Kurzschluss

4 Zweisträngiger Kurzschluss mit

Erdberührung

5 Doppelerdschluss Spannungserhöhung, wie 1-4

6 Leiterunterbrechung Schieflast Überlast

7 Erdschluss Spannungserhöhung

Lichtbögen

8 Gehäuseschluss

(Erdschluss bei geerdeten Gehäuse

Spannungserhöhung

Lichtbögen

9 Windungsschluss Dynamische und thermische

Beanspruchung, Lichtbögen,

Eisenbrand 10 Wicklungsschluss

11 Überlast Unzulässige Erwärmung

Isolationsschäden

12 Überspannung Isolationsschäden

2. Anforderungen an Schutzeinrichtungen

Selektivität und Genauigkeit

Die genaue Erfassung der Fehlerart und des Fehlerortes ist Grundvoraussetzung damit im Fehlerfall

nur die minimal notwendigen Betriebsmittel abgeschaltet werden müssen. Außerdem müssen

Betriebsmaßnahmen (Schaltmaßnahmen) im Netz sicher von Fehlern unterschieden werden können.

Zuverlässigkeit der Schutzeinrichtungen

Die Schutzeinrichtung erkennt die auftretende Fehlerart und schaltet ab. Die Schutzeinrichtung soll

auf keinen Fall unnötig auslösen.

Bei wichtigen Schutzeinrichtungen gibt es einen Reserveschutz, der einspringt, wenn der

Hauptschutz versagt. Dieser löst dann meist mit einer zeitlichen Verzögerung und mit verminderter

Selektivität aus.

Gründe für das Fehlerverhalten von Schutzeinrichtungen:

− Fehler im Schutzrelais

− Verdrahtungsfehler

− Versagen von Leistungsschaltern

− Fehler in der Stromversorgung

− Elektromagnetische Störeinwirkungen

− Probleme bei der Erkennung von schwierigen Fehlern

Schnelligkeit des Schutzes

Die maximal zulässige Abschaltzeit bestimmt sich aus folgenden Kriterien

− Thermische und mechanische Belastbarkeit des Schutzobjekts

− Erfordernisse der Netzstabilität

Empfindlichkeit

Der Schutz muss auch auf sturmschwache Fehler reagieren, die sich nicht sehr deutlich vom

normalen Betriebszustand unterscheiden.

Wirtschaftlichkeit

Der Wirtschaftliche Aufwand für eine Schutzeinrichtung muss dem Wert und der betrieblichen

Bedeutung des Schutzobjekts angepasst sein.

Relaistechnik

Elektromagnetische Schutzrelais aber auch elektronische Schaltungen werden heute schon

weitgehend von digitalen Schutzrelais mit kostengünstigen Mikrorechnern abgelöst. Die

Analogsignale (Strom, Spannung) werden mit 200Hz bi 2000Hz abgetastet und digitalisiert mit 8 bit

oder 12 bit Auflösung vom Rechner ausgewertet.

Ein digitales Schutzrelais ist sehr anpassungsfähig, da die Schutzfunktion durch die Software

festgelegt wird.

3.Messverfahren der Schutztechnik

Alle auftretenden Fehler müssen schnell und selektiv (nur die fehlerhafte Strecke) abgeschaltet

werden. Dabei wird der Selektivität sogar eine höhere Bedeutung wie der Schnelligkeit gegeben. Die

Schutztechnik muss im Stande Sein Eine Abweichung vom Normalbetrieb zu erkennen.

Direkte Messgrößen:

− Spannung

− Strom

− Frequenz

Durch Verknüpfung von Strom und Spannung:

− Widerstände (Wirk-,Blind-, und Scheinwiderstand)

− Leitwerte (Wirk-,Blind-, und Scheinwiderstand)

− Leistungen (Wirk-,Blind-, und Scheinwiderstand)

− Leistungsrichtung

− Leistungsfaktor

Durch Bilden der zeitlichen Ableitungen:

− du/dt (Spannungsanstieg)

− di/dt (Stromanstieg)

− dP/dt (Leistungsanstieg)

− df/dt (Frequenzanstieg)

Durch Bilden von symmetrischen Komponenten:

− Nullstrom

− Nullspannung

Vergleich:

− Stromdifferenz

− Strom- oder Leistungsrichtungsvergleich

3.1. Impedanz Messung

Über einen Spannungswandler und einen Gleichrichter wird die Spannung am Messort gemessen.

Über einen Stromwandler und einen Hilfswandler wird ein Spannungssignal für den Strom am

Messort erzeugt. Die Wechselspannungen für den Strom und die Spannungen werden gleichgerichtet

und auf einen Komparator geführt. Die Ausgangsspannung Ua kippt, wenn entweder die Spannung

kleiner, oder der Strom größer wird. Das Kippen hängt also direkt mit der gemessenen Impedanz

zusammen.

Kippimedanz ZKipp=Ukipp/IKipp

Da die Messung durch den Gleichrichter winkelunabhängig ist, erscheint die Kippimpedanz in der

komplexen Zahlenebene als Kreis.

3.2 Impedanzmessung

Bei einem KS in der Nähe der Messstelle wird der Strom sehr groß und die Spannung sehr klein. Je

weiter der KS von der Messstelle entfernt ist, umso größer wird die Impedanz am Messsort. Da über

die Impedanz direkt auf die Entfernung des KS geschlossen werden kann, wird auch oft der Begriff

„Distanzmesswerk“ verwendet.

3.2. Richtungsmessung

Die beiden Hilfswandler haben je eine Spule für den Strom und die Spannungsmessung. In einem

Wandler wird die Differenz zwischen Spannung und Strom und im anderen die Summe aus Spannung

und Strom gebildet.

Durch einen Übergangswiderstand an der Fehlerstelle (Lichtbogenwiderstände) erscheint ein Fehler

weiter entfernt, wie er eigentlich ist. Um diesen Fehler zu verkleinern wird eine Lichtbogenkorrektur

eingebaut. Dazu wird bei der Spannungsmessung auch der Strom als Einflussgröße zugeschaltet.

Durch die zusätzliche Strommessung im Spannungspfad wird die Auslösekurve verschoben. Wenn

Strom und Spannungen on Phase sind, wird durch den zusätzlichen Strom im Spannungsmesskreis

die gemessene Spannung scheinbar kleiner.

Durch zusätzliche Vorwiderstände im Spannungspfad kann eine gestaffelte Auslösung realisiert

werden.

Je weiter der Kurzschluss vom Schutz entfernt ist, umso größer ist die Kurzschlussimpedanz und

damit die Auslösezeit.

Ohne den Kondensator im Spannungskreis ergibt sich die Höchste Empfindlichkeit bei einem reinen

Wirkstrom. Bei einem Leistungswinkel von 900 wird keine Richtung erkannt.

Bei einem Kurzschluss treten immer induktive Ströme mit einem Phasenwinkel von etwa 500 bis 800

auf. Um die Empfindlichkeit des Messgeräts in diesem Bereich zu erhöhen wird der Spannungszeiger

der Strommesung mit dem Kondensator um etwa 600 gedreht.

3.3 Differenzmessung

Über die beiden Hilfswandler muss das Übersetzungsverhältnis des Transformators kompensiert

werden. Solange der Strom auf beiden Seiten gleich groß ist, wird der Vergleicher keine

Ausgangsspannung ergeben. Nur ein Fehler zwischen den beiden Stromwandlern (im Trafo) führt zu

einer Ausgangsspannung.

− Leitungs- und Netzschutz

Leitungen in Niederspannungsnetzen werden durch Schmelzsicherungen und Leitungsschutzschalter

geschützt. In Mittel-und Hochspannungsnetzen können wegen der hohen Leistung keine

Schmelzsicherungen mehr eingesetzt werden. Es wird vorwiegend der Überstromschutz mit Relais

und der Distanzschutz angewendet. In nicht wirksam geerdeten Netzen wird über ein

Erdschlussrelais ein Erdschluss erkannt und gemeldet (nicht abgeschaltet).

Bei Leitungen werden folgende Fehlerzustände erfasst:

− Überstrom

− Unterspannung

− Überspannung

− Unterimpedanz

Wenn im Zuge einer Leitung mehrere Überstromrelais eingebaut sind, muss eine Selektivität für

die Abschaltung gewährleistet werden. Mit dem Staffelplan wird angezeigt, welcher Schutz nach

welcher Zeit reagiert.

Je näher der Fehler beim Generator ist, umso länger geht es, bis der Fehler abgeschaltet wird. Die

Staffelzeit beträgt üblicherweise 0,5 Sekunden.

Bei einer zweiseitigen Speisung muss das fehlerhafte Leitungsstück weggeschaltet werden. Dazu wird

jetzt am Anfang und am Ende der Leitung Strommessungen durchgeführt. Ohne

Stromrichtungserkennung ist hier keine Selektivität mehr möglich.

Der eingezeichnete Fehler wird innerhalb von 0,1 Sekunde von den Relais 2 und 3 erkannt. Wegen

der Stromrichtung löst aber nur das Relais 3 aus. Nach 0,5 Sekunden wird der Fehler vom Relais 4

abgeschaltet.

Bei parallelgeschalteten Leitungen muss keine Staffelung vorgesehen werden, da im Fehlerfall beide

Leitungen abgeschaltet werden müssen.

Beim Überstrom-Richtungs-Relais erfolgt die Auslösung nur, wenn die Zeit- und Richtungsbedingung

erfüllt sind.

Der Nachteil der Überstromrelais liegt darin, dass für die Einhaltung der Selektivität die Auslösezeit

bei generatornahen Kurzschlüssen sehr groß werden kann. Damit auch solche Fehler in „Schnellzeit“

(0,1s) abgeschaltet werden können, wird als zusätzliches Kriterium noch die Fehlerentfernung

ausgewertet (Impedanzrelais).

Beim Distanzschutz erfolgt die Anregung nicht nur über einen Überstrom, sondern auch eine

Unterimpedanz. Die Abschaltzeit hängt dabei von der Impedanz ab. Die Impedanz Sprünge müssen

so eingestellt werden, dass die Selektivität mit Sicherheit gewährleistete wird.

Der eingezeichnete Fehler wird von den Relais 4 und 3 in Schnellzeit abgeschaltete. Sollte z.B.: das

Relais 4 defekt sein, so wird die rechte Quelle nach 0,5s vom Relais 6 getrennt (Reserveschutz). Die

Relais 1 und 6 besitzen keinen weiteren Schutz. Bei Ihnen wird nach der Maximalzeit tmax unabhängig

von der Selektivität der Fehler weggeschaltet.

Bei einem nicht wirksam geerdeten Netz muss ein Erdschluss gemeldet (nicht abgeschaltet) werden.

Der Strom ist dabei kein wirksames Kriterium.

Überstromschutzrelais im Strahlnetz

Staffelung von Auslösezeiten:

Durch zeitliche Staffelung der Auslösezeit kann eine örtliche Selektivität erreicht werden. Das Relais

an der Sammelschien I wartet nach Fehlereintritt 2 Sekunden, um festzustellen, ob vorgelagerte

Relais den Fehler abschalten. Bleibt der Fehler bestehen, so liegt er zwischen SS I und II. Es kann auch

sein, dass ein vorgelagertes Relais versagt hat, dann übernimmt das Relais an SS I die

Reserveschutzfunktion.

Überstromschutzrelais im Ringnetz

Bei Ringnetzen bringt die Zeitstaffelung allein noch keine Selektivität. Hier muss zusätzlich noch die

Richtung der Kurzschlussleistung festgestellt werden. Dies geschieht mit Hilfe von „Richtungsrelais“

(Überstromrichtungsschutz). Die Auslösezeit hängt von der Leistungsrichtung des Kurzschlussstromes

ab, wie sie am jeweiligen Relaisort gesehen wird.

Funktionsschaltbilder

Anwendungsbereiche und Grenzen des Überspannungsschutzes

− Die Auslösezeiten zur Einspeisequelle hin erhöhen sich jeweils um die Staffelzeit (0,5“). Das

der Einspeisequelle am nächsten liegende Relais hat die größte Auslösezeit, obwohl bei

Kurzschlüssen nahe der Einspeisequelle die größten Kurzschlussströme auftreten.

− Der Kurzschlussstrom in lastschwachen Zeiten muss über dem höchstzulässigen

Betriebsstrom liegen

− Die Anzahl der möglichen Staffelstuffen ist begrenzt.

Hauptanwendungsgebiete sind daher Netze mit geringer Ausdehnung und geringer Vermaschung im

Nieder- und Mittelspannungsbereich.

Zonenstaffelung beim Distanzschutz

Erdschluss im nicht wirksam geerdeten Netz

Bei einem nicht wirksam geerdeten Netz muss ein Erdschluss gemeldet werden. Der Strom ist dabei

kein wirksames Kriterium.

Durch die Dreieckwicklung im Spannungswandler wird die Nullspannung gemessen. Sobald das Relais

anzieht wird der Fehler akustisch gemeldet. Die vier Voltmeter dienen zur Spannungskontrolle. Bei

der Fehlerhaften Phase geht die Sternspannung auf null, die anderen Phasenspannungen steigen auf

den verketteten Wert an.

3.4 Generatorschutz

Der Generatorschutz hat die Aufgabe den Generator vor den Folgen von inneren Fehlern durch

Entregung und netzseitiger Abschaltung zu schützen. Auch gegen äußere Fehler, die mehrere

Sekunden anstehen, muss der Generator geschützt werden.

Übersicht Generatorschutz

1 Ständerschutz

2 Spannungssteigerungsschutz

3 Rückleistungsschutz

4 Läufererdschlusssutz

5 Differentialschutz

6 Überstromzeitschutz

7 Schieflastschutz

8 Windungsschlusssutz

3.4.1. Überstromzeitschutz

Schützt den Generator vor thermischer Überlastung durch zu großen Betriebsstrom. Die

Auslösezeiten müssen relativ hoch gewählt werden (ca. 3s bis 8s), da der Generator bei

außenliegenden Fehlern erst als letztes Glied der Energieversorgung abgeschaltete werden soll.

Er ist auch als Reserverschutz für alle anderen Schutzeinrichtungen wirksam.

3.4.2. Ständererdschlussschutz

Die häuften Fehler, die im Generator auftreten, sind Erdschlüsse. Der dabei fließende Strom ist zwar

kleiner als bei Kurzschlüssen, er kann aber Wicklungsschlüsse verursachen und das Blechpaket

zerstören. Ein Erdschluss im Stator muss daher schnell erfasst und abgeschaltete werden.

Als Messkriterien werden die Verlagerungsspannungen und der Erdschlussstrom herangezogen.

Im Normalbetrieb fließt wegen der Hochohmigkeit des Generatorsternpunktes kein Strom über RS

und damit ist UM <<. Tritt am Generatorsternpunkt ein Erdschluss auf, fließt ein Strom über RS und

die Unsymmetrie der Induktivität führt zu einer Spannung UM.

Tritt an einer Phase ein Erdschluss auf, verschiebt sich der Sternpunkt und es kommt wieder zu einer

Spannung UM.

Für eine selektive Erfassung des Erdschlussfehlers muss noch eine Richtungserkennung eingebaut

werden um eindeutig festzulegen, ob der Fehler im Generator oder im Netz liegt.

Da die Induktivität in der 3. Phase (L3) etwas kleiner ist, wie die Induktivitäten in den anderen

Phasen, fällt dieser Sternpunkt nicht mit dem Netzsternpunkt MP zusammen.

3.4.3 Differentialschutz

Der Differentialschutz schaltet alle zwei- und dreisträngigen Kurzschlüsse, die innerhalb des

Schutzbereiches liegen, in Schnellzeit ab.

Funktion

Im normalen Betriebszustand eine Betriebsmittels sind die Ein- und Ausgangsströme nahezu gleich

groß (Sie sind nur um die Verluste reduziert). Bei einem inneren Fehler ist dieses Gleichgewicht

gestört. Wird die Differenz zwischen Ein- und Ausgangsstrom gemessen, so kann ein innerer Fehler

festgestellt werden. Wird eine bestimmte maximal zulässige Stromdifferenz überschritten, wird der

Generator vom Netz getrennt.

Zu den „inneren Fehlern“, bei denen eine Abschaltung erfolgen muss, gehören:

− Kurzschlüsse zwischen Stator Wicklungen

− Stator Erdschlüsse

− Kurzschlüsse und Erdschlüsse außerhalb des Gehäuses, jedoch innerhalb des

Schutzbereiches (z.B.: an Durchführungen oder Zuleitungen).

Bei allen anderen Betriebszuständen (z.B.: Fehlern außerhalb des Schutzbereiches) darf es

nicht zu Fehlauslösungen kommen.

Der Vorteil des Differentialschutzes ist seine strenge Selektivität und er schaltet in minimal möglicher

Zeit ab.

Nachteil: bei einem Ausfall des Schutzes ist der betroffene Abschnitt ungeschützt. Es muss ein

zusätzliches Schutzsystem installiert sein (z.B.: Überstromschutz). Überlast kann vom

Differenzialschutz nicht erkannt werden.

Eine wirtschaftliche Anwendung ist nur für örtlich begrenzte Betriebsmittel möglich, da

Verbindungsleitungen zwischen den Messgliedern nötig sind.

Einsatzgebiet: Generatoren, Transformatoren, Sammelschienen, kurze Leitungen

3.5 Läufererdschlussschutz

Die normal erdfreie Läuferwicklung wird über eine kleine Wechselspannung (24 V) mit Erde

verbunden. Sobald im Läufer ein Erdschluss auftritt, beginnt ein Strom zu fließen.

3.6. Schieflastschutz

Wenn eine unsymmetrische Last über längere Zeit ansteht, erzeigt das Gegensystem im Stator Strom

im Läufer sehr hohe Induktionsspannungen. Das Drehfeld des Gegensystems dreht sich mit doppelter

Synchrondrehzahl gegenüber der Wicklung im Läufer. Die Gegenkomponente im Drehstrom kann

man messtechnisch ermitteln:

Mit den beiden Stomwandlern und den niederohmigen Widerständen RB1 und RB2 wird ein

Spannungsabbild der Ströme �� bzw. �� erzeugt. Der Messstrom ��� liegt in Phase zum Strom ��,

der Messstrom ��� eilt durch das R3C3- Glied dem Strom �� um 600 vor.

Durch das niederohimge Relais fließt der Gesamtstrom�� � ��� ����.

Bei der Umrechnung in symmetrische Komponenten wurde Folgender Zusammenhang gefunden:

Wenn man davon ausgeht, dass es kein Nullsystem gibt:

In der Messschaltung wird der Strom �� � �� ��� ∙ �� � erzeugt (��

�� ���).

Der Strom über das Relais entspricht der Stromkomponente im Gegensystem.

3.7. Windungsschlussschutz

Bei einem Windungsschluss entstehen in den kurgeschlossenen Windungen unzulässig große Ströme.

Von einem Stromwandler in der Zuleitung des Stators können diese Ströme nicht gemessen werden.

Wegen der fehlenden Windungen in einer Wicklung ergeben sich jedoch unsymmetrische

Spannungsverhältnisse, die man erfassen kann. Es kommt zu eine Nullsystem in der Spannung, dass

über einen Spanunngswandler erfasst werden kann.

4. Transformatorschutz

Beim Transformator werden die gleichen Schutzeinrichtungen wie beim Generator verwendet.

4.1. Gehäuseschlusssutz

Dazu wird der Transformator isoliert aufgestellt und das Gehäuse über einen Stromwandler geerdet.

Bei einem Gehäuseschluss kann so gegen Erde fließender Strom gemessen werden.

4.2 Buchholzschutz

Im Transformator befindet sich Öl zur Isolation und zur Kühlung. Oben am Transformator befindet

sich ein Ausgleichsbehälter für das Öl.

Bei einer Glimmentladung in einer Wicklung wird durch eine chemische Reaktion Wasserstoffgas

erzeugt. Dieses Gas sammelt sich im Dom des Buchholzschutzes und führt zu einer Absenkung des

Ölniveaus. Wenn der Ölstand unter eine gewisse erste Marke fällt, wird eine Warnung ausgegeben.

Bei einem Lichtbogen im inneren des Trafos beginnt das Öl zu verdampfen. Es entsteht eine starke

Ölströmungen in Richtung des Ausgleichsgefäßes. Es ist eine Klappe eingebaut, die bei zu starken

Strömungen im l eine sofortige Abschaltung bewirken.

Eine besser Überwachung des Transformators erfolgt über eine dauernde Messung des H2-Gehalts im

Öl-

4.3. Differentialschutz

Für den Differentialschutz des Transformators ergeben sich zwei Unterschiede gegenüber dem

Generator.

− Das Übersetzungsverhältnis des Trafos muss beim Stromvergleich berücksichtigt werden.

− Beim Einschalten des Trafos entstehen hohe Einschaltströme, die u. U. zu einer

Fehlauslösung führen können.

5. Sammelschienenschutz

Fehler an der Sammelschiene führen zu sehr hohen Kurzschlussströmen. Eine Fehlerabschaltung

muss daher schnell erfolgen.

In alle Abzweigungen der Sammelschiene wird ein Stromwandler eingebaut. Die Summe aller Ströme

ist Null, wenn kein Fehler vorherrscht oder der Fehler außerhalb der Sammelschien liegt. Ein Fehler

direkt an der Sammelschiene wird erkannt und abgeschaltet.