Betrachtung von Kurzschlüssen in dieselgeneratorversorgten 400-VAC-

Inselnetzen

Hans-Peter VetöJürgen Marchgraber

15.02.2017

Normative Bestimmungen Problematik im Inselnetz Topologie 400-VAC-Netz Ergebnisse Resümee

Inhalt

Normative Bestimmungen

Seite 3

E 8001-1

𝑍𝑍𝑆𝑆 � 𝐼𝐼𝐴𝐴 < 𝑈𝑈𝑁𝑁; 𝑍𝑍𝑆𝑆 � 𝐼𝐼𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚< 𝑈𝑈𝑁𝑁; 𝑍𝑍𝑆𝑆 � 𝑚𝑚 � 𝐼𝐼𝑁𝑁 < 𝑈𝑈𝑁𝑁

𝑍𝑍𝑆𝑆 … Schleifenwiderstand𝑚𝑚 … Ausschaltstromfaktor𝐼𝐼𝐴𝐴 … Ausschaltstrom der vorgeschaltenen Sicherung𝐼𝐼𝑁𝑁 … Nennstrom der vorgeschaltenen Sicherung𝐼𝐼𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

… Minimaler einpoliger Kurzschlussstrom𝑈𝑈𝑁𝑁 … Nennspannung gegen Erde (230V)

𝐼𝐼𝑁𝑁 > 32 𝐴𝐴 ⇨ zulässige Ausschaltzeit beträgt 5s

Normative Bestimmungen

Seite 4

E 8007

Nullung ⇨ ein Nachweis für die Einhaltung der Ausschaltbedingung nach E 8001-1 ist rechnerisch zu erbringen

Ein Nachweis der Kurzschlussselektivität vom Hauptverteiler bis zu den Kurzschluss-Schutzeinrichtungen in den Unterverteilern der Sicherheitsstromversorgung ist zu erbringen

Erstprüfung ⇨ korrekte Auswahl der Betriebsmittel zur Erhaltung der Kurzschlussselektivität der Sicherheitsstromversorgungen ist zu prüfen

Normative Bestimmungen

Seite 5

E 8002

Nullung nur dann, wenn die Auswahl der Schutzeinrichtungen so erfolgt, dass die Abschaltung im ersten Fehlerfall zu keinem Totalausfall der Sicherheitseinrichtungen führt

⇨ selektive Auswahl und Anordnung von Schutzeinrichtungen

Alle Stromkreise der Sicherheitsstromversorgung sind so auszuwählen, dass bei Kurzschluss in einem Stromkreis der Ausfall der zugehörigen Verteilereinspeisung vermieden wird

Erstprüfung ⇨ korrekte Auswahl der Betriebsmittel zur Erhaltung der Kurzschlussselektivität der Sicherheitsstromversorgungen ist zu prüfen

Normative Bestimmungen

Seite 6

EN 60909-0 (IEC 60909-0)

𝐼𝐼b2 = 𝐼𝐼𝑘𝑘2" ; 𝐼𝐼b2E = 𝐼𝐼𝑘𝑘2𝑘𝑘" ; 𝐼𝐼b1 = 𝐼𝐼𝑘𝑘1"

𝐼𝐼𝑏𝑏 … Ausschaltwechselstrom𝐼𝐼𝑘𝑘" … Anfangskurzschlusswechselstrom

Für unsymmetrische Kurzschlüsse wird das Abklingen des Flusses in den Generatoren nicht berücksichtigt d. h. generatornahe Kurzschlüsse werden wie generatorferne Kurzschlüsse behandelt

Normative Bestimmungen

Seite 7

EN 60909-0 (IEC 60909-0)

𝐼𝐼𝑘𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚" = 𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚�𝑈𝑈𝑛𝑛

𝑘�𝑍𝑍𝑘𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛; 𝐼𝐼𝑘𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛

" = 𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛�𝑈𝑈𝑛𝑛𝑘�𝑍𝑍𝑘𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

𝐼𝐼𝑘𝑘2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚" = 𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚�𝑈𝑈𝑛𝑛

𝑍𝑍𝑘𝑘2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛; 𝐼𝐼𝑘𝑘2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛

" = 𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛�𝑈𝑈𝑛𝑛𝑍𝑍𝑘𝑘2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

𝐼𝐼𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚" = 𝑘�𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚�𝑈𝑈𝑛𝑛

𝑍𝑍𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛; 𝐼𝐼𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛

" = 𝑘�𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛�𝑈𝑈𝑛𝑛𝑍𝑍𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

𝑈𝑈𝑚𝑚 … Außenleiternennspannung𝐼𝐼𝑘𝑘" … Anfangskurzschlusswechselstrom𝑍𝑍𝑘𝑘 … Wirksame Kurzschlussimpedanz𝑐𝑐 … Spannungsfaktor

Problematik

Seite 8

𝑆𝑆𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚der Netzersatzanlagen ≪ als im Normalbetrieb

𝑆𝑆𝑘𝑘 zeitlich nicht konstant

Einfluss der Regler auf den Kurzschlussstromverlauf

Generatornaher Fehler ⇨ abklingender DC- UND AC-Anteil

Einfluss des Vorbelastungszustandes

KS-Programme ermitteln teils Ausschaltzeit über 𝐼𝐼𝑘𝑘"

EN 60909 nur bedingt für Inselnetze geeignet

Netztopologie

Seite 9

400-VAC-Netz

SV- SS

G

LS1 400A

355A

200A 160A

200A 125A

E-AY2Y 4x1x240 mm2

L=50m

KA2E-AY2Y 2x4x120 mm2

L=90m

KA1E-AY2Y 4x1x240 mm2

L=25m

SS2 SS3

Dieselgenerator400V

250kVA

LS2 800A

AV- SS

355A

E-AY2Y 4x1x240 mm2

L=25m

400A

Trafo Dyn520kV/400V

400kVA

Ergebnisse

Seite 10

Einfluss der Regler

Bis ca. 100ms kein Einfluss der Regler auf den Kurzschlussstromverlauf

Einfluss der Regler

Ergebnisse

Seite 11

Vergleich der Berechnungsmethoden

Dauerkurzschlussstrom bei zweipoligen Kurzschluss gegenüber IEC 60909 reduziert

IEC 60909-0 EMT Simulation relative Abweichung

I‘‘k1min 2,4 kA 3,8 kA 58 %

I‘‘k2min 2 kA 2,7 kA 35 %

I‘‘k3min 3,5 kA 4,4 kA 26 %

Ik1min 2,4 kA 3 kA 25 %

Ik2min 2 kA 1,6 kA -20 %

Ik3min 0,9 kA 1 kA 11 %

Ith2min(0,05 s) 2,1 kA 2,3 kA 10 %

Ith2min(0,2 s) 2,0 kA 1,7 kA -15 %

Ergebnisse

Seite 12

Stromverläufe

i3_th erreicht I“3min nicht i2_th > I“2min nach 10ms, i2_th < I“2min nach 100ms i1_th ca. I“1min nach 200ms

Legende:

125A…Sicherungskennlinie der 125A NH-Sicherung160A…Sicherungskennlinie der 160A NH-Sicherungi3_th…Thermisch gleichwertiger KS-Strom beim dreipol. KSi2_th…Thermisch gleichwertiger KS-Strom beim zweipol. KSi1t_h…Thermisch gleichwertiger KS-Strom beim einpol. KSI“3min…Anfangskurzschlusswechselstrom beim dreipol. KSI“2min…Anfangskurzschlusswechselstrom beim zweipol. KSI“1min…Anfangskurzschlusswechselstrom beim einpol. KS

I"1min; 2400A

I"2min; 2000A

I"3min; 3500A

0,001

0,01

0,1

1

10

100 1000 10000

t [s]

i [A]

i1_th

i2_th

i3_th

125A

160A

I"1min

I"2min

I"3min

I"1min; 2400A

0,001

0,01

0,1

1

10

1000 10000

t [s]

i [A]

i1_th 160A I"1min

Ergebnisse

Seite 13

Auslösezeit 1pol. KS

t ca. 150ms mit I“1min

t ca. 80ms mit i1_th

I"2min; 2000A

0,001

0,01

0,1

1

10

100 1000 10000

t [s]

i [A]

i2_th 160A I"2min

Ergebnisse

Seite 14

Auslösezeit 2pol. KS

t ca. 600ms mit i2_th

t ca. 250ms mit I“2min

I"3min; 3500A

0,001

0,01

0,1

1

10

1000 10000

t [s]

i [A]

i3_th 160A I"3min

Ergebnisse

Seite 15

Auslösezeit 3pol. KS

t ca. 4s mit i3_th

t ca. 35ms mit I“3min

Ergebnisse

Seite 16

Spannungsverlauf nach 3pol. KS

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

UA,UB,UC [kV]

t [s]

Unterspannungsschutz desGenerators greift je nachzeitlichem Einstellwert!!

Ergebnisse

Seite 17

Drehzahlverlauf nach 3pol. KS

Unterspannungsschutz desGenerators greift je nachzeitlichem Einstellwert!!

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

n [p.u.]

t [s]

Unterdrehzahl- bzw. Unterfrequenzschutzdes Generators greift nicht!!

Ergebnisse

Seite 18

Auslösezeiten 160A-Sicherung

Auslösezeiten steigen beim zwei- und dreipoligen KS gegenüber den nach Norm berechneten Werten mit I“ ⇨ Sicherstellung der max. Ausschaltzeit von 5s erforderlich?!

Auslösezeit (Ik

‘‘) gemäß Norm

Auslösezeit (Ith) gemäß EMT Simulation

absoluter Unterschied

dreipoliger Kurzschluss 0,035 s 4 s + 3,96 s

zweipoliger Kurzschluss 0,25 s 0,6 s + 0,35 s

einpoliger Kurzschluss 0,15 s 0,08 s - 0,07 s

Ergebnisse

Seite 19

3pol. RMS KS-Verlauf

ik3_maxNEP; 4,29

ik3_minNEP; 0,24; 0,78

ik3_maxPF; 4,28

ik3_minPF; 0,26; 0,80

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

ik(t) [kA]

t [s]

Vergleich NEPLAN zu PowerFactory - Leerlauf

ik3_NEP ik3_PF

Ergebnisse

Seite 20

3pol. RMS KS-Verlauf

ik3_maxmit; 3,66

ik3_minmit; 0,23; 0,81

ik3_maxohne; 4,29

ik3_minohne; 0,24; 0,78

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

ik(t) [kA]

t [s]

Vergleich mit und ohne Last (P=200kW, Q=0kVar)

ik3mit ik3_ohne

Reduktion des Anfangskurzschlusswechselstroms

Resümee

Seite 21

Sorgfalt bei der Berechnung geboten

Überschätzung des Kurzschlussstrom bei der Berechnung gemäß IEC 60909 ⇨ Unterschätzung der Ausschaltzeit

Individuelle Kurzschlussberechnungen für die diversen Schaltzustände erforderlich

Kurzschluss im Betrieb und unter Last ⇨ Reduktion der Kurzschlussströme gegenüber dem Leerlauf möglich

Ermittlung der Kurzschlussströme bei Fehlern an den Knoten (Sammelschienen) ausreichend?

Danke für Ihre AufmerksamkeitHans-Peter Vetö

Institut für Energiesysteme und Elektrische AntriebeAG: Elektrische Anlagen

Gusshausstraße 25 / E370-1Tel.: 01/58801-370120

A-1040 Wien

Mail: vetoe@ea.tuwien.ac.at Web: www.ea.tuwien.ac.at