Zeitverkürzte Selektivitäts - Steuerung (ZSS)

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1 Zeitverkürzte Selektivitäts - Steuerung (ZSS) bei Kurzschluss und Erdschluss Anwender Leitfaden

2 Selektive Abschaltung? Ziel: Selektive Abschaltung bei minimaler Kurzschlussdauer, unabhängig in welcher Staffelebene der Kurzschluss erfolgt. Selektivität: Eine Anlage mit mehreren in Reihe geschalteten Schutzorganen ist selektiv, wenn im Kurzschlussfall nur das direkt vor der Fehlerstelle liegende Schutzorgan (Beispiel: Q22) anspricht und allein den Kurzschluss abschaltet. Nichtbetroffene Abzweige werden weiterhin versorgt. -Q11 -Q21 -Q22 -Q1 -Q2 -Q Seite 2

3 Selektivität erreicht über den kurzzeitverzögerten Kurzschlussauslöser Q61 KL T kva Q11 WL1 + 5B In = 2.500A Q21 WL1 + 5B In = 1.600A Q1 WL1 + 5B In = 1.250A Q1 WL1 + 5B In = 800A Q51 WL1 + 5B In = 60A Ikmax = 9,9 ka Ikmin = 1,1 ka Q62 VL + TM Ikmax =, ka Ikmin = 25,8 ka Ikmax = 0,8 ka Ikmin = 21,1 ka Ikmax = 27, ka Ikmin = 17, ka Ikmax = 21,2 ka Ikmin = 11,6 ka Q6 NP Einstellwerte für WL1 mit ETU5B I sd t sd I i (12*I n =) ms OFF 0 ka 00 (12*I n =) ms OFF 19,2 ka 00 (12*I n =) ms OFF 15 ka 00 (12*I n =) ms OFF 9,6 ka 200 (12*I n =) ms OFF 7,56 ka 100 Lösungsansatz: Beispiel Zeitstaffelung mit einem WL1 Dem WL wird in den einzelnen Staffelebenen eine andere Verzögerungszeit t sd gegeben. Ziel ist es, die Auslösung der vorgeordneten Leistungsschalter über die Kurzschlussdauer solange zu verzögern, bis der Leistungsschalter der dem Fehler an nächsten ist, den Kurzschluss abschaltet. Last Last Last In = 80 A Ikmax = 1, ka Ikmin = 5,5 ka In = 160 A Ikmax = 17,0 ka Ikmin = 7,0 ka In = 50 A Ikmax = 9,1 ka Ikmin =,6 ka Seite

4 Selektivität erreicht über den kurzzeitverzögerten Kurzschlussauslöser T kva Q11 WL1 + 5B In = 2.500A Ikmax = 9,9 ka Ikmin = 1,1 ka Einstellwerte für WL1 mit ETU5B I sd t sd I i (12*I n =) ms OFF 0 ka 00 Problem 1: In diesem Beispiel fehlt eine Staffelebene in der Zeitstaffelung Q21 WL1 + 5B In = 1.600A Q1 WL1 + 5B In = 1.250A Q1 WL1 + 5B In = 800A Q51 WL1 + 5B In = 60A Ikmax =, ka Ikmin = 25,8 ka Ikmax = 0,8 ka Ikmin = 21,1 ka Ikmax = 27, ka Ikmin = 17, ka Ikmax = 21,2 ka Ikmin = 11,6 ka (12*I n =) ms OFF 19,2 ka 00 (12*I n =) ms OFF 15 ka 00 (12*I n =) ms OFF 9,6 ka 200 (12*I n =) ms OFF 7,56 ka 100 Q11 und Q21 lösen gleichzeitig aus Grund: a) Keine Zeitstaffelung b) Keine Stromstaffelung möglich ist Q61 KL Q62 VL + TM Q6 NP Last Last Last In = 80 A Ikmax = 1, ka Ikmin = 5,5 ka In = 160 A Ikmax = 17,0 ka Ikmin = 7,0 ka In = 50 A Ikmax = 9,1 ka Ikmin =,6 ka Seite

5 Selektivität erreicht über den kurzzeitverzögerten Kurzschlussauslöser T kva Q11 WL1 + 5B In = 2.500A Q21 WL1 + 5B In = 1.600A Q1 WL1 + 5B In = 1.250A Q1 WL1 + 5B In = 800A Q51 WL1 + 5B In = 60A Ikmax = 9,9 ka Ikmin = 1,1 ka Ikmax =, ka Ikmin = 25,8 ka Ikmax = 0,8 ka Ikmin = 21,1 ka Ikmax = 27, ka Ikmin = 17, ka Ikmax = 21,2 ka Ikmin = 11,6 ka Einstellwerte für WL1 mit ETU5B I sd t sd I i (12*I n =) ms OFF 0 ka 00 (12*I n =) ms OFF 19,2 ka 00 (12*I n =) ms OFF 15 ka 00 (12*I n =) ms OFF 9,6 ka 200 (12*I n =) ms OFF 7,56 ka 100 Problem 2: Bei einem Kurzschluss z.b. Direkt nach Q11, muss Q11 trotzdem die Zeit t sd (00ms) warten, obwohl der Leistungsschalter den Kurzschluss sofort abschalten könnte. Ergebnis ist, die Anlage wird unnötig lange mit dem Kurzschluss belastet! Q61 KL Q62 VL + TM Q6 NP Last Last Last In = 80 A Ikmax = 1, ka Ikmin = 5,5 ka In = 160 A Ikmax = 17,0 ka Ikmin = 7,0 ka In = 50 A Ikmax = 9,1 ka Ikmin =,6 ka Seite 5

6 Selektivität durch die ZSS-Funktion? Zeitverkürzte Selektivitäts Steuerung (ZSS) bei Kurzschluss und Erdschluss Eine Lösungsmöglichkeit um die Selektivität bei Leistungsschaltern einfach und sicher zu erreichen ist die ZSS Funktion des SENTRON WL und des SENTRON VL WL ZSS CubicleBus-Modul VL COM20/21 Seite 6

7 Aufbauprinzip der ZSS-Funktion Jeder Leistungsschalter hat ein -Modul Die -Module werden miteinander verbunden Der -Ausgang ( OUT), Beispiel von den Staffelebene #2, werden mit den -Eingang ( IN), Beispiel der vorgeortneten Staffelebene #1, verbunden -Module in einer Staffelebene werden parallel geschaltet Einbindung von Kuppelschalter ist möglich Einbindung der Mittelspannung ist möglich Keine Konfiguration notwendig Seite 7

8 Prinzipieller Ablauf der ZSS-Funktion bei einem Kurzschluss Aus der Sicht von Q2: Kurzschluss erkannt Fall a) oder b) OUT Signal setzen! Ja Kurzschlussstrom im I-Bereich? Nein Auslösung nach ca. 20 ms IN Ja (Fall b) Signal erkannt? Nein (Fall a) t sd = 00 ms starten t = 50 ms starten Auslösung nach ca. 50 ms Durch ZSS kürzere Auslösezeit bei voller Selektivität Ja Kurzschluss noch vorhanden? Nein Auslösung nach ca. 00 ms* keine Auslösung * Gilt für den Referenzpunkt 12 x In. Bei kleineren Kurzschlussströmen kann die Auslösezeit länger sein Seite 8 Keine Schaltereigenzeiten bei der Auslösung betrachtet

9 Prinzipieller Ablauf der ZSS-Funktion bei einem Kurzschluss Kurzschluss erkannt! 2. OUT Signal zu vorgeordnetem Q1 setzen. Prüfen ob der Kurzschlussstrom größer gleich dem I i (Ansprechwert des unverzögerten Kurzschlussauslösers) ist? => Falls ja, erfolgt eine unverzögerte Auslösung. Prüfen ob ein IN Signal vom nachgeortnetem Q vorhanden ist? 5. Kein IN Signal vorhanden! Die Auslösung erfolgt mit der Zeit t = 50 ms 6. Ein IN Signal von Q erkannt. Es wird die Zeit t sd = 00 ms gestartet 7. Es wird geprüft ob der Leistungsschalter Q, der den Kurzschluss auch erkannt hat ( IN Signal), den Kurzschluss abgeschaltet hat. Mit ZSS wird die Auslösezeit der Leistungsschalter und somit die Belastung der Schaltanlage deutlich reduziert! Seite 9

10 Prinzipieller Ablauf der ZSS-Funktion bei einem Erdschluss Aus der Sicht von Q2: Erdschluss erkannt Fall a) oder b) OUT Signal setzen! IN Ja (Fall b) Signal erkannt? Nein (Fall a) t g = 00 ms starten t = 100 ms starten Auslösung nach ca. 100 ms Durch ZSS kürzere Auslösezeit bei voller Selektivität Ja Erdschluss noch vorhanden? Nein Auslösung nach ca. 00 ms keine Auslösung Keine Schaltereigenzeiten bei der Auslösung betrachtet Seite 10

11 Prinzipieller Ablauf der ZSS-Funktion bei einem Kurzschluss oder Erdschluss Kurzschluss ON / OFF S -IN (1) -OUT (2) SD-Time Time OFF t SD 00 ms OFF X X t SD 00 ms ON X t SD 00 ms ON X X X t SD 00 ms ON t 50 ms ON X X t 50 ms Erdschluss ON / OFF GF -IN (1) -OUT (2) SD-Time Time OFF t g 00 ms OFF X X t g 00 ms ON X t g 00 ms ON X X X t g 00 ms ON t 100 ms ON X X t 100 ms Seite 11

12 Anwendungsmöglichkeiten der ZSS-Funktion Für den Kurzschluss- und den Erdschlussfall Gewährleistung einer sehr geringen Verzögerungszeit bei voller Selektivität => typisch 80 ms bis max 90 ms (t + Mechanische Auslösung) bei Kurzschluss t = 50 ms (Verzögerungszeit) bei Kurzschluss t = 100 ms (Verzögerungszeit) bei Erdschluss ZSS lokalisiert den Ort des Kurzschlusses, bzw. Erdschlusses Reduzierung der Beanspruchungen / Schäden im Kurzschlussfall, bzw. Erdschlussfall in der Anlage und an Kabel / Leitungen Gemischter Anlagenaufbau mit WL, VL, WN (nicht für Neuanlagen) Einbeziehung von Kuppelschaltern Einbeziehung bestehender Anlagenteile (z.b. WN) Einbeziehung des Mittelspannungsschalters direkt vor dem Trafo Einsatz in weitverzweigten, dezentralen Energieversorgungsanlagen Die t Verzögerungszeit ermöglicht das Einbinden einer weiteren, nachgeordneten Schutzgeräte- Ebene ohne ZSS-Anschluß, sofern diese unverzögert auslöst Seite 12

13 Nutzen und Vorteile der ZSS Funktion Selektive Abschaltung bei minimaler Kurzschluss-, Erdschlussdauer Keine Parametrierung der ZSS Funktion notwendig. Somit sind Fehleinstellungen nicht möglich. Kabeloptimierung, da t d immer = 50 ms +5 ms (S 2 k 2 > I 2 t ist die beanspruchende Energie nur noch von I 2 abhängig, da t d = const. < 100 ms) (Blockier-)Signal wird auch gesetzt, bei Ansprechen des unverzögerter Auslöser (I-Auslöser) Nur der dem Fehlerort direkt vorgeordnete Leistungsschalter wird bei Kurzschluss und/oder Erdschluss ausgeschaltet Erhöhung der Staffelebenen, abhängig vom Typ des Auslösers und von der Leitungslänge (max. Anzahl der Staffelebenen >20 mit ETU 76B und t sd bis 000 ms) Zeitlich Begrenzung eines Störlichtbogenkurzschlusstromes auf kleiner 100 ms Schnelle Abschaltzeit des vorgeordneten Schalters bei Überspringen des Kurzschluss. ZSS - Modul ist jederzeit problemlos nachrüstbar, je nach Auslösertyp Anbindung von Geräten ohne ZSS möglich (unterste Ebene, unverzögerte Auslösung) Seite 1

14 Warum ist es wichtig einen Kurzschluss schnell abzuschalten? Kurzschluss-Auswirkung steigt mit zunehmender Zeit Thermische Belastung aller Betriebsmittel I cw bei Schaltgeräten sinkt stark ab mit zunehmender Zeit Starke dynamische Belastung der Schaltanlage Spannungseinbruch im gestörten Betrieb der anderen Verbraucher Gefahr für Personen einen elektrischen Schlag zu erhalten (berührbare, elektrisch leitende Außenflächen können Spannung führen) Gefahr für Personen vor der Schaltanlage durch heiße und schädliche Gase PE-Potential wird in der Nähe des Kurzschluss-Ortes angehoben, Gefahr für Elektronik Starke elektromagnetische Felder Beeinflussung von Hilfsstromkreisen und elektronischen Signalen Gefahr von Störlichtbogen und der Zerstörung der Schaltanlage Versagen oder Zerstören der Schaltgeräte durch Überschreiten des I cw Seite 1

15 Ermittlung der Einstellungen für t sd in einem ZSS-System Im Normalfall löst ein Leistungsschalter bei einem Kurzschluss mit der Zeit t = 50 ms aus. Die Verzögerungszeit t sd wird in einem ZSS-System nur benötigt, um das mögliche Nichtauslösung eines vorgeordneten Leistungsschalter abzufangen (Reserveschutz). (Beispiel auf der nächsten Seite ) Letzter (nachgeordneter) Leistungsschalter () mit ZSS Einstellwert für t sd = 0ms Erster vorgeordneter Leistungsschalter () mit ZSS Einstellwert für t sd = 100ms 50ms t Verzögerungszeit plus ca. 5ms typische Ausschaltzeit, bzw. 100ms mindest Signaldauer Zweiter vorgeordneter Leistungsschalter (2) mit ZSS Einstellwert für t sd = 150ms bzw. aufgerundet auf den nächst höheren Einstellwert 100ms t sd plus 5ms typische Ausschaltzeit des ersten Schalters Jeder weitere vorgeordnete Leistungsschalter (1) t sd plus max. 50ms Aktionszeit des nachgeordneten Leistungsschalters Einstellungen der Verzögerungszeit für Erdschlussauslösung sinngemäß unter Beachtung der entsprechenden Verzögerungszeit Seite 15

16 Ermittlung der Einstellungen für t sd im ZSS-System Beispiel zur Ermittlung der Staffelzeiten Für ETU25B ETU27B Für ETU 5B bis 76B Ohne ZSS Mit ZSS ZSS = ON tsd = 00 tsd = 200 => -Q11 => Lichtbogen-Löschung nach ca. Lichtbogen-Löschung nach ca = 5ms = 25ms 1 ZSS = ON tsd = 00 tsd = 150 => -Q21 => Lichtbogen-Löschung nach ca. Lichtbogen-Löschung nach ca = 5ms = 185ms 2 ZSS = ON tsd = 200 tsd = 100 => -Q1 => Lichtbogen-Löschung nach ca. Lichtbogen-Löschung nach ca = 25ms = 15ms ZSS = ON tsd = 100 tsd = 0 => -Q1 damit ist tzsi = 50 ms = aktiv Lichtbogen-Löschung nach ca. => = 15ms Lichtbogen-Löschung nach ca = 85ms tsd = 0 tsd = 0 => -Q51 => Lichtbogen-Löschung nach ca. Lichtbogen-Löschung nach ca = 5ms = 5ms 5 Mit ZSS reduzieren sich die einzustellenden Verzögerungszeiten! Seite 16

17 Technische Bedingungen Technische Anforderungen an die -Leitung: paarweise verdrillt; min. 0,75mm²; max. Länge: 00m empfohlener Typ LSYCY 2 x 0,75mm² Leitungslängen größer 00m sind möglich, dieses ist abhängig vom dem Leitungsquerschnitt und dem Schutz vor negativen Einflüssen wie elektromagnetische, oder transienten Störungen Ein IN kann mit max. 20 OUT (nachgeordnete) verbunden werden max. 20 parallel nachgeordnete Leistungsschalter Ein OUT kann mit max. 8 IN (vorgeordnete) verbunden werden max. 8 parallel vorgeordnete Leistungsschalter Das WL ZSS Modul muss immer als erstes CubicleBus-Modul an die COM15 oder an die Klemmenleiste X8 (Cubicle Bus) des WL angeschlossen werden Seite 17

18 Rücknahme des -Signals OUT bei Kurzschluss nach Beseitigung des Kurzschluss-Stromes, frühestens jedoch nach 100 ms OUT bei Erdschluss nach Beseitigung des Kurzschluss-Stromes, frühestens jedoch nach 100 ms MV OUT zur Mittelspannung nach Beseitigung des Kurzschluss-Stromes, frühestens jedoch nach 500 ms Das OUT-Singal wird spätestens nach s zurückgenommen Seite 18

19 Beispielnetz ohne Koppelschalter SENTRON WL ZSS- Modul 5 6 SENTRON WL ZSS- Modul 5 6 SENTRON WL ZSS- Modul 5 6 SENTRON WL SENTRON WL ZSS- Modul 5 6 ZSS- Modul 5 6 SENTRON VL SENTRON VL ZSS- COM2x 5 6 Geräte ohne dürfen keine Verzögerungszeit t sd haben. Seite 19

20 Beispielnetz mit Kuppelschalter ohne Abgangsschalter SENTRON WL ZSS- Modul ZSS-Modul SENTRON WL ZSS- Modul 5 6 SENTRON WL Seite 20

21 Beispielnetz mit Kuppelschalter und Abgangsschalter SENTRON WL ZSS- Modul ZSS-Modul SENTRON WL ZSS- Modul 5 6 SENTRON WL SENTRON WL ZSS- Modul 5 6 SENTRON WL ZSS- Modul 5 6 Seite 21

22 Beispielnetz mit Kuppelschalter und Abgangsschalter 1 t sd = 00 2 t sd = 00 Kuppelschalter sind eine eigene Staffelebene t sd = t sd = 100 t sd = 0 Der Anschluss bei der COM10 ist anders. Seite 22

23 Beispielnetz mit Mittelspannung Seite 2 Sperrsignal zur Mittelspannung.

24 -Modul WL Funktion über Drehkodierschalter OFF S G S+G Test Modul deaktiviert Modul nur wirksam für kurzzeitverzögerten Kurzschluss-Schutz Modul nur wirksam für Erdschluss-Schutz Modul wirksam für kurzzeit-verzögerten Kurzschlussund Erdschluss-Schutz Testposition zur Überprüfung der Funktionalität TIE BRKR Anschlussklemmen für Kuppelschalter IN Eingang für -(Sperr)Signal -> dieser Leistungsschalter erhält -Singal OUT Ausgang für -(Sperr)Signal -> dieser Leistungsschalter gibt -Singal ab MV OUT Ausgang für -(Sperr)Signal zur Meldung an die Mittelspannung (pot.freier Kontakt; 50mA bei 150V AC/DC). Mindestsignaldauer 500ms Seite 2

25 Teststellung Teststellung Drehkodierschalter : -Signal wird permanent zum vorgeordneten Leistungsschalter gesendet Modul sendet zusätzlich ein Signal an den angeschlossenen WL. Somit kann eine Kommunikationsverbindung getestet werden. (so als würde -IN Signal von nachgeordnetem Leistungsschalter kommen) Durch die Funktion Test der S-Einstellungen kann u.u. die eingestellte t sd -Zeit gefühlt werden. Bei t sd = 0 ist t = 50 ms gültig Testtaste am Modul: Kurzzeitiges Prüfen der Signalanzeigen und Ausgänge am Modul selbst. Identisch zu allen CubicleBus Modulen Seite 25

26 TIE BRKR Modul SENTRON WL Die TIE BRKR Funktion (1, 2) sorgt dafür, dass auch bei ausgeschaltetem Kuppelschalter, das IN-Signal (, ) sofort an den Ausgang OUT (5, 6) weitergeleitet wird. Ohne TIE BRKR Funktion würde das Signal nicht weiter geleitet. Seite 26

27 VL ZSS-Funktion oder VL ETU mit Drehknopf : Kurzschluss: Standardeinstellung für die S-Schutzfunktion ist = OFF. Die -Funktion muss per Kommunikation aktiviert werden. Erdschluss: Standardeinstellung für die G-Schutzfunktion ist = OFF. Die -Funktion muss per Kommunikation aktiviert werden. VL ETU mit LCD : plus Kurzschluss: Standardeinstellung ist = OFF Die S-Schutzfunktion kann über das Menu in Display oder über Kommunikation aktiviert werden. Erdschluss: Standardeinstellung ist = OFF Die G-Schutzfunktion kann über das Menu in Display oder über Kommunikation aktiviert werden. Seite 27

28 Notwendige Komponenten WL Kurzschluss Erdschluss Für ETU5B Lokale Parametrierung WL ZSS CubicleBus-Modul WL9111-0AT5-0AA0 ETU5B + + Für ETU76B Lokal- oder Fernparametrierung WL9111-0AT56-0AA0 WL9111-0AT21-0AA0 ETU76B Seite 28 Stromwandler 1200 A / 1 A

29 Notwendige Komponenten VL Kurzschluss Erdschluss VL COM20/21 ETU10* ETU10M* ETU20* ETU0M* + + VL9000-8AU00 VL9000-8AV00 ETU12* ETU22* * Mit Kommunikationsfunktion Seite 29

30 ZSS beim WL, VL, WN6 und WN1 WL / VL Funktionsweise identisch WN6 Funktionsweise identisch wie WL / VL Anschlusspunkte sind den Handbüchern der jeweiligen Schaltern zu entnehmen Bei den technischen Daten des ZSS-Systems zählt das jeweils schwächste Glied z.b.: WN6 vorgeordnet => max. parallele WN6, statt 8 parallele WL WL VL WN6 Seite 0

31 Beispiel: ZSS-Funktion beim Kurzschluss A) B) t sd = 00 ms OUT IN t sd = 00 ms OUT IN t sd = 200 ms OUT IN t = 50 ms Trip OUT t = 50 ms Trip OUT Seite 1

32 Beispiel: ZSS-Funktion beim Erdschluss A) B) t g = 500 ms OUT IN t g = 500 ms OUT IN t g = 00 ms OUT IN t = 100 ms OUT t = 100 ms OUT Seite 2

33 Beispiel: ZSS-Funktion beim Kurzschluss t sd = 00 ms OUT IN 1 Mit und ohne - Funktion in der Staffelebene t sd = ms Trip OUT 2 t sd = 0 ms t sd = 100 ms Trip t sd = 100 ms Seite

34 Liste der Abkürzungen ETU G I I cw I i I n N MV Q S t d t t sd ZSS () Electronic Trip Unit, Elektronischer Überstromauslöser Erdschutzschutz Instantanious-Auslösers, Unverzögerte Kurzschlussauslösung Bemessungs-Kurzzeitstromfestigkeit Instantanious-Kurzschluss-Strom Nennstrom Neutralleiter Mittelspannung (Medium Voltage) Leistungsschalter kurzzeitverzögerten Kurzschlussschutz Verzögerungszeit -Zeit = 50 ms (Verzögerungszeit) Verzögerungszeit für kurzzeitverzögerten Kurzschlussschutz Zeitverkürzte Selektivitäts-Steuerung (Zone Sensitive Interlocking) Kurzschluss erkannt und OUT Signal gesetzt aktiv (-Zeit = 50 ms) Seite

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Rainer Huentemeier Productmanager IC LMV LV GP ACB&F V Huentemeier / Pikulicki