8. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2013

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1 Fehlerschleifenimpedanz-Messung in Niederspannungsnetzen mit Wechselrichtern (4) Stromnetze der Zukunft Maria Aigner 1 (1), Ernst Schmautzer (1), Christoph Sigl 1 (1), Thomas Wieland 1 (1), Lothar Fickert (1) (1) Technische Universität Graz, Institut für Elektrische Anlagen, Inffeldgasse 18/1, 8010 Graz, , maria.aigner@tugraz.at, The project Power Quality and Safety Requirements for People and Electrical Equipment in Smart Grid Customer Domain is supported by means of the Smart Grids ERA-Net. Kurzfassung: Durch die zunehmende Einbindung von dezentralen Erzeugungsanlagen besteht neben dem Netzparallelbetrieb oft auch der Wunsch, eine elektrische Anlage (z.b. Einfamilienhaus) als Inselnetz zu betreiben. Damit der sichere Betrieb solcher elektrischen Anlagen weiterhin gewährleistet werden kann, müssen die Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag aufrecht bleiben. Darüber hinaus müssen heute üblicherweise eingesetzte Schutzelemente (Überstromschutz-Elemente) auf deren Anwendbarkeit und Funktionalität geprüft werden. Neben Fragestellungen, welche in Zusammenhang mit der verminderten Kurzschlussleistung im Falle der Inselnetzbildung auftreten, müssen die Anforderungen hinsichtlich der Abschaltung im Fehlerfall, d.h. die Einhaltung der Ausschaltstrombedingung erfüllt sein. Heute ist es üblich, dass diese Ausschaltbedingung durch Messung der Fehlerschleifenimpedanz im Rahmen der elektrischen Überprüfung einer Anlage verifiziert wird. Dazu werden in der Regel Schutzmaßnahmenprüfgeräte eingesetzt, die neben der Fehlerschleifenimpedanz (bei Netzfrequenz) den aus der Fehlerschleifenimpedanz und der Netzspannung berechneten Ausschaltstrom angeben. Das Prüforgan kann anschließend ermitteln, ob der notwendige Ausschaltstrom mit geeigneter Charakteristik zum Fließen kommt und somit der Schutz durch Abschalten im Netzsystem TN bzw. bei der angewandten Schutzmaßnahme wie z.b. bei Nullung oder ggf. FI-Schutzschaltung gewährleistet ist. Da Wechselrichter im Gegensatz zu Transformatoren im Niederspannungsverteilernetz nur einen sehr beschränkten Kurzschlussstrom liefern können, ist es notwendig, neben der Überprüfung der Schutzmaßnahmen im Netzparallelbetrieb auch die Schutzmaßnahmen im Inselnetzbetrieb zu überprüfen und in Folge sicherzustellen. Die vorliegende Publikation stellt erste Erkenntnisse der Fehlerschleifenimpedanz- Messungen (Stand der Technik) mit normenkonformen Fehlerschleifenimpedanz- Messgeräten im Inselnetzbetrieb einer Anlage mit reduzierter Kurzschlussleistung dar. Keywords: Niederspannungsverteilernetz, Wechselrichter, Inselnetz, Kurzschlussleistung, Fehlerschleifenimpedanz 1 Jungautorin bzw. Jungautor Seite 1 von 12

2 1 Einleitung Die Erhöhung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energieträgern wie Wind oder Sonne und die damit verbundene steigende dezentrale Stromerzeugung in Niederspannungsverteilernetzen führt zu einem vermehrten Einsatz von Wechselrichtern (WR) in diesen Netzen. Für den zuverlässigen und sicheren Betrieb von elektrischen Anlagen in Niederspannungsverteilernetzen ist das Verhalten der Wechselrichter im Betriebs- sowie im Fehlerfall entscheidend. Üblicherweise wird heute die Messung der Fehlerschleifenimpedanz zur Bestimmung des Ausschaltstroms im Fehlerfall herangezogen. Die anerkannten und genormten Messkonzepte bzw. -verfahren zur Bestimmung der Fehlerschleifenimpedanz müssen auf die Anwendbarkeit und Funktionalität in Niederspannungsverteilernetzen mit vermehrter Einspeisung durch Wechselrichter und der damit gegebenenfalls einhergehenden Verminderung von Kurzschlussleistung, erhöhter Fehlerschleifenimpedanz und stärkerem Aufkommen von Stromoberschwingungen geprüft werden. Da neben dem Netzparallel- auch grundsätzlich die Option des Inselnetzbetriebs besteht, müssen beide Betriebsarten im Rahmen der Überprüfung der Schutzmaßnahmen (Fehlerschleifenimpedanz-Bestimmung) in elektrischen Anlagen von Niederspannungsverteilernetzen berücksichtigt werden. Im vorliegenden Beitrag werden auftretende Fragestellungen im Zusammenhang mit verminderter Kurzschlussleistung, erhöhter Fehlerschleifenimpedanz etc. in Wechselrichter gespeisten Inselnetzen und erste Erkenntnisse basierend auf Untersuchungen im Labor aufgezeigt und dargestellt [1], [2]. 2 Netzparallel- und Inselnetzbetrieb Die Gewährleistung des Personen- und Sachgüterschutzes und die Sicherstellung der Selektivität von Überstrom-Schutzeinrichtungen in Niederspannungsverteilernetzen sind maßgebend für den sicheren und zuverlässigen Betrieb sowohl im Netzparallel- als auch im Inselnetzbetrieb [1], [3]. Im Netzparallelbetrieb wird der für die Funktionalität in einer elektrischen Anlage installierten Überstrom-Schutzeinrichtungen (Sicherungen, Leitungsschutzschalter) notwendige Ausschaltstrom durch das vorgelagerte Netz bereitgestellt. Im Inselnetzbetrieb - insbesondere bei Einsatz von Wechselrichtern zur Nutzung erneuerbarer Energien (z.b. Photovoltaik) - einer elektrischen Anlage treten hinsichtlich der Bereitstellung von Kurzschlussleistung und des für die Funktionalität der Überstrom- Schutzeinrichtungen erforderlichen (hohen) Ausschaltstroms neue Fragestellungen auf. Die beiden zur Ermittlung der Fehlerschleifenimpedanz genannten Versorgungsfälle (Netzparallel- bzw. Inselnetzbetrieb) sind in Abbildung 1 (3-phasig) exemplarisch dargestellt. a) Netzparallelbetrieb (blaue Fehlerschleife): Versorgung der Stromverbraucher in der elektrischen Anlage durch das öffentliche Niederspannungsverteilernetz b) Inselnetzbetrieb (rote Fehlerschleife): Versorgung der Stromverbraucher in der elektrischen Anlage durch den Inselnetzwechselrichter Seite 2 von 12

3 Abbildung 1: Fehlerschleifen a) Netzparallelbetrieb (blau), b) Inselnetzbetrieb (rot) 2.1 Netzparallelbetrieb (TN-System) Im Netzparallelbetrieb ist bei hinreichend kleiner Fehlerschleifenimpedanz (Z S-Netz bestehend im wesentlichem aus der Impedanz des Transformators, den Verteilungsleitungen und den Installationsleitungen in der elektrischen Verbraucheranlage im Niederspannungsverteilernetz) die Funktionalität der Überstrom-Schutzeinrichtungen (Sicherungen, Leitungsschutzschalter) aufgrund der Bereitstellung der Kurzschlussleistung durch das Niederspannungsverteilernetz gegeben - blaue Fehlerschleife, Abbildung 1. Der Ausschaltstrom der Sicherung muss dabei so groß sein, dass in Stromkreisen mit Steckdosen bis 16 A (230V) ein ausreichend hoher Fehlerstrom fließt, um innerhalb von 0,4 Sekunden den Fehler abzuschalten. Hauptleitungen müssen aufgrund des geringeren Fehlerrisikos im Fehlerfall (Außenleiter - Außen-/Neutralleiter, Außenleiter - Leiter mit Schutzfunktion) innerhalb von 5 Sekunden abgeschaltet werden [4]. 2.2 Inselnetzbetrieb Im Inselnetzbetrieb ist das Verhalten des Inselnetz-Wechselrichters (Insel-WR) im Fehlerfall für die Funktionalität der Schutzmaßnahmen entscheidend. Die Fehlerschleifenimpedanz Z S-Insel besteht im wesentlichem aus der (Innen-)Impedanz des Inselnetz-Wechselrichters sowie der Impedanz der Installationsleitungen der elektrischen Anlage und diese sind maßgebende Faktoren zur Sicherstellung der Kurzschlussleistung im Fehlerfall - rote Fehlerschleife, Abbildung 1. Daher wird mittels Messaufbau im Labor das Verhalten eines heute repräsentativen industriell gefertigten Insel-WRs im Betriebs- bzw. Fehlerfall analysiert, sowie die Auswirkungen äußerer Einflussfaktoren wie z.b. Batteriespannung, Vorbelastung des Wechselrichters auf den Kurzschlussstrom (KS-Strom) und in Folge auf die Funktionalität der Überstrom-Schutzeinrichtungen dargestellt. Anschließend wird die Fehlerschleifenimpedanz des Laboraufbaues im Inselnetz unter Berücksichtigung verschiedener Laststufen zu unterschiedlichen Zeiten ermittelt. Anhand der erhaltenen Messwerte wird bestimmt, ob Seite 3 von 12

4 durch die Ermittlung der Fehlerschleifenimpedanz (Z S-Insel ) und den bereitgestellten Kurzschlussstrom durch den Insel-WR darauf geschlossen werden kann, ob die Funktionalität der Überstrom-Schutzeinrichtungen im Inselnetz gegeben ist. 3 Verhalten des Inselnetz-Wechselrichters im Fehlerfall 3.1 Abschaltverhalten Damit die Funktionalität der Schutzeinrichtungen (Überstromschutz-Einrichtungen) gewährleistet werden kann, muss der Kurzschlussstrom, bereitgestellt durch den Insel-WR, innerhalb der geforderten Zeit zur Auslösung der installierten Überstromschutz-Einrichtungen führen [4]. Aus diesem Grund ist im Inselnetz mit WR-Einspeisung das Kurzschlussverhalten des Insel-WRs ausschlaggebend für die Funktionalität der Überstrom-Schutzeinrichtungen. Anhand der Ergebnisse der Fehlerschleifenimpedanz-Messung (Z S-Insel ) und des Verhaltens des Insel-WRs im Kurzschlussfall (Kurzschlussstrom des Inselnetz-Wechselrichters I KS-Insel-WR ) soll in Folge durch Rechnung auf die Funktion, der in elektrischen Anlagen üblicherweise eingesetzten Überstrom-Schutzeinrichtung geschlossen werden. In Abbildung 2 ist der Kurzschlussstromverlauf des untersuchten Insel-WRs dargestellt. Der Kurzschlussstromverlauf kann in zwei zeitliche Phasen unterteilt werden. Die erste stromstärkere - Phase beginnt bei Eintritt des Kurzschlusses und dauert etwa 50 ms (ca. 2,5 Perioden) an. Abbildung 2 (links) zeigt den zeitlichen Verlauf des Kurzschlussstroms in den ersten 50 ms nach Eintritt des Kurzschlusses. Abbildung 2: Kurzschlussstromverlauf bei KS-Eintritt, 1. Phase von 0 bis 60 ms (links); Ausschnitt der 2. Phase, dargestellt von 1000 ms bis 1060 ms (rechts) In der zweiten stromschwächeren - Phase (dargestellt von 1000 ms bis 1060 ms) ist die Amplitude des Kurzschlussstroms verringert und weist einen nicht-sinusförmigen Verlauf auf, siehe Abbildung 2 (rechts). Nach ca. 3 s ab Eintritt des Kurzschlusses schaltet sich der untersuchte Insel-WR bei Weiterbestehen des Kurzschlusses ab [5]. Seite 4 von 12

5 3.2 Abhängigkeit des Abschaltverhaltens vom Ladezustand der Pufferbatterien Versuchsreihen mit unterschiedlichen Ladezuständen der Batterien zeigen den Einfluss der Batteriespannung auf das Verhalten des Insel-WRs (Nennstrom I Nenn von 21 A) im Kurzschluss. In der ersten Phase (siehe Abbildung 2 links) liegt der Effektivwert des Kurzschlussstroms der durchgeführten Messreihen in einem Bereich von etwa 3,5 x I Nenn des Insel-WR (74 A +/- 10 %), in der zweiten Phase klingt dieser auf einen Wert von etwa 2,5 x I Nenn des Insel-WR (53 A) (Effektivwerte) ab (siehe Abbildung 2 rechts). Zu erkennen ist, dass die Methode zur Berechnung des Ausschaltstroms mit der Formel I A = m I N mithilfe des Ausschaltstromfaktors m gemäß ÖVE/ÖNORM E [4] nicht direkt geeignet ist (siehe auch Kapitel 4). 4 Messprinzip Fehlerschleifenimpendanz gemäß ÖVE/ÖNORM E und ÖVE/ÖNORM E Damit die sichere Funktion der eingesetzten Überstrom-Schutzeinrichtung (Leitungsschutzschalter und Sicherungen in Niederspannungsanlagen) bei Eintritt eines Kurzschlusses sichergestellt werden kann, ist eine ausreichend große Kurzschlussleistung sowie eine kleine Fehlerschleifenimpedanz erforderlich, um eine zeitgerechte Ausschaltung zu ermöglichen. Im Niederspannungsverteilernetz muss im Fall eines Kurzschlusses ein ausreichend hoher Kurzschlussstrom fließen, der von den Überstrom-Schutzeinrichtungen detektiert wird und zu einer Auslösung innerhalb der geforderten Zeit führt [4] siehe Formel (1). (1) Z s I A U N Impedanz der Fehlerschleife, ermittelt durch Rechnung oder Messung in Ω Ausschaltstrom der jeweils vorgelagerten Überstrom-Schutzeinrichtung in A Nennspannung gegen Erde in V Setzt man alternativ für I A = m I N ein, so muss in einem Niederspannungsverteilernetz bzw. für Verteilungsleitungen mit Nennspannungen bis 400/230V die Bedingung (2) erfüllt sein. (2) I N m Nennstrom der jeweils vorgelagerten Überstrom-Schutzeinrichtung in A Ausschaltstromfaktor, der zu einer Auslösung des Leitungsschutzorgans innerhalb der geforderten Zeit führt, dimensionslos (Ausschaltstromfaktoren können der ÖVE/ÖNORM E entnommen werden) Das Messprinzip für die Messung der Fehlerschleifenimpedanz über den Spannungsabfall in einer elektrischen Anlage (TN-System) gemäß ÖVE/ÖNORM E [6] ist in Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 3: Messprinzip - Fehlerschleifenimpedanz über den Spannungsabfall [6] Seite 5 von 12

6 Die Spannung ist dabei mit und ohne variablen Lastwiderstand zu messen. Die Fehlerschleifenimpedanz ergibt sich mit: (3) Z s U 1 U 2 I R Fehlerschleifenimpedanz in Ω Spannung, die bei geöffnetem Schalter S gemessen wird in V Spannung, die bei geschlossenem Schalter S gemessen wird in V Ausschaltstrom der jeweils vorgelagerten Überstrom-Schutzeinrichtung in A 5 Messaufbau zur Bestimmung der Fehlerschleifenimpedanz im Inselnetz mit Wechselrichter Der in Abbildung 4 dargestellte Messaufbau eines 1-phasigen Inselnetzes, bestehend aus einem Inselnetz-Wechselrichter (Insel-WR), 5 kw, welcher über vier in Serie geschaltete Batterien (12 V, 60 Ah) versorgt wird, dient als Basis für die folgenden Untersuchungen. Die Versuche zur Bestimmung der Fehlerschleifenimpedanz im Inselnetz starten im Leerlauf, d.h. ohne Belastung des Insel-WRs. Anschließend wird anhand eines variablen Lastwiderstands die Belastung stufenweise von 1 kw (I Insel-WR ~ 4,4 A) bis 16 kw (I Insel-WR max. 52 A) erhöht. Abbildung 4: Messaufbau zur Bestimmung der Fehlerschleifenimpedanz im Inselnetz Z S-Insel, LS Leitungsschutzschalter, FI Fehlerstromschutzschalter, S Schalter 5.1 Fehlerschleifenimpedanz-Messung im Inselnetz unter Berücksichtigung unterschiedlicher Belastung Um eine Aussage über die erzielbaren Messergebnisse zweier, handelsüblicher Fehlerschleifenimpedanz-Messgeräte (im Folgenden SIM 1 bzw. SIM 2 genannt) zu treffen, wird die Fehlerschleifenimpedanz unter Berücksichtigung der zuvor genannten Laststufen ermittelt. Die Messreihen beginnen bei Laststufe 0 (Leerlauf des Insel-WRs) und enden bei der Laststufe 16 (ca. 16 kw), wobei eine Laststufe 1 kw entspricht. Seite 6 von 12

7 5.1.1 Messergebnisse In Abbildung 5 sind die Messergebnisse der Fehlerschleifenimpedanz im Inselnetzbetrieb sowie im Netzbetrieb (ohne Einspeisung durch den Inselnetz-Wechselrichter) bei unterschiedlicher Belastung (Laststufe 0 entspricht Leerlauf bis Laststufe 11) dargestellt. Die Messung der Fehlerschleifenimpedanz im Netzparallelbetrieb ohne Insel-WR dient zum Vergleich zu den gemessen Werten im Inselnetzbetrieb. In Abbildung 5 sind sowohl die Ergebnisse der Bestimmung der Fehlerschleifenimpedanz im Inselnetzbetrieb (Messreihe 1 und 2) als auch die Ergebnisse der Fehlerschleifenimpedanz im Netzbetrieb dargestellt. Z S in Ω 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 SIM 1 - Messreihe 1 SIM 2 - Messreihe 1 SIM 1 - Messreihe 2 SIM 2 - Messreihe 2 SIM 1 - Netzbetrieb SIM 2 - Netzbetrieb 1,00 0,50 0, Laststufe Abbildung 5: Fehlerschleifenimpedanz Z S (gemessen zwischen Außen- und Neutralleiter) bei unterschiedlicher Belastung (Laststufe 0 bis Laststufe 11) des Insel-WRs Abbildung 6 zeigt die gemessenen Fehlerschleifenimpedanzen der beiden Messgeräte für die Laststufen 12 bis Laststufe 16. Z S-Insel in Ω 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 SIM 1 - Messreihe 1 SIM 2 - Messreihe 1 SIM 1 - Messreihe 3 SIM 2 - Messreihe 3 1,00 0,50 0, Laststufe Abbildung 6: Fehlerschleifenimpedanz Z S-Insel bei unterschiedlicher Belastung (Laststufe 12 bis Laststufe 16) des Insel-WRs (Messreihe 1 und 3) Seite 7 von 12

8 Aufgrund der starken Überbelastung des Insel-WRs konnte bei Laststufe 16 nur eine einzige Messung erfolgreich durchgeführt werden (siehe SIM 2, Messreihe 3). Aufgrund des Überlastbetriebs und des Ansprechens der dem Laboraufbau vorgelagerten Schutzelemente, konnte die Fehlerschleifenimpedanz-Messung für die Laststufen 12 bis 16 im Netzbetrieb nicht durchgeführt werden Interpretation der Messergebnisse Aus Abbildung 5 geht hervor, dass die Fehlerschleifenimpedanz im Netzparallelbetrieb ohne Einspeisung durch den Inselnetz-Wechselrichter einen annähernd konstanten Verlauf aufweist. Ersichtlich ist jedoch, dass die Ergebnisse der Fehlerschleifenimpedanz- Messgeräte (SIM 1 und SIM 2) stark voneinander abweichen. Im Gegensatz dazu weisen die Ergebnisse der Fehlerschleifenimpedanz-Messung im untersuchten Inselnetz besonders starke Schwankungen auf. Für die Interpretation der Messergebnisse muss zwischen Last- (Laststufe 1 5) und Überlastbetrieb (Laststufe 6 16) des Insel-WR unterschieden werden. o Laststufe 1 bis 5 (1 kw bis 5 kw - Lastbetrieb) - siehe Abbildung 5: Fehlerschleifenimpedanz-Messgerät SIM 1: Die Messwerte nehmen bis zur Laststufe 5 sukzessive ab. Fehlerschleifenimpedanz-Messgerät SIM 2: Die Ergebnisse der Fehlerschleifenimpedanzen sind annähernd konstant. o Ab Laststufe 6 (ab ca. 6 kw - Überlastbetrieb) - siehe Abbildung 5 und Abbildung 6: Fehlerschleifenimpedanz-Messgerät SIM 1: Die Messwerte im Überlastbetrieb steigen. Fehlerschleifenimpedanz-Messgerät SIM 2: Im Überlastbetrieb kommt es zu einem starken Ansteigen der Fehlerschleifenimpedanzen und eine größer werdende Abweichung zwischen den beiden Messreihen ist ersichtlich. Bei den Messreihen 1 und 3 (SIM 1) schaltet der Insel-WR bei Laststufe 16 aufgrund der starken Überlast ab (siehe Abbildung 6). Wegen der Überlast und dem Ansprechen der dem Laboraufbau vorgelagerten Schutzelemente, konnte die Fehlerschleifenimpedanz-Messung für die Laststufen 12 bis 16 im Netzbetrieb nicht durchgeführt werden. Anhand der Messwerte ist ersichtlich, dass die Fehlerschleifenimpedanz in einem Inselnetz Z S-Insel mit Einspeisung über einen Insel-WR keinen konstanten Verlauf wie im Netzbetrieb aufweist. Zusätzlich ist zu beachten, dass zu verschiedenen Zeiten durchgeführte Messungen mit ein und demselben SIM, zu großen Abweichungen zwischen den Messwerten führen. Seite 8 von 12

9 Der Laststrom gemäß dem Thévenin-ESB, der sich aus dem Gesamtwiderstand (Fehlerschleifenimpedanz plus Lastwiderstand) des Inselnetzes bei den einzelnen Laststufen einstellt, wird anhand der Formel (4) unter Berücksichtigung der Messergebnisse der beiden Fehlerschleifenimpedanz-Messgeräte (SIM 1 und SIM 2) berechnet " (4) I Insel-WR-Rech Z S-SIM R Last Strom berechnet aus R Last und der Fehlerschleifenimpedanz Z S-Sim ermittelt mit dem jeweiligen Messgerät in A Fehlerschleifenimpedanz ermittelt mit dem jeweiligen Messgerät in Ω variabler Lastwiderstand in Ω Es ist zu beachten, dass mit zunehmender Belastung die Batteriespannung schneller abnimmt, damit ist auch der maximal mögliche Strom, den der Insel-WR liefern kann, begrenzt Gegenüberstellung der gemessenen Inselwechselrichter-Ströme mit den berechneten Werten In der nachfolgenden Abbildung 7 werden die Werte des gemessenen Stroms mit jenen des berechneten Stroms mit (4) (Thévenin-ESB) für die Laststufen 0 bis 16 gegenübergestellt. Messreihe 1: I Insel-WR in A 75,0 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 KS Laststufe Gemessen Berechnet - SIM 1 Berechnet - SIM 2 Abbildung 7: I Insel-WR, gemessene und berechneten Werte unter Berücksichtigung der Messergebnisse von SIM 1 und SIM 2 - Messreihe 1 Für den Kurzschlussfall (KS siehe Abbildung 7) wurden die gemessenen Z S-Insel -Werte bei Leerlauf und R Last = 0 Ω in die Formel (4) eingesetzt. Der gemessene Stromwert entspricht dem Kurzschluss-Strom des Insel-WRs, welcher während den ersten 50 ms (Phase 1, Abbildung 2 links) nach Eintritt eines Kurzschlusses fließt. Die Messreihen 2 und 3 liefern analoge Messergebnisse zu Messreihe 1 (siehe Abbildung 7). Seite 9 von 12

10 5.1.4 Interpretation der Gegenüberstellung der gemessenen Insel-WR Ströme mit den berechneten Werten Aus den Ergebnissen der Gegenüberstellung der gemessenen Insel-WR Ströme mit den berechneten Strömen (I Insel-WR-Rech ) der Messreihe 1 ist zu erkennen, dass bis zur Laststufe 5 die gemessenen mit den berechneten Stromwerten I Insel-WR gut übereinstimmen. Da bis zur Laststufe 5 das Verhältnis zwischen R Last zu Z S-Insel groß ist, hat die vorliegende Fehlerschleifenimpedanz eine geringe Auswirkung auf die Größe des berechneten Stroms. Ab Laststufe 6 (Überlastbetrieb) weichen die berechneten von den gemessenen Werten ab. Da ab der Laststufe 6 das Verhältnis von R Last zu Z S-Insel abnimmt, hat die Fehlerschleifenimpedanz eine größer werdende Auswirkung auf die Höhe des berechneten Stroms. Ebenfalls zu berücksichtigen ist, dass der Messfehler umso größer wird, je kleiner das Verhältnis zwischen R Last und Z S wird. Aus den vorliegenden Ergebnissen ist ersichtlich, dass mithilfe der gemessenen Fehlerschleifenimpedanz-Werte ausschließlich im Leerlauf auf die Höhe des Anfangskurzschlussstroms des untersuchten Insel-WRs geschlossen werden kann. In Abbildung 7 ist erkennbar, dass bei Kurzschluss der berechnete Strom mit dem gemessenen Kurzschlussstrom (unter Berücksichtigung der verwendeten Messgeräte und der vorliegenden Inselnetzkonfiguration) annähernd übereinstimmt. 5.2 Gegenüberstellung der gemessenen zur in der Norm geforderten Fehlerschleifenimpedanz Exemplarisch wird im Folgenden die geforderte Fehlerschleifenimpedanz für einen Leitungsschutzschalter (LS) mit 16 A und B-Charakteristik gemäß Formel (2) berechnet: & 2,88 ) (5) Das bedeutet, dass eine Fehlerschleifenimpedanz von kleiner gleich 2,88 Ω gefordert ist, damit bei einem Kurzschluss die Auslösung eines Leitungsschutzschalters mit B-Charakteristik mit 16 A Nennstrom innerhalb der vorgeschriebenen Zeit sichergestellt werden kann. Dieser Wert wird im Leerlauf bei allen durchgeführten Messreihen überschritten. Daraus folgt, dass die geforderte Abschaltbedingung nicht eingehalten wird und die Einhaltung der Schutzmaßnahme Überstromschutz nicht gewährleistet ist. Bei Sicherungen ist ein analoges Verhalten zu erkennen, zusätzlich muss dabei aber die zum Leitungsschutzschalter unterschiedliche Auslösecharakteristik beachtet werden [3]. Seite 10 von 12

11 6 Zusammenfassung Die durchgeführten Messreihen zur Ermittlung der Fehlerschleifenimpedanz im Inselnetz Z S-Insel zeigen, dass die erhaltenen Messwerte einerseits von der vorliegenden Belastung und andererseits vom verwendeten Fehlerschleifenimpedanz-Messgerät abhängig sind. Das Kurzschlussverhalten des untersuchten Inselnetz-Wechselrichters lässt sich in zwei zeitliche Phasen unterteilen. Während dieser beiden Phasen ändert sich die Amplitude des Kurzschlussstroms und damit auch die Impedanz des Insel-WRs im Kurzschlussfall (siehe Kapitel 3). Anhand der Messergebnisse des untersuchten Insel-WRs kann mit den ermittelten Fehlerschleifenimpedanz-Messwerten ausschließlich im Leerlauf auf die Höhe des Kurzschlussstroms geschlossen werden. Die Abschaltbedingung wird bei belastetem Wechselrichter nicht eingehalten, da die Wechselrichter-Innenimpedanz aus Sicht der Schutzfunktion lastabhängig und nicht konstant ist. Damit ist prinzipiell eine Aussage über die Wirksamkeit der Überstrom-Schutzeinrichtung mithilfe einer Fehlerschleifenimpedanz-Messung im Inselnetz nicht möglich. Jedoch sind weitere Messungen unter Berücksichtigung von z.b. unterschiedlichen Inselnetz- Wechselrichtern, weiteren Fehlerschleifenimpedanz-Messgeräten notwendig, um bestehende Ergebnisse verifizieren zu können. Die ersten Ergebnisse lassen jedoch darauf schließen, dass Schutzmaßnahmenprüfgeräte nach dem heutigen Stand der Technik für eine Überprüfung der Fehlerschleifenimpedanz im Inselnetz nicht geeignet sind. In Zukunft wird es weiters notwendig sein, den Einfluss der Batteriespannung auf das Verhalten der Fehlerschleifenimpedanz bei Vorliegen unterschiedlicher Belastungen zu analysieren. Seite 11 von 12

12 Literatur Sofern Verweise in der gegenständlichen Veröffentlichung nicht direkt referenziert sind, sind die angeführten Quellen als weiterführende Literatur zu verstehen. [1] M. Aigner: Beitrag zur Erhaltung der Personen- und Sachgütersicherheit in Smart Grids, Institut für Elektrische Anlagen, Technische Universität Graz, laufende Dissertation [2] Gefördertes Projekt durch Smart Grids ERA-Net (2010): Power Quality and Safety Requirements for People and Electrical Equipment in Smart Grid Customer Domain, 1. Ausschreibung, laufendes Projekt [3] M. Aigner, E. Schmautzer, Sicherheits- und schutzrelevante Aspekte im Parallel- bzw. Inselnetzbetrieb im Niederspannungsverteilernetz, e&i, Elektrotechnik & Informationstechnik, 2011 [4] ÖVE/ÖNORM E , Errichtung von elektrischen Anlagen mit Nennspannung bis AC 1000 V und DC 1500 V - Teil 1: Begriffe und Schutz gegen elektrischen Schlag (Schutzmaßnahmen), März 2010 [5] J. Pasker, Schutzkonzept und Verhalten von Wechselrichtern in Smart Grids, Diplomarbeit am Institut für Elektrische Anlagen der TU Graz, Austria, Juli 2011 [6] ÖVE/ÖNORM E , Errichtung von elektrischen Anlagen mit Nennspannung bis AC 1000 V und DC 1500 V - Teil 6-61: Prüfungen - Erstprüfungen, Juli 2001 [7] Gefördertes Projekt des Klima- und Energiefonds (2008): Personensicherheit als unabdingbare Voraussetzung für Smart Systems und verteilte Energiesysteme, 1. Ausschreibung, abgeschlossenes Projekt [8] E. Schmautzer, R. Woschitz: Sicherheit und Schutzmaßnahmen Vorlesungsunterlagen zur gleichnamigen Vorlesung am Institut für Elektrische Anlagen der TU Graz, 2010 Seite 12 von 12