Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen

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1 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Christoph Klosinski

2 Agenda 1 Einleitung Grundlagen Lichtbogensimulation 2 Schutz in Gleichstromnetzen 3 Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept 4 Zusammenfassung und Ausblick Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 2

3 Agenda 1 Einleitung Grundlagen Lichtbogensimulation 2 Schutz in Gleichstromnetzen 3 Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept 4 Zusammenfassung und Ausblick Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 3

4 Einleitung Motivation Problemstellung: Vermehrter Einsatz sowie steigende Komplexität von Gleichstromsystemen Stetig steigende Anforderungen an die Schutz- und Schalttechnik Herausforderung: Reihen- sowie Parallelschaltung von z.b. Batterieoder Solarmodulen führen zu hohen Spannungen und Strömen Schnelle Fehlerklärung Selektivität Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 4

5 Einleitung Motivation Ziele: Untersuchung von Gleichstromnetzen zur Identifikation von neuartigen Schutzkriterien sowie Schutzkonzepten Ganzheitliche Betrachtung des Netzes anhand von Strom- und Spannungsmessungen an unterschiedlichen Messpunkten Parallele Auswertung der Messdaten im Fehlerfall Identifikation eines gesamtheitlichen Schalt- und Schutzkonzept zur raschen und sicheren Fehlererkennung, Fehlerbeurteilung, Fehlerortung und koordinierte Fehlerabschaltung Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 5

6 Einleitung DC-Anwendungen Quelle: batterypoweronline.com Quelle: Lufthansa AG Quelle: Volkswagen AG Quelle: itwissen.info Quelle: ABB Ltd. Quelle: Dr. Lothar Ginzkey Quelle: Salzgitter AG Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 6

7 Agenda 1 Einleitung Grundlagen Lichtbogensimulation 2 Schutz in Gleichstromnetzen 3 Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept 4 Zusammenfassung und Ausblick Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 7

8 Schutz in Gleichstromnetzen Stand der Technik im AC- und DC-Bereich Quelle: Siemens AG Quelle: Siemens AG Gibt es für alle DC-Anwendungen geeignete Schutzkomponenten? Quelle: E-T-A GmbH Quelle: Schaltbau GmbH Quelle: Eaton Corp Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 8

9 Schutz in Gleichstromnetzen Stand der Technik im AC-Bereich Netzschutzarten Überstromschutz UMZ unabhängiger Maximalstromzeitschutz AMZ abhängiger Maximalstromzeitschutz Distanzschutz Differentialschutz Leitungs-Differentialschutz Transformator-Differentialschutz Sammelschienen-Differentialschutz Auch für DC geeignet?! Frequenzschutz Überfrequenzschutz Unterfrequenzschutz Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 9

10 Schutz in Gleichstromnetzen Stand Stand der Technik: Einsatz von AC-Schaltgeräten für DC-Anwendungen in der Regel kaum möglich Einsatz von etablierter AC-Schutztechnik für Gleichstromsysteme prinzipiell möglich Vielfalt und Reife im Bereich der AC-Schutz- und Schalttechnik deutlich ausgeprägter Stand der Forschung: Forschung und Entwicklung im Bereich der Schutz- und Schalttechnik eilt neuentwickelten DC-Anwendungen meist nach Forschung an innovativen DC-Schutz- und Schaltkonzepten für das Netz der Zukunft Weiter- und Neuentwicklung von Schutztechnik für den Einsatz in Gleichstromsystemen Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 10

11 Schutz in Gleichstromnetzen Beobachtung R1 R2 R Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 11

12 Schutz in Gleichstromnetzen Beobachtung Leitung der Länge x R1 R2 R Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 12

13 Schutz in Gleichstromnetzen Beobachtung Leitung der Länge x R1 U 21,I 21 R2 U 11,I 11 U 12,I 12 U 22,I 22 R3 U 23,I 23 Augenblickswert der Spannung Augenblickswert des Stromes Stromgradient (1. Ableitung) Spannungsgradient (1. Ableitung) Impedanz Leistungsflussrichtung Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 13

14 Schutz in Gleichstromnetzen Beobachtung Leitung der Länge x R1 U 21,I 21 F R1 R2 U 11,I 11 U 12,I 12 U 22,I 22 F R2 R3 F KS Augenblickswert der Spannung Augenblickswert des Stromes U 23,I 23 F R3 Stromgradient (1. Ableitung) Spannungsgradient (1. Ableitung) Impedanz Leistungsflussrichtung Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 14

15 Schutz in Gleichstromnetzen Untersuchung der Stromgradienten bei Fehlereintritt Stromgradient-Trend bei Fehlereintritt Fehlerort di 11 /dt di 12 /dt di 21 /dt di 22 /dt di 23 /dt F R1 F R2 F R3 F KS Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 15

16 Schutz in Gleichstromnetzen Exponentieller Stromanstieg im Fehlerfall i(t)/i Nenn 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 i 1 i 2 i(t) i 2 i 1 t 2 t t in ms Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 16

17 Schutz in Gleichstromnetzen Exponentieller Stromanstieg im Fehlerfall Leitungsinduktivität begrenzt den Stromanstieg: Begrenzung wird durch die Zeitkonstante τ definiert Zeitkonstante wird durch τ = L R berechnet τ Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 17

18 Schutz in Gleichstromnetzen Entladung der Kapazitäten im Fehlerfall Stromgradient in Abhängigkeit der Kabelkapazitäten : Kapazitäten C entladen sich bei Fehlereintritt über den Fehlerort Je näher am Fehlerort, umso höher der maximale Stromgradient di/dt Entladung kann nur stattfinden, wenn U n U n 1 > 0 V U 4 U 3 U 3 U 2 U 2 U l 1 l 2 l Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 18

19 Schutz in Gleichstromnetzen Maximaler Stromgradient in Abhängigkeit der Leitungslänge l Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 19

20 Schutz in Gleichstromnetzen Maximaler Stromgradient in Abhängigkeit der Zeitkonstante Zeitkonstante τ und Stromanstiegsgeschwindigkeiten: Maximaler Stromgradient wird berechnet durch di Zeitkonstante τ ist unabhängig von der Leitungslänge dt max = U L Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 20

21 Schutz in Gleichstromnetzen Gebrauchskategorien in DC-Netzen Gebrauchskategorie DC-1 DC-6 DC-12 DC-13 DC-14 DC-31 DC-33 DC-36 DC-40 DC-41 DC-43 DC-46 typische Anwendung nicht induktive oder schwach induktive Last, Widerstandsöfen Schalten von Glühlampen Steuern von ohmscher Last und Halbleiterlast mit Trennung durch Optokoppler Steuern von Elektromagneten bei Gleichspannung Steuern von elektromagnetischer Last mit Sparwiderständen im Stromkreis Widerstandslasten Motorlasten oder gemischte Lasten einschließlich Motoren Glühlampenlast Verteilungsstromkreise aus gemischten ohmschen und induktiven Lasten nicht induktive oder schwach induktive Lasten, Widerstandsöfen Nebenschlussmotoren: Anlassen, Gegenstrombremsen, Tippen Widerstandsbremsung von Gleichstrommotoren, Schalten von Glühlampen Quelle: IEC-Gerätenorm Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 21

22 Schutz in Gleichstromnetzen Fehlerarten in DC-Netzen Mögliche Fehlerarten: Fehler innerhalb eines asymmetrisch gespeisten DC-Netzes L wird zum allgemeinen Bezugspunkt bzw. Massepunkt definiert + +L + +L + +L + +L - L - L - L - L Erde Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 22

23 Agenda 1 Einleitung Grundlagen Lichtbogensimulation 2 Schutz in Gleichstromnetzen 3 Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept 4 Zusammenfassung und Ausblick Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 23

24 Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Beispielnetz Akku Beleuchtung DC-Schalter Leitung 380 V Rechenzentrum Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 24

25 Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Stand der Technik + + ESB des 380V-Gleichstromnetzes: Netznennspannung U DC = 380 V Reihenschaltung von jeweils drei Akkus Akkuspannung U Akku ~ 125 V + + Beleuchtung Rechenzentrum Stand der Technik: Keine Selektivität Hohes Schaltvermögen von DC-Schalter erforderlich Neuartiges Schaltkonzept: + + Koordiniertes Schalten Synchrones Schalten von in Reihe geschalteten Schaltgeräten Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 25

26 Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Koordiniertes Schalten + + ESB des 380V-Gleichstromnetzes: Netznennspannung U DC = 380 V Reihenschaltung von jeweils drei Akkus Akkuspannung U Akku ~ 125 V + + Beleuchtung Rechenzentrum Stand der Technik: Keine Selektivität Hohes Schaltvermögen von DC-Schalter erforderlich Neuartiges Schaltkonzept: + + Koordiniertes Schalten Synchrones Schalten von in Reihe geschalteten Schaltgeräten Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 26

27 Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Schaltgerät I V Schalter A V U 1 U 2 V A Spannungssensor Stromsensor Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 27

28 Schaltgerät Steuereinheit Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Systembeschreibung Smart Modular Switchgear Schalter Kommunikation Softwareschnittstelle Fehlerdetektionsalgorithmus Treiberstufe Sensoren Kommunikation I/O-Module Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 28

29 Agenda 1 Einleitung Grundlagen Lichtbogensimulation 2 Schutz in Gleichstromnetzen 3 Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept 4 Zusammenfassung und Ausblick Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 29

30 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung: Etablierte Schutztechnik wird in Gleichstromnetzen bisher kaum eingesetzt Kompakte DC-Schaltgeräte oberhalb der Niederspannungsebene im Moment kaum erhältlich Untersuchung von etablierten sowie neuartigen Schutzkriterien für Gleichstromnetze Entwicklung, Konzeptionierung und Umsetzung eines modularen Schutzkonzepts zur koordinierten Fehlerfreischaltung Ausblick: Ausarbeitung von maßgeschneiderten Schutzkonzepten für unterschiedliche Gleichstromnetze Etablierung von neuartigen und intelligenten DC-Schutzkonzepten für das Stromnetz der Zukunft Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 30

31 Vielen Dank! Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 31

32 24V-Prüfstand Transformator Sicherheitsschalter S1 Draufschalter S2 Glättungskondensator B6- Gleichrichter Digitale Ablaufsteuerung Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 32

33 Untersuchungen Simulationen Simulationen in PSCAD Beispiel: Simulationsschrittweite 10 μs Zeitkonstante τ = 1 ms Aufnahme von maximalen Strom- und Spannungssteilheiten Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 33

34 Technische Randbedingungen Flussdiagramm des Fehlerdetektionsalgorithmus Strom Kontinuierliche Abtastung Spannung u(t) du/dt i(t) di/dt I²t Kritisch? Kritisch? Kritisch? Kritisch? Nein Nein Nein Nein Kritisch? Nein Ja Ja Ja Ja Ja Fehlerdetektionskriterien kombinierter Größen Koordiniertes Schalten Ja Fehler? Nein Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 34

35 Auslösezeit 3. Systembeschreibung Überstromerkennung Überlastschutz Kurzschlussschutz Verzögerter Überlastauslöser Unverzögerter Kurzschlussauslöser Fehlerbereich Grenzlastintegral: Betriebsbereich i² dt 0 1 1,13 Überstromgrenze Kurzschlussgrenze Vielfaches des Bemessungsstroms Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 35

36 4. Untersuchungen Topologien DC-Quelle 1 ~ = Fehlerdetektions einheit ~ = DC-Quelle 2 - Kommunikation - Schaltergruppe - Leitung - DC Schalter - Leiter-Leiter-Fehler - Diverse Fehlerimpedanzen - Unterschiedliche Fehlerorte Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 36 Verbraucher

37 Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Technische Anforderungen Ziel: Identifikation eines gesamtheitlichen Schalt- und Schutzkonzept zur raschen und sicheren Fehlererkennung, Fehlerbeurteilung, Fehlerortung und Fehlerabschaltung Anforderungen Auswertung in Echtzeit Flexibler Einsatz (topologieunabhängig) Selektivität Synchrones Schalten Rasche Fehlerfreischaltung Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 37