Neue Schutzkonzepte für strombegrenzte Netze am Beispiel von HTSL- und leistungselektronischen Begrenzern

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1 ETG Fachtagung Würzburg, 2005 Neue Schutzkonzepte für strombegrenzte Netze am Beispiel von HTSL- und leistungselektronischen Begrenzern Dr. Rainer E. Krebs, Dr. Hans-Joachim Herrmann

2 Begrenzung der Netzkurzschlußströme Warum in EVU - Netzen? Errichtung neuer dezentraler Erzeuger Speicher und Netz-Kupplungen HGÜ- Konverterstation Windkraftanlagen Solaranlagen Speicherkraftwerke Biomasse Kraftwerk Solaranlagen Energiespeicher Brennstoffzellen MGÜ - SIPLINK FACTS Dezentrale Einspeisungen können dezentral die Kurzschlußbeanspruchung der existierenden Netze und deren Komponenten erhöhen. Die Bemessungwerte können überschritten werden. ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 2

3 Begrenzung der Kurzschlußströme Warum in Industrienetzen? Hohe Anforderungen an die Spannungssteifigkeit des Netzes: - Motoranläufe - Generatorstabilität Spannungsebene aus der Vergangenheit (oft 6kV) meist zu niedrig Hohe Kurzschlußströme führten zum Einbau von KS-Begrenzungsdrosseln Kurzschlußstrombegrenzer: -Keine Drosseln -Geringerer Platzbedarf -Keine Drosselverluste -Höhere Spannungssteifigkeit bei red. KS-Strom ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 3

4 Begrenzung der Netzkurzschlußströme Warum für neue Netz auf der grünen Wiese? Begrenzung der Kurzschlußströme auf Nennstrombereich im gesamten Netz Wirtschaftliche Lösungen mit neuen Netzstrukturen - Keine Leistungsschalter, nur Lasttrenner - Keine mechanische Beanspruchung durch hohe Stoßkurzschlußströme - Keine Beeinflussung von Kommunikationsleitungen bei Erdfehlern - Reduktion der Anforderungen an Erdungsanlagen - Reduktion der Anforderungen an die Stromtragfähigkeit von Kabelmänteln -- Reduktion des Gewichts und der Größe von Niederspannungsleistungsschaltern ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 4

5 Heute verfügbare Strombegrenzer Supraleiter Halbleiter Lasttrenner Lastschalter Strombegrenzer Kühlung Supraleitendes Element IGCT- Halbleiterschalter ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 5

6 Kurzschlußströme unbegrenzt und begrenzt Unbegrenzter Stoßkurzschlußstrom Unbegrenzter Kurzschlußstrom Spitzenwert des Durchlaßstroms Spitzenwert des Durchlaßstroms Spitzenwert des Laststroms HTSL-Begrenzer Halbleiterbegrenzer Lastbetrieb Kurzschluß Halbleiterschalter: HTSL-Begrenzer: Spitzenwert des Durchlaßstroms 2-5 Ir, kein Wechselstromanteil Spitzenwert des Durchlaßstroms 2-3 Ir, 50ms Wechselstromanteil ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 6

7 Möglicher Einsatz von Kurzschlußstrombegrenzern - in Längstrennung G - Begrenzung der Kurzschlußströme auf die Bemessungsströme der Schaltanlage ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 7

8 Möglicher Einsatz von Kurzschlußstrombegrenzern - bei zusätzlichen Einspeisungen G - Begrenzung der Kurzschlußströme auf die Bemessungsströme der Schaltanlage ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 8

9 Möglicher Einsatz von Kurzschlußstrombegrenzern - in Längstrennung und zusätzlichen Einspeisungen G - Begrenzung der Kurzschlußströme auf die Bemessungsströme der Schaltanlage - Höhe der Kurzschlußströme sind im gesamten Netz ein Vielfaches der Nennströme - Dauer der Kurzschlußströme bis zu einigen Sekunden Existierende Schutzsysteme können beibehalten werden ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 9

10 Möglicher Einsatz von Kurzschlußstrombegrenzern - in Abgangsfeldern G - Begrenzung der Kurzschlußströme auf die Nennströme der Abgänge - Höhe der Kurzschlußströme sind auf Nennströme der Abgänge begrenzt - Dauer der Kurzschlußströme bis zu 50ms abhängig vom Begrenzer Schutzsysteme in den Abgangsfeldern müssen getauscht werden ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 10

11 Möglicher Einsatz von Kurzschlußstrombegrenzern - in Einspeisefeldern - Begrenzung der Kurzschlußströme auf die Nennströme der Einspeisungen - Höhe der Kurzschlußströme ist auf Nennströme der Anlage begrenzt - Dauer der Kurzschlußströme bis zu 50ms abhängig vom Begrenzer Schutzsystem im gesamten MS-Netz muß getauscht werden ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 11

12 Schutz eines MS Strahlennetzes ohne Strombegrenzung Infeed - gestaffelter Überstrom-Zeitschutz Quench signal Further feeders Load t> = 900 ms t> 900 ms t> = 600 ms 51 51N t> = 300 ms 51 51N 46 - Kurzschlußdauer bis zu 2 sec erlaubt selektive Zeitstaffelung mit Staffelzeiten ms - Höhe der Kurzschlußstroms erlaubt meist Überstromzeitschutz für Phasen und Erde - Standard Applikation für ungerichteten UMZ- oder AMZ- Charakteristiken t> = 0 ms - Keine Kommunikation 51 51N 46 Load Load ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 12

13 Schutz eines MS Strahlennetzes mit Strombegrenzer Kein Überstrom, Max. 50ms KS Dauer Quenchsignal signal Further feeders Infeed t> = 900 ms t> = 600 ms 51 51N t> = 300 ms Überstrom-Zeitschutz kann beibehalten werden aber: - im Normalbetrieb ist nur der Überlastschutz aktiv - der reduzierte Kurzschlußstrom sowie die reduzierte KS Dauer muß durch Kommunikation ersetzt werden Load 51 51N 46 Anregung t> = 0 ms 51 51N 46 - dyn. Parametersatzumschaltung zu Einstellungen kleiner als Nennstrom - rückwärtige Verriegelung Load Load ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 13

14 Schutz eines MS Strahelnetzes mit Strombegrenzer Kein Überstrom, Keine Kurzschlußdauer Schneller Kommunikationsbus fast communication bus Zur Übertragung logischer Entscheidungen Halbleiter- ESI-Switch schalter Protection technology Schutztechnik - Gleiche same algorithms Algorithmen like wie ESI-Switch der Strombegrenzer (patentierte fast recognition Ortskurvenverfahren) an communication - Schnelle Detektion und Kommunikation Sensortechnik Sensor technology - Lineares linear frequency Übertragungsverhalten response up to bis 500kHz -EMV EMC geschirmt shielded ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 14

15 Zusammenfassung Einsatz von Strombegrenzern in MS-Netzen Allgemeine Auswirkungen Der Einsatz von Kurzschluß-Strombegrenzern hat weit geringere Auswirkungen auf das Schutzsystem als im allgemeinen gedacht und diskutiert. Die oft gehörte Aussage... strombegrenzte Netze sind nicht schützbar... ist falsch! Nur die Strombegrenzung in Einspeisefeldern erfordert zusätzliche Maßnahmen oder sogar den Tausch der Schutzsysteme. Kein Überstrom Keine Überstromdauer Kein Überstrom Keine Überstromdauer Liegen Kurzschlußströme im Nennbereich oder darunter, so muß der fehlende Überstrom durch weitere Netzinformationen ersetzt werden: Entweder: a) Spannung, d.h. Distanzschutz b) Strom vom Gegenende, d.h. Differentialschutz c) logische Informationen, d.h. UMZ-Schutz mit Kommunikation Ist die Kurzschlußstrom-Dauer begrenzt (z.b. 50ms) aber es ist genügend Überstrom vorhanden, so muß der Überstromzeitschutz insbesondere für den Reserveschutz um logische Informationen mit Kommunikation erweitert werden. (z.b. Rückwärtige Verriegelung) Liegt praktisch kein Grundschwingungs-Kurzschlußstrom mehr vor, so sind völlig neuartige Relais nötig, die mit schnellen Video A/D-Wandlern und schnellen Detektionsalgorithmen arbeiten und Ströme über Sensoren messen. Die Algorithmen sind patentiert, die Sensoren entwickelt. ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 15

16 Ingenieure finden immer eine wirtschaftliche Lösung ETG Fachtagung Technische Innovationen in Verteilungsnetzen 03/05 16