Relaisschutztechnik in Elektroenergiesystemen

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1 Relaisschutztechnik in Elektroenergiesystemen Dr.-Ing. Heinz Clemens Dr. sc. techn. Klaus Rothe /. 2., durchgesehene Auflage VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung.» Aufgabe der Schutztechnik Forderungen an Schutzsysteme Problematik der Bestimmung des Schutzumfarigs Prinzipieller Aufbau des Schutzsystems Methodisches Vorgehen in der jschutztechnik Schutzkriterien Problemstellung Schutzkriterium Strom Schutzkriterium Stromdifferenz Schutzkriterium Impedanz Schutzkriterium Wirkleistungsrichtung SchützkriteriumWirkleistungsrichtirngsvergleich...' Schutzkriterium Phasenwihkeldifferenz Schutzkriterium Spannung Schutzkriterium Temperatur Schutzkriterium Ölströmungsgeschwindigkeit Weitere Schutzkriterien Vergleichende Wertung der Schutzkriterien Geräte und Meßglieder zur Verarbeitung der kriteriellen Größen Zielstellung Meßgröße Strom... ; Sicherungen Überstromrelais Begriffserläuterung Elektromagnetisches Relais Permanentmagnetisches Relais Ihduktionsrelais Thermisches Relais Elektronische Schältungen Relais mit geschütztem Kontakt" Zusammenfassende Systematisierung, Meßgröße Stromdifferenz Problemstellung «.'..., Differentialrelais mit elektromagnetischem Vergleich ( magnetische Waage") Differentialrelais mit elektrischem Vergleich ( elektrische Waage"), Meßgröße Impedanz Impedanzmeßglieder nach dem Prinzip der elektrischen Waage" Sonstige Ausführungsformen von Impedanzmeßgliedern... 69

3 Inhaltsverzeichnis Meßgröße Leistungsrichtung...., Elektrodynamisches Relais Leistungsriehtungsmeßglied nach dem Prinzip der elektrischen Waage" Elektronische Schaltungen Vorbemerkungen zum Meßprinzip \ ISr Hall-Multiplikator Ringmodulator Meßgröße Phasenwinkeldifferenz 78 Meßgröße Temperatur...'.' Mechanische Berührungsthermometer mit Schaltglied (Ausdehnungs-Kontaktthermometer) Elektrische Berührungsthermometer mit AD-Signalumformung ; Grundprinzip Metall-Widerstandsthermometer Halbleiter-Widerstandsthermometer mit Thermistoren Meßgröße Ölströmungsgeschwindigkeit. 86 Meßgröße Zeit Bedeutung für die Schutztechnik Mechanische Zeitglieder Elektronische Schaltungen Grundtypen elektronischer Verzögerungsschaltungen RC-Schaltung mit freiem Latlevorgang Transistorschaltungen mit integrierender Wirkung 91 Kombination der Meßglieder zu Schutzeinrichtungen Überblick Distanzschutzeinrichtung f Probleme des Impedanzmeßgliedes Anregestufe Zusammenwirken aller Baugruppen......' 101 Wandler zur Meßgrößenerfassung und -aufbereitung 105 Schutztechriische Forderungen 105 Induktive Wandler Ersatzschaltbild und Zeigerdiagramm , Übertragungsfehler und sonstige Kenngrößen Einfluß der Bürde auf die Betragsfehler F u, F{ im stationären Betrieb Übertragungsverhalten von Stromwandlern im nichtstationären Betrieb 112 Meßwerterfassung nach nichttransformatorischen Prinzipien Problematik 115 4^3.2. Kapazitive Spannungswandler Unkonventionelle Spannungswandler, Unkonventionelle Stromwandler / Hilfsenergiebereitstellung Problematik. : Hilfsenergiequellen 120 Auswahl und Einsatz von Objektschutzeinrichtungen. 122 Leitungsschutz 126

4 Inhaltsverzeichnis Übertragungsarten und Netzformen Fehlerarten, Fehlerhäufigkeit und Fehlerauswirkungen an Leitungen in Elektroenergiesystemen Fehlerarten Fehlerhäufigkeiten...' Fehlerauswirkungen Kurzschlußschutz in Niederspannungsnetzen Kurzschlußschütz in Mittelspannungs-Strahlennetzen durch Überstromschutzeinrichtungen Überstromzeitschutz mit unabhängiger Charakteristik Mehrstufen-Überstromschutz mit Schnellstufe Überstromzeitschutz mit verriegelter Schnellstufe Kurzschlußschutz in Mittelspannungs-Ringnetzen durch Überstromrichtungsschutzeinrichtungen Einsatzmöglichkeiten des Überstromzeitschutzes in Ringnetzen durch zusätzliches Selektivitätskriterium Probleme beim Einsatz von Richtungsrelais Einsatzgrenzen durch die tote Zone" Einsatzgrenzen bei unsymmetrischen Fehlern Überlagerung von Lastströmen oder von Rückspeisevorgän- > gen während des Kurzschlusses : Anwendung von Auswahlschaltungen Bestimmung der Größenzuordnung bei Kurzschlüssen jenseits von Transformatofen Kurzschlußschutz in Maschennetzen durch Distanzschutzeinrichtungen Selektivität im Maschennetz durch entfernungsabhängige Zeitstaffelung Impedanzeinstellung und Staffelplan Reichweite von Distanzrelais.^ Grenzen der distanzgetreuen Messung *. ': Lichtbogenwiderstand und andere Fehlerübergangswiderstände Schaltzustandsveränderungen und gegenseitige Beeinflussung bei Doppelleitungen., Fehlmessungen bei Verzweigungen im Leitungszug Doppelerdschlußerfassung Zwischenschaltzustände bei Anwendung der automatischen Wiedereinschaltung ' Einfluß der Transformatoren Einfluß von Netzpendelungen Ermittlung der Einsatzbedingungen Einsatz der automatischen Wiedereinschaltung (AWE) Gründe für den Einsatz und Einsatzmöglichkeiten Erforderliche schutztechnische Maßnahmen Schnellabschaltverfahren AWE-Einsatz in Elektroenergieversorgungsnetzen der DDR ; Kurzschlußschutz durch Vergleichsschutzeinrichtungen Übersicht zur Anwendung Meßgrößenvergleichsschutzeinrichtungen Stromlängsvergleichsschutz Spannungslängsvergleichsschutz Stromquervergleichsschutz Phasenwinkelvergleichsschutzeinrichtungen Vorteile beim Einsatz und Verfahren 182

5 10 Inhaltsverzeichnis Realisierung des Impulsvergleichsverfahrens Realisierung des Überdeckungszeitverfahrens Mischwandlereinsatz Signalvergleichsschutzeinrichtungen Signalverbindungskanäle Erdfehlererfassung in nicht wirksam geerdeten Netzen Möglichkeiten und Wirkungen der Netzsternpunktbehandlung Möglichkeiten zur selektiven Erdfehlererfassung in Netzen mit freiem Sternpunkt und mit Resonanzsternpunkterdung Dauererdschlußerfassung in Netzen mit freiem Sternpunkt Dauererdschlußerfassung in Netzen mit Resonanzsternpunkterdung über den Wirkreststrom Dauererdschlußerfassung über Oberschwingungsanteile ,9.2:4. Erdschlußerfassung unter Benutzung der Einschwingvorgänge r Strategie der Sternpunktbehandlung und der Erdfehlererfassung in den Verteilungsnetzen...., Besonderheiten bei der Einführung der niederohmigen Sternpunkterdung (NOSPE) in Verteilungsnetzen Niederohmige Sternpunkterdung ineinfachenmittelspannungs- Kabelnetzen Niederohmige Sternpunkterdung in vermaschten Hochspannungsverteilungsnetzen, Transforiuatorschutz Fehlerarten, Fehlerauswirkungen und Anforderungen an den Schutz Elektrische Fehler im Innern des Transformators Äußere elektrische Fehler Nichtelektrische Fehler Folgefehler im Transformator durch andere Netzfehler Fehlerauswirkungen..../ Anforderungen an den Schutz Kurzschlußschutz durch Differentialschutzeinrichtungen N Besonderheiten beim Transformatordifferentialschutz Falschstromstabilisierung Einschaltstabilisierung Unabhängige Verzögerung des Auslösekommandos Begrenzte Verzögerung des Auslösekommandos Einsatz von Sperrelais mit Resonanzabstimmung Einsatz von Sperrelais für die 2. oder weitere Oberschwingungen Notwendigkeit des Einsatzes von Zwischenwandlern Besonderheiten bei Dreiwicklxmgstransformatoren Besonderheiten bei Generator-Transformator-Blockbetrieb Fehlerschutz durch Strömungsschutzeinrichtungen Fehlerschutz durch Buchholzrelais.....'."; Fehlerwarnung durch Buchholzrelais Fehlerschutz und Warnung durch Täuberrelais Überlastschutzeinrichtungen Abhängiges Überstromzeitrelais Thermisches Abbild Temperaturwächter und Kontaktthermometer Spezielle Erdfehlerschutzeinrichtungen Nullspannungsrelais 219

6 Inhaltsverzeichnis. v Nullstromrelais ' Nullstromdifferentialschutz."...' Kesselschutz (Masseschutz) Reserveschutzeinrichtungen Unabhängiger Überstromzeitschutz Distanzschutz Autonomer Transformator-Reserveschutz Schutz von Transformatoren durch Schmelzsicherungen Einsatzbedingungen für den Transformatorschutz Generatorschutz..., Fehlerursachen, Fehlerarten, Besonderheiten des Schutzes Ständererdschlußschutz Fehlerauswirkungen und Schutzstrategie... '' Schutzlösungen bei Generatoren im Blockbetrieb....., Schutzlösungen bei Generatoren im Sammelschienenbetrieb Wicklungskurzschlußschutz Schieflastschutz Untererregungsschutz Windüngsschlußschutz Läufererdschlußschutz Rückleistungsschutz Zusammenwirken der Schutzeinrichtungen Sammelschienenschutz Fehlerarten, Fehlerauswirkungen und Anforderungen an den Schutz Fehlerarten und Fehlerauswirkungen Anforderungen an den Schutz Behandlung von Sammelsehienenfehlem ohne speziellen Sammelschienenschutz Abschaltung von Sammelsehienenfehlem durch den Schutz in anderen Stationen Schutz in der Kupplung und Sammelschienenschnelltrennung Anlagen- oder Sammelschienenschutz in kompakten Schaltanlagen der Verteilungsnetze, ,3.1. Lichtbogenschutz mit nichtelektrischen Kriterien ~) Lichtbogenschutz mit elektrischen Kriterien Schutzkonzeption für gasisolierte Schaltanlagen Sammelschienendifferentialschutz Differentialschutz für Einfachsammelschienen StromdifFerentialschutzeinrichtungen Spannungsdifferentialschutzeinrichtungen Differentialschutz für Mehrfachsammelschienen Phasenvergleichsschutzeinrichtungen Distanzschutz als Sammelschienenschutz Rückgreifschutz Motorschutz -s......, Schutz von Asynchronmotoren Fehlerursachen, Fehlerarten, Fehlerauswirkungen, Besonderheiten des Schutzes Schutz vor Übertemperatur. 263 ll.i:2.1. Problemstellung Ursachen für die Entstehung von Übertemperatufen 264

7 12 Inhaltsverzeichnis Schutzlösungen Thermischer Wicklungsschutz mit Halbleiter-Temperaturfühlern Überlastschutz durch Einrichtungen mit abhängiger Kennlinie Phasenausfallschutz ' ll.l^.s.^unterspannungsschutz Festsitzschutz Schutz bei inneren Fehlern Schutz von Synchronmotoren Schutz spezieller Abnehmeranlagen Schutz von Kondensatorenbatterien '. 1. Einsatz von Kondensatorenbatterien und Fehlermöglichkeiten Schutz von Kondensatorenbatterien Schutz von Erdungsreaktanzen Schutz von Stromrichtern Einsatz von Stromrichtern und Fehlermöglichkeiten Schutz von Stromrichtern Zuverlässigkeit von Schutzsystemen Bedeutung der Schutzzuverlässigkeit für den Netzbetrieb Ziel und Strategien der Zuverlässigkeitsarbeit Charakter und Kenngrößen der Betriebszuverlässigkeit Prinzip der Datenerfassung und deren Auswertung Modell zur Berechnung der strukturellen Zuverlässigkeit Zielstellung Schutzsystemspezifisches Boolesches Zuverlässigkeitsmodell Grundstrategien der Instandhaltung...., Tendenzen der Geräteentwicklung von Schutzeinrichtungen Bedeutung elektronischer Informationsverarbeitungssysteme für Schutzzwecke Einsatz des Digitalrechners für Schutzzwecke.. } Bedeutung und Grundprobleme Programmpaket... ' Zukünftig zu lösende Probleme Anhang Begriffe der Belaisschutzteehnik Grundbegriffe Begriffe für Bestandteile Begriffe für Zustände, Arbeitsweisen und Kennwerte von Relais oder Auslösern Zeitbegriffe Relaisbezeichnungen Wichtige Standards zum Gebiet Relaisschutztechnik Zusammenstellung der verwendeten Formelzeichen 313 Literaturverzeichnis Sachwörterverzeichnis 321