Besondere Vorteile der digitalen

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1 Synchrongenerator ein besonderes Schutzobjekt Aktueller Stand der Schutztechnik für elektrische Hochspannungsmaschinen AUF EINEN BLICK Der Synchrongenerator gehört zu den wichtigsten Betriebsmitteln elektrischer Energiesysteme. Wenn es um Generatoren sehr großer Leistung geht, ist es gerechtfertigt, ihm besonders große Aufmerksamkeit als Schutzobjekt zu widmen. Im Vergleich zu anderen Maschinenarten sind sie einer sehr viel größeren Anzahl verschiedener Fehler und Störungen ausgesetzt. Mit dem Einsatz moderner Digitaltechnik in den Schutzeinrichtungen elektrischer Maschinen wurde es möglich, die Schutzanforderungen im Hinblick auf bessere Verfügbarkeit und Ansprechempfindlichkeit, optimale Ansprechkennlinien und höhere Funktionszuverlässigkeit zu erfüllen, ohne das Betriebsverhalten der Maschinen zu beschränken. Quelle: Schobert Besondere Vorteile der digitalen Schutztechnik gegenüber der analogen Ausführung liegen in ihrer Multifunktionalität: Neben den einzelnen Schutzaufgaben übernimmt sie zusätzliche Funktionen, wie Überwachungs- und Messfunktionen, Selbstüberwachung und Störwerterfassung. Bei der Wahl des Schutzumfangs für elektrische Maschineneinheiten entscheidet man zwischen dem Kostenaufwand für das Schutzsystem (inklusive Messwandler, Kommunikationsverbindungen usw.) und der Bedeutung der Maschine für die Sicherheit der Elektroenergieversorgung (Synchrongeneratoren) bzw. des technologischen Prozesses in Industrieanlagen (Drehstrommotoren). Im Laufe der Zeit wurden deshalb in Abhängigkeit von Maschinenleistung und Betriebsart Empfehlungen für die Anzahl der Schutzfunktionen erarbeitet, was im Folgenden anhand des Schutzes von Generatoren und Hochspannungsmotoren veranschaulicht wird. 1) Zwei Varianten digital-elektronischer Schutzeinrichtungen Synchrongeneratoren und Hochspannungsmotoren mittlerer und großer Bemessungsleistung (Bild 1) waren schon immer Schutzobjekte von spezieller Bedeutung, unabhängig davon, welche Schutzeinrichtungen zur Verfügung standen, d. h. ob elektromechanische, analog-elektronische oder wie dies gegenwärtig der Fall ist digitalelektronische Schutzgeräte eingesetzt werden [1]. Mit der Einführung leistungsfähiger Mikroprozessoren wurde es möglich, durch ein einzelnes Gerät eine größere Anzahl von Schutzfunktionen zu realisieren und zusätzliche Aufgaben im fehlerfreien Betriebszustand der überwachten Maschine zu übernehmen. Diese Eigenschaft hatten elektromechanische Schutzrelais nicht; auch Schutzgeräte in analog-elektronischer Ausführung konnten diese Aufgaben nur in einem begrenzten Umfang erfüllen. Gegenwärtig kommen zwei grundsätzlich verschiedene Ausführungsvarianten von multifunktionalen digitalelektronischen Schutzeinrichtungen zum Einsatz: Die erste Variante ist objektorientiert: Der zu schützenden Maschine werden in Abhängigkeit von ihrer Bedeutung ein oder mehrere Schutzgeräte mit verschiedenen, von vornherein festgelegten Schutzfunktionen zugeordnet. Die zweite Ausführungsvariante ist dagegen frei programmierbar, d. h. ein und dasselbe Schutzgerät kann für verschiedene Betriebsmittel angewendet werden und die einzelnen Schutzfunktionen lassen sich beliebig aktivieren. Zu den grundsätzlichen Fehlererfassungskriterien in elektrischen Maschi- Synchronmaschine, Blick in das Innere einer Windkraftanlage 1) Der Schutz elektrischer Maschinen wird ausführlich in dem von denselben Autoren verfassten Buch»Elektrische Schutzeinrichtungen in Industrienetzen und -anlagen«behandelt [2], das in diesem Monat im Hüthig & Pflaum Verlag erscheint. 70 de 12/2008

2 nen gehören eine Reihe von verschiedenen elektrischen und physikalischen Parametern (siehe dazu Kasten Fehlererfassung auf dieser Seite). Zur Übertragung von Messgrößen von der geschützten Maschine zur Schutzeinrichtung werden hauptsächlich konventionelle Strom- und Spannungswandler eingesetzt, d. h. Wandler mit geschlossenen Eisenkernen, die so dimensioniert werden müssen, dass die Strom- und Spannungsverläufe formgetreu übertragen werden. Das ist besonders wichtig für die Stromwandler, die bei hohen Kurzschlussströmen durch den Anteil der Gleichstromkomponente u. U. in die Sättigung getrieben werden [2] [3]. Bei extrem ungünstigen Kurzschlussverhältnissen werden anstelle der üblichen Wandler der Genauigkeitsklasse 5P modifizierte Schutzstromwandler der Klassen TPX, TPY oder TPZ eingesetzt, die ein wesentlich günstigeres transientes Übertragungsverhalten aufweisen. Diese Wandlerklassen finden hauptsächlich bei Generatoren großer Leistung (über 200MW) Anwendung. Mit der Einführung der digitalelektronischen Schutzgeräte, deren Leistungsbedarf in den Wechselstrommesskreisen im Vergleich zu analogen Schutzrelais sehr gering ist, wurden auch leistungsarme Messsensoren entwickelt, die in Mittelspannungsanlagen anstelle von Messwandlern immer häufiger eingesetzt werden [4]. Das bezieht sich jedoch vorerst nur auf den Motorschutz. Zur direkten Temperaturüberwachung der Maschinen werden ergänzend zu den klassischen Schutzmethoden weiterhin PTC-Temperaturfühler in Verbindung mit Auslösegeräten angewendet, die in den Nuten bzw. Wicklungsköpfen angebracht sind. Fehlerarten und Schutzfunktionen von Synchrongeneratoren FEHLERERFASSUNG Überstrom (zur Erfassung von Kurzschlüssen, Überlastungen, Erdschlüssen) Stromdifferenz (Kurzschlusserfassung) Über- und Unterspannung Impedanz, Admittanz (Erfassung von Untererregung von Synchronmaschinen) Gegenstromkomponente (Erfassung von Stromunsymmetrien) Temperaturanstieg im Ständer und Läufer Frequenzsteigerung oder -rückgang. Der Synchrongenerator gehört zu den wichtigsten Betriebsmitteln elektrischer Energiesysteme (Bild 2). Es ist deshalb gerechtfertigt, ihm besonders große Aufmerksamkeit als Schutzobjekt zu widmen, vor allem dann, wenn es um Generatoren großer oder sehr großer Leistung geht. Im Vergleich zu anderen Maschinenarten sind Synchrongeneratoren einer sehr viel größeren Anzahl verschiedener Fehler und Störungen ausgesetzt, die entweder direkt im Generator entstehen können oder im äußeren Netz hervorgerufen werden. Im Folgenden sind die Fehlerarten zusammengestellt, die den Generator gefährden und die durch die elektrischen Schutzeinrichtungen erfasst werden müssen. Vernachlässigt wurden Fehler, die nur die Antriebsmaschine gefährden, z.b. der Übergang vom Generator- zum Motorbetrieb infolge der Dampfzufuhrunterbrechung bei Dampfturbinen. Man unterscheidet dabei zwischen: Innere Fehler im Ständer: Erdschlüsse Wicklungskurzschlüsse Windungsschlüsse Innere Fehler im Läufer: Erdschlüsse Äußere Fehler: Kurzschlüsse im äußeren Netz Schieflast Untererregung Übererregung Ständerüberlast Läuferüberlast Spannungssteigerung Frequenzsteigerung (Überdrehzahl) Frequenzrückgang (Unterdrehzahl) Außertrittfallen. Der Schutzumfang ist von vielen Faktoren abhängig, wobei die Bemessungsleistung des Generators sowie das Verhältnis dieser Leistung zur Gesamtleistung des angeschlossenen Netzes eine erstrangige Rolle spielt. Als weitere Faktoren sind zu erwähnen: Betriebsart (Sammelschienen- oder Blockbetrieb), SCHUTZUMFANG FÜR SYNCHRONGENERATOREN Schutzart Generator-Bemessungsleistung in MVA < > 200 Differentialschutz o x x x Ständererdschlussschutz 90% x x x x Ständererdschlussschutz 100% x x Überstromzeitschutz x x Impedanzschutz x x Läufererdschlussschutz o x x x Schieflastschutz x x x Untererregungsschutz o x x x Übererregungsschutz o x x Außertrittfallschutz o x Ständerüberlastschutz x x x x Läuferüberlastschutz o x Spannungssteigerungsschutz x x x Spannungsrückgangsschutz 1) x x x Frequenzsteigerungsschutz x x x x Frequenzrückgangsschutz x x x Rückleistungsschutz 2) x x x x Tabelle 1: Empfohlener Schutzumfang von Synchrongeneratoren, Legende: x = empfohlen, o = optional 1) nur in Pumpspeicherwerken (bei Betrieb als Motor) 2) schützt die Antriebsmaschine de 12/

3 Quelle: Elektrotechnik, Fachstufe 1 und 2 Westermannverlag FEHLERARTEN Fehlerart Kurzschlussschutz Erdschluss der Ständerwicklung Phasenausfall, Leiterunterbrechung Thermische Überlastung des Ständers Thermische Überlastung des Läufers Spannungsrückgang Unterstrom 1) Schutzfunktion Überstromschutz Differentialschutz Erdschlussstromschutz Erdschlussrichtungsschutz Erdschlussspannungsschutz Schieflastschutz Thermischer Überlastschutz Temperaturwächter (RTD) Anlaufstromschutz Wiedereinschaltsperre Unterspannungsschutz Unterstromschutz Tabelle 2: Fehlerarten und Schutzfunktionen von Hochspannungs- Asynchronmotoren, 1) Überbeanspruchung leerlaufender Antriebe (nur für Pumpen- und Kompressorantrieb) Bild 1: 750-MVA-Drehstrom-Synchrongenerator SCHUTZUMFANG FÜR ASYNCHRONMOTOREN Schutzfunktion Bemessungsleistung in MW <0,5 0, >2 Überstromschutz x x x Differentialschutz Erdschlussschutz x x x Schieflastschutz x x x Ständerüberlastschutz x x x Anlaufstromschutz x x x Wiedereinschaltsperre x x Unterspannungsschutz x x Unterstromschutz 1) x x Temperaturwächter (RTD) x x Tabelle 3: Schutzumfang für Hochspannungs-Asynchronmotoren 1) nur für Pumpen- und Kompressorantriebe x Erregersystem, Eigenbedarfsanlage, Antriebsmaschine (Dampf- oder Gasturbine, Dieselmotor). Aus diesem Grunde ist eine exakte Standardisierung unmöglich, deshalb wird der Schutzumfang aufgrund der angesammelten Erfahrungen in verschiedenen Ländern unterschiedlich gestaltet; im deutschsprachigen Raum werden die Lösungen empfohlen, die in Tabelle 1 dargestellt sind [5]. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit werden die Schutzeinrichtungen redundant ausgeführt, d. h., jeder Generator mittlerer oder großer Leistung wird durch zwei voneinander vollständig unabhängige und potentialmäßig getrennte Schutzsysteme geschützt, die von eigenen Messwandlern gespeist werden und mit eigenen Hilfsspannungseinheiten ausgestattet sind [1] [2]. Fehlerarten und Schutzfunktionen von Hochspannungsmotoren Bei Hochspannungsmotoren unterscheidet man zwischen Hochspannungs-Asynchronmotoren und Hochspannungs-Synchronmotoren. Bei beiden Motorentypen können die gleichen Fehlerfälle auftreten, wobei beim Hochspannungs-Synchronmotor noch das Syndrom des Außertrittfallens vorkommen kann. Hochspannungs-Asynchronmotoren HS-Asynchronmotoren unterliegen sowohl elektrischen als auch mechanischen Beanspruchungen, die durch innere und/ oder äußere Fehler verursacht werden können. Zu den inneren Fehlern gehören: Wicklungs-, Windungs- und Erdschlüsse (bzw. Erdkurzschlüsse in Netzen mit niederohmiger Sternpunkterdung), mechanische Schäden, z.b. Blockierung des Läufers bei Motoranlauf, Lagerschäden. Zu den äußeren Fehlern und Störungen zählen vor allem thermische Überlastungen, verursacht durch Leiterunterbrechungen (Phasenausfall), mechanische Überlast in der Antriebsmaschine, Ausfall der Kühlung, Spannungsrückgang, unsymmetrische Spannung, unzulässig lange Anlaufzeit, zu häufiges Wiedereinschalten und zu kurze Pausenzeiten. 72 de 12/2008

4 Quelle: Elektrotechnik, Fachstufe 1 und 2 Westermannverlag Bild 2: Synchrongenerator (Innenpolmaschine) Die Auswirkungen der einzelnen Fehlerarten auf den Motor bzw. die angetriebene Maschine oder andere Betriebsmittel im gleichen Netz zeigen sich unterschiedlich. Deshalb muss der Motor bei bestimmten Fehlern möglichst schnell abgeschaltet werden, z. B. bei Kurzschlüssen. Andere Fehler dagegen erlauben ein zeitbegrenztes Weiterbetreiben (z. B. bei geringer Überlastung), jedoch unter der Bedingung, dass der anormale Betriebszustand dem Bedienungspersonal frühzeitig durch den Schutz gemeldet wird. Tabelle 2 gibt eine Übersicht über die möglichen Fehlerarten in HS-Asynchronmotoren und die ihnen zugeordneten Schutzfunktionen [2]. Bei der Wahl der Schutzfunktionen zur Erfassung von Kurzschlüssen und Erdschlüssen entscheidet man sich jeweils nur für eine der aufgeführten Varianten, z.b. entweder für den unverzögerten Überstromschutz oder den Differentialschutz für den Kurzschlussschutz. Auf den Umfang der angewendeten Schutzfunktionen für Hochspannungs-Asynchronmotoren haben die folgenden Faktoren Einfluss: Motor-Bemessungsleistung Betriebsart Bedeutung des Antriebs für den Prozessablauf. Erfahrungsgemäß richtet sich der Schutzumfang in multifunktionalen Schutzeinrichtungen ebenfalls nach der Bemessungsleistung des zu schützenden Motors, was in Tabelle 3 dargestellt ist [6]. Dank der digitalen Messwertverarbeitung lassen sich die Schutzfunktionen flexibler an die Betriebskennlinien der Motoren anpassen, was an zwei Funktionen erläutert werden soll. Um die Ansprechempfindlichkeit des Überstromschutzes einerseits möglichst hoch zu gestalten, andererseits aber bei Motoranlauf eine Fehlauslösung infolge von hohen Anlaufströmen zu verhindern, wird der Anregestrom dieser Schutzfunktion de 12/2008

5 GLOSSAR PTC: PTC Thermistor (Positive Temperature Coefficient) sind stromleitende Materialien, die bei tieferen Temperaturen den Strom besser leiten können als bei hohen. Ihr elektrischer Widerstand vergrößert sich bei steigender Temperatur. Klassen TPX, TPY oder TPZ: Die Schutzstromwandlerklassen TPX, TPY und TPZ zeigen die drei grundsätzlichen Möglichkeiten, wie induktive Stromwandler für die Anforderungen des transienten Übertragungsverhaltens ausgelegt werden können (Magnetisierungskennlinien von Stromwandlern, siehe Bild). Genauigkeitsklasse 5P: Norm-Genauigkeitsklassen für Schutzwandler sind 5P und 10P.»P«steht hier für»protection«. Der Nenn-Überstromfaktor wird (in %) hinter die Schutzklassenbezeichnung gesetzt. So bedeutet z.b. 10P5, nach Abschluss des Motoranlaufs automatisch herabgesetzt. Für eine sehr genaue Überwachung des Temperaturverlaufs im Motor unter allen möglichen Betriebsverhältnissen ist die Anwendung seines thermischen Abbildes unentbehrlich. In der digitalen Ausführung wird hauptsächlich das sogenannte mathematische Einkörpermodell verwendet, in dem Wärmequelle, Wärmespeicherung, Wärmeabgabe und Umgebungstemperatur (Kühlmitteltemperatur) mit relativ guter Genauigkeit abgebildet werden. Dadurch wird die maximale Ausnutzung des Motors auch bei großen Temperaturschwankungen gewährleistet. In gewissen Fällen kommt das sogenannte Zweikörpermodell zur Anwendung. MEHR INFOS Weiterführende Artikel Elektrische Maschinen,»de«3/2008, S. 75 Buch zum Thema Schau/Halinka/Winkler, Elektrische Schutzeinrichtungen in Industrienetzen und -anlagen, Grundlagen und Anwendungen, ISBN , Hüthig & Pflaum Verlag, erscheint Ende Juni 2008 a eisengeschlossener Kern (TPX) b Kern mit Antiremanenzluftspalt (TPY) c Linearkern (TPZ) Hochspannungs-Synchronmotoren Zusätzlich zu den für HS-Asynchronmotoren typischen Fehlerarten und Schutzfunktionen, die auch für HS-Synchronmotoren gelten, muss das Außertrittfallen berücksichtigt werden. Dieser Fehler kann durch Untererregung bzw. Erregungsausfall sowie kurzzeitige Netzspannungseinbrüche infolge von äußeren Kurzschlüssen verursacht werden. Es kommt dabei sowohl zu thermischen Beanspruchungen des asynchron laufenden Läufers wie auch zu mechanischen Stößen an Motorwelle, Kupplung und Lagern, was sich auf das Fundament überträgt. Zur Erfassung dieser Vorgänge wird der Untererregungsschutz eingesetzt (ähnlich wie bei Synchrongeneratoren), der entweder nach dem Impedanz- oder dem Admittanzverfahren arbeitet [1]. Eine andere Schutzvariante ist der Blindleistungsschutz, dessen Ansprechkriterium auf der Überwachung des Phasenwinkels zwischen einer Bezugsspannung und dem Leiterstrom (z.b. der Leiter-Leiter-Spannung U L2L3 und dem Leiterstrom I L1 ) beruht. Im Normalbetrieb beträgt der Links wtrb/syncgen.htm Noch Fragen? Sigurd Schobert Telefon: (089) schobert@de-online.info B a dass beim fünffachen Nennstrom die negative sekundärseitige Abweichung vom entsprechend der Übersetzung (linear) zu erwartenden Wert höchstens 10% beträgt. b c H Phasenwinkel ϕ = 0, beim Asynchronlauf beträgt ϕ = 180 [2]. Zusammenfassung Moderne, digitale Schutzeinrichtungen für elektrische Hochspannungsmaschinen haben Eigenschaften, die für analog-elektronische Schutzgeräte unerreichbar waren. Sie arbeiten multifunktional und ermöglichen die optimale Anpassung ihrer Auslösecharakteristik an die Betriebskennlinien der zu schützenden Maschine. Das gilt für Synchrongeneratoren oder -motoren ebenso wie für Hochspannungs- Asynchronmotoren. Außer den Schutzfunktionen werden im ungestörten Betrieb auch Mess- und Überwachungsfunktionen realisiert. Die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Schutzeinrichtungen und Maschinen verbessert sich durch die dauernde automatische Selbstüberwachung wesentlich. Durch die optimale Wahl der Schutzfunktionen ist es möglich, alle potenziellen Fehler und Störungen schnell und einwandfrei zu erfassen und die Maschine rechtzeitig abzuschalten oder das Betriebspersonal über anormale Betriebszustände zu informieren. Literatur [1] Hermann, H.-J.: Digitale Schutztechnik. Grundlagen, Software, Ausführungsbeispiele. Berlin: VDE-Verlag, 1997 [2] Schau, H.; Halinka, A.; Winkler, W.: Elektrische Schutzeinrichtungen in Industrienetzen und -anlagen. München: Hüthig & Pflaum, 2008 [3] Ziegler, G.: Digitaler Differentialschutz. Grundlagen und Anwendung. Publicis Corporate Publishing, 2004 [4] Voß, G.: Sensoren zur Strom- und Spannungsmessung in Schaltanlagen. Elektrizitätswirtschaft (2001) H. 19, S [5] Ungrad, H.; Winkler, W.; Wiszniewski, A.: Schutztechnik in Elektroenergiesystemen. Grundlagen, Stand der Technik, Neuentwicklungen. 2. Aufl. Berlin: Springer Verlag, 1994 [6] Siemens PTD EA: Optimaler Motorschutz mit SIPROTEC-Schutzgeräten. Dr.-Ing. habil. Adrian Halinka, Schlesische Technische Universität Gliwice (Polen) PD Dr.-Ing. habil. Holger Schau, TU Ilmenau Prof. Dr.-Ing. habil. Wilibald Winkler, Schlesische Technische Universität Gliwice (Polen) 74 de 12/2008