Grundlagenreihe Stromversorgungen und Verbraucher besonderer Art Teil 1

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1 Grundlagenreihe Strmversrgungen und Verbraucher besnderer Art Teil 1 Schutz vn Niederspannungsgeneratren und der angeschlssenen Strmkreise Die meisten elektrischen Anlagen in der Industrie enthalten bestimmte wichtige Verbraucher, deren Spannungsversrgung bei Ausfall der Strmversrgung des Netzbetreibers aufrechterhalten werden muss: Entweder aufgrund vn Sicherheitseinrichtungen (Ntbeleuchtung, autmatische Brandschutzanlage, Rauchabzüge, Alarm- und Anzeigegeräte usw.) der weil diese Verbraucher vrrangig sind, wie z.b. bestimmte Geräte, deren Ausfall zu einem Prduktinsverlust der zur Zerstörung einer Werkzeugmaschine usw. führen würde. Eine der gängigen Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Stmversrgung eines sgenannten ersatzstrmberechtigten Verbrauchers bei Ausfall anderer Strmversrgungen ist der Einbau eines NS-Generatrs, der über einen Umschalter an eine Schaltanlage für die Sicherheitsstrmversrgung angeschlssen ist, die die ersatz-strmberechtigten Verbraucher speist (siehe Abb. N1). Abb. N1: Beispiel für eine Schaltanlage mit ersatzstrmberechtigten Verbrauchern, gespeist durch einen Transfrmatr für Nrmalnetz und einen NS-Generatr für ersatzstrmberechtigte Verbraucher im Ersatznetz

2 Generatrschutz Abbildung N2 unten zeigt die elektrischen Dimensinierungsparameter eines NS-Generatrs. P n, U n und I n sind jeweils die Leistung des Mtrs swie die Bemessungsspannung und der Bemessungsstrm des Generatrs. Abb. N2: Blckschaltbild eines Generatrs Überlastschutz Die Überlastkennlinie des Generatrs ist genau zu prüfen (siehe Abb. N3). In den Nrmen und Anwendungsvrschriften sind ggf. spezielle Überlastbedingungen festgelegt. Zum Beispiel: Abb. N3: Beispiel einer Überlastkennlinie t = f(i/i n )

3 I/I n t 1,1 > 1 h 1,5 30 s Die Einstellungsmöglichkeiten der Überlastschutzeinrichtungen (der der Langzeitverzögerung) sllten diesen Vrschriften entsprechen. Hinweise zu Überlasten Aus wirtschaftlichen Gründen sllte der Mtr eines Ersatzstrmerzeugers genau entsprechend seiner Bemessungsleistung dimensiniert sein. Bei einer Überlast bleibt der Diesel-Mtr stehen. Für die Wirkleistungsaufteilung der ersatzstrmberechtigten Verbraucher ist dies zu berücksichtigen. Ein Ersatzstrmerzeuger sllte flgenden betrieblichen Überlasten standhalten können: einstündige Überlast einstündige 10 %ige Überlast alle 12 Stunden (Spitzenlastbetrieb) Schutz bei Kurzschluss Einschalten des Kurzschlussstrms Der Kurzschlussstrm ist die Summe aus: einem aperidischen Strm und einem gedämpften sinusförmigen Strm. Die Gleichung des Kurzschlussstrms zeigt, dass sich dieser aus drei zeitlich aufeinanderflgenden Zuständen zusammensetzt (siehe Abb. N4).

4 Abb. N4: Kurzschlussstrmwert während der 3 Zustände Subtransienter Zustand (Anfangswert) Bei Auftreten eines Kurzschlusses an den Generatrklemmen wird der Strm zunächst bei einem relativ hhen Wert eingeschaltet (ca. 6 bis 12 I n während des ersten Zyklus (0-20 ms)). Die Größe des Kurzschlussausgangsstrms wird durch drei Parameter festgelegt: der Subtransienten Reaktanz des Generatrs, dem Erregungslevel vr Auftreten des Fehlers und der Impedanz des fehlerhaften Strmkreises. Die Kurzschlussimpedanz des betreffenden Generatrs ist die Subtransiente Reaktanz x d (herstellerseitig ausgedrückt in %). Der typische Wert liegt zwischen 10 und 15 %. Bestimmung der Subtransienten Kurzschlussimpedanz des Generatrs: (Ohm) wbei Transienter Zustand (Übergangswert) Der transiente Zustand tritt 100 bis 500 ms nach Auftreten des Fehlers auf. Beginnend mit dem Wert des Fehlerstrms des subtransienten Zustands, fällt der Strm auf das 1,5- bis 2- fache des Strms I n.

5 Die betreffende Kurzschlussimpedanz für diesen Zustand ist die transiente Reaktanz x d (herstellerseitig ausgedrückt in %). Der typische Wert liegt zwischen 20 und 30 %. Synchrner Zustand (Dauerwert) Der synchrne Zustand tritt nach 500 ms ein. Dauert der Fehler an, bricht die Ausgangsspannung zusammen, und die Erregungsregelung will diese Ausgangsspannung wieder erhöhen. Das Ergebnis ist ein stabilisierter Kurzschlussstrm: Erhöht sich die Generatrerregung während eines Kurzschlusses nicht (keine Feldübererregung), sndern wird auf dem Wert vr Auftreten des Fehlers gehalten, stabilisiert sich der Strm auf einem Wert, der durch die synchrne Reaktanz X d des Generatrs gegeben ist. Der typische X d -Wert ist größer als 200 %. Flglich ist der Endstrm geringer als der maximale Betriebsstrm des Generatrs, nrmalerweise ca. 0,5 I n Liegt eine maximale Felderregung der Verbunderregung des Generatrs vr, führt die Stß -Spannung durch die Erregung dazu, dass sich der Fehlerstrm 10 s lang erhöht, nrmalerweise auf das 2- bis 3-Fache des maximalen Betriebsstrm des Generatrs. Berechnung des Kurzschlussstrms Nrmalerweise werden die Impedanzwerte und Zeitknstanten, die zur Betriebsanalyse im transienten der synchrnen Zustand erfrderlich sind, herstellerseitig festgelegt (siehe Abb. N5). (kva) x d 10,5 10,4 12,9 10,5 18,8 19,1 x d 21 15,6 19, ,8 30,2 xd Die Ohmschen Widerstandswerte sind im Vergleich zu den Reaktanzwerten immer vernachlässigbar. Die Parameter zur Untersuchung des Kurzschlussstrms sind: Wert des Kurzschlussstrms an den Generatrklemmen Die Größe des Kurzschlussstrms im transienten Zustand errechnet sich aus: der (X d,in Оhm)

6 (x d in %), U n ist die Ausgangsspannung des Generatrs zwischen den Außenleitern. Anmerkung: Dieser Wert kann mit dem Kurzschlussstrm an den Transfrmatrklemmen verglichen werden. Demnach sind bei gleicher Leistung die Ströme bei Auftreten eines generatrnahen Kurzschlusses 5 bis 6 mal kleiner, als die bei einem Transfrmatr (Hauptstrmquelle) auftretenden Ströme. Dieser Unterschied erhöht sich nch dadurch, dass die Leistung eines Generatrsatzes nrmalerweise kleiner ist als die Leistung des Transfrmatrs (siehe Abb. N6). Abb. N6: Beispiel einer Schaltanlage mit Sicherheitsstrmversrgung, die (im Ntfall) vn einem Ersatzstrmerzeuger gespeist wird Wird das NS-Netz durch die Haupteinspeisung 1 mit 2000 kva gespeist, beträgt der Kurzschlussstrm an der Hauptsammelschiene der Niederspannungs-Hauptschaltanlage 48 ka. Wird das NS-Netz durch die Ersatzstrmversrgung mit 500 kva mit einer Transienten Reaktanz vn 30 % gespeist, beträgt der Kurzschlussstrm ca. 2,4 ka, d.h. er entspricht einem Wert, der 20-mal kleiner ist als der Kurzschlussstrm der Haupteinspeisung.

7 Schutz ersatzstrmberechtigter Strmkreise Auswahl und Schutz Wahl des Ausschaltvermögens Dieser Parameter muss systematisch im Zusammenhang mit den Kenndaten der Haupteinspeisequelle (Verteiltransfrmatr) geprüft werden. Auswahl und Einstellung des Kurzschlussauslösers Unterverteiler Die Bemessungsströme der Schutzeinrichtungen vn Unterverteilern und Endstrmkreisen müssen immer niedriger sein als der Bemessungsstrm des einspeisenden Generatrs. Flglich sind, abgesehen vn Snderfällen, die gleichen Bedingungen vrhanden wie bei einer Transfrmatr-Einspeisung. Niederspannungs-Hauptverteiler Die Dimensinierung der Schutzeinrichtungen in der Haupteinspeisung erflgt nrmalerweise unter ähnlichen Bedingungen wie für den Generatr. Die Einstellungen für den Kurzschlussschutz müssen jedch die Kurzschlusseigenschaften des Generatrs berücksichtigen (siehe Seite N3: Schutz bei Kurzschluss ). Die Selektivität der Schutzeinrichtungen für ersatzstrmberechtigte Strmkreise muss den Generatrbetrieb berücksichtigen (In Anlagen mit Sicherheitsanfrderungen wird sie sgar nrmativ gefrdert). Es ist erfrderlich, die geeignete Abstufung der Kurzschlussschutzeinstellungen der Schutzeinrichtungen für ersatzstrmberechtigte Strmkreise zu überprüfen vn dem Haupteinspeiseschalter bis zur Schutzeinrichtung der Endstrmkreise (da in Verteilstrmkreisen der Einstellwert für I m /I sd üblicherweise 10 I n beträgt). Anmerkung: Im Generatrbetrieb ermöglicht der Einsatz vn Fehlerstrm-Schutzeinrichtung (RCDs) mit niedrigen Bemessungsdifferenzströmen ftmals erst die Einhaltung der Abschaltbedingungen (Fehlerstrm > Auslösestrm der Schutzeinrichtung) und eine einfache Selektivität zu vrgeschalteten Schutzeinrichtungen. Persnensicherheit In IT-Systemen (2. Fehler) und TN-Systemen wird der Persnenschutz bei indirektem Berühren durch den Kurzschlussauslöser der Leistungsschalter gewährleistet. Die Auslösung muss im Fehlerfall durch den Leistungsschalter sichergestellt sein, unabhängig davn, b die Anlage über einen Transfrmatr der einen Generatr gespeist wird. Berechnung des Fehlerstrmes bei einem Islatinsfehler Die Nullreaktanz x wird herstellerseitig als Przentsatz vn U angegeben. Der typische Wert beträgt 8 %. Der einphasige Kurzschlussstrm zwischen Außenleiter und Schutzleiter wird bestimmt durch:

8 = 5,85 ka Der Fehlerstrm im TN-System bei einem Islatinsfehler ist geringfügig höher als der dreiphasige Fehlerstrm. Zum Beispiel beträgt bei Auftreten eines Islatinsfehlers im vrherigen Beispiel der Fehlerstrm 3 ka. [Quelle: Planungskmpendium Energieverteilung Wiki, Stand Januar 2016]