Schutzkonzepte für 110-kV-/MS-Anlagen der Verteilnetzbetreiber OMICRONcamp Anwendertagung 2010

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1 für 110-kV-/MS-Anlagen der Verteilnetzbetreiber OMICRONcamp Anwendertagung 2010 Dipl.-Ing. Klaus Hinz VDE Region Nord Dipl.-Ing. Walter Schossig VDE Thüringen Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 1 Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept Bilder von Störungen Inhalt eines s Beispiele für Empfehlungen und Richtlinien Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 2 1

2 Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept Einhaltung anerkannter Regeln der Technik Forderung in den Energiewirtschafts- bzw. Elektrizitätsgesetzen der Länder Bereits das Energiewirtschaftsgesetz - EnergG (D) von 1935 verpflichtete die Energiewirtschaft die Bevölkerung und Industrie so sicher und billig wie möglich zu versorgen. Energiewirtschaftsgesetz EnWG (D) vom 24. April 1998 (BGBl I S. 730) 1 Zweck des Gesetzes eine möglichst sichere, preisgünstige und umweltverträgliche Versorgung 4 Betrieb des Elektrizitätsversorgungsnetzes (1) EVU sind zu einem Betrieb ihres Versorgungsnetzes nach 1 verpflichtet 49 Anforderungen an Energieanlagen (1) Energieanlagen sind so zu errichten und zu betreiben, dass technische Sicherheit gewährleistet ist. Dabei sind vorbehaltlich sonstiger Rechtsvorschriften die allgemein anerkannten Regeln der Technik zu beachten. (2) Die Einhaltung der allgemein anerkannten Regeln der Technik wird vermutet, wenn bei Anlagen zur Erzeugung, Fortleitung und Abgabe die technischen Regeln des VDE eingehalten worden sind. Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 3 Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept Elektrizitätswirtschafts-und-organisationsgesetz EIWOG / TOR (A) Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 4 2

3 Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept EleG (CH) Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 5 Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept Anerkannte technische Regeln Normen (IEC, EN, VDE, OVE, SEV/AES) Beispiele DIN VDE 0101 DIN VDE 0105 Errichten von Anlagen Betreiben von Anlagen Richtlinien (VDEW FNN, VEÖ, TOR, VSE sowie BNetzA, E-CONTROL, ElCom, GridCodes) Beispiele VDN/VEÖ Digitale Schutzsysteme FNN/VEÖ Leitfaden Einsatz Schutzsysteme TC bzw. DC Transmission- bzw. DistributionCode Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 6 3

4 Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept DIN VDE 0101 Für Anlagen müssen selbständige Einrichtungen zum Abschalten von Kurzschlüssen vorgesehen werden. Für Anlagen müssen entweder Einrichtungen zum selbständigen Abschalten von gefährlichen Erdschlüssen oder zum Anzeigen des Erdschlusszustandes vorgesehen werden Schutzeinrichtungen müssen u.a. aus Selektivitätsgründen konzeptionell aufeinander abgestimmt werden Notwendigkeit einer Schutzkonzeption Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 7 Grundlagen/Notwendigkeit für ein Schutzkonzept Grundanforderungen an Schutzsysteme Selektivität Schnelligkeit Empfindlichkeit Genauigkeit Zuverlässigkeit Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Wirtschaftliche Angemessenheit Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 8 4

5 Inhalt eines s Ein durchgängiges Haupt- und Reserveschutzsystem stellt sicher, dass ein Versagen einzelner Elemente aufgefangen werden kann. Das System sollte über den Normalschaltzustand hinaus auch für länger andauernde Sonderschaltzustände ausgelegt werden. Reserveschutzkonzepte Der Reserveschutz kommt zur Wirkung, wenn der Hauptschutz einen Fehlerzustand in der vorgegebenen Zeit nicht oder nicht korrekt klären kann. Der Reserveschutz kann verzögert und/oder mit verminderter Selektivität arbeiten. Hinsichtlich des Versagens werden einbezogen: Strom- und Spannungswandler Schutzeinrichtungen Leistungsschalter Hilfsenergieversorgung Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 9 Inhalt eines s Relais 1 Relais 2 Relais 3 Örtlicher Reserveschutz -stationsbezogen- Fernreserveschutz Relais 4 Hauptschutzbereich Reserveschutzbereich A Hauptschutzbereich Reserveschutzbereich Örtlicher Reserveschutz Örtlicher Reserveschutz -stationsbezogen- -feldbezogen- Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 10 5

6 Inhalt eines s Varianten des Reserveschutzsystems Fern- Reserveschutz ist in der Regel die kostengünstigste Version, muss aber meistens mit Verlust auf Selektivität erkauft werden. Örtlicher Reserveschutz (stationsbezogen) ist in der Regel die kostengünstigste Version, muss aber meistens mit Verlust auf Selektivität erkauft werden. Örtlicher Reserveschutz (feldbezogen) Zusätzlicher Schalterversagerschutz erforderlich Varianten des feldbezogenen örtlichen Reserveschutzes Schutzdopplung Schutzsystem 1 und Schutzsystem 2 Einsatz möglichst zwei verschiedener Messsysteme, bei gleichen Messsystemen möglichst unterschiedliche Hersteller verwenden. Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 11 Inhalt eines s Zuverlässigkeit der Schutzanregung ist sowohl die Eigenschaft bei Kurzschlüssen auf den zu schützenden Selektionsabschnitten verlässlich anzuregen (Anregeverlässlichkeit) als auch sicher gegen Falschanregungen im störungsfreien Betrieb zu sein (Anregesicherheit) Anregesicherheit aus Lastbedingungen Zulässiger Einstellbereich der I > - Anregung Anregeverlässlichkeit aus Kurzschlussbedingungen I k 0 Betriebslast I zul I AL I AK I k min Kurzschlussströme [E2] Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 12 6

7 Inhalt eines s Anregesicherheit im Lastbereich (kleinster zul. Ansprechwert I AL ). I AL I zul f f M ÜL R f V transient f S f ÜL Überlastfaktor, max. Betriebsstrom im gestörten Netzbetrieb bezogen auf I zul f M max. Messfehler Schutzeinrichtung einschl. Wandler f M = 0,9 f S Sicherheitsfaktor (üblicher Wert f S = 0,9) f transient R V I zul Faktor transiente Übergänge, wie Anlaufströme von Motoren (nur erforderlich, wenn sie über t e andauern, sonst = 1) Rückfallverhältnis der Schutzanregung, elektromech.: 0,8...0,85; digital: 0,95 zulässige Dauerbelastbarkeit der zu schützenden Betriebsmittel [E2] Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 13 Inhalt eines s Anregesicherheitsfaktor f AS für Lastbedingungen f AS f f ÜL M f R transient V f S I AL f AS I zul Anwendungsbeispiel Einfachleitung Schutz digital Doppelleitung Schutz digital Doppelleitung Schutz elektromech. Anregesicherheitsfaktor f AS 1,4 1,7 2 Überlastfaktor f ÜL 1,25 1,5 1,5 Rückfallverhältnis Anregung R V 0,95 0,95 0,80 Transientenfaktor f transient [E2] Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 14 7

8 Inhalt eines s Anregeverlässlichkeit f AV-I bei Kurzschlüssen f AV-I I I kmin A Hauptschutz Reserveschutz Anregeverlässlichkeitsfaktor f AV-I 1,5 1,8 1,3 Genauigkeit der Impedanzwerte 5 % 10 % 10 % Anregemessfehler 5 % 5 % 5 % Spannungsbeiwert c 1,0 1,0 1,0 Reglerstellung des Transformators Mittelstellung Mittelstellung Mittelstellung Lichtbogeneinfluss berücksichtigt vernachlässigt vernachlässigt Anmerkung: Wandlerfehler sind in den angegebenen Werten enthalten Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 15 [E2] [E2] Inhalt eines s Vorschlag für Fehlererfassungszeiten Schutzbereich 110-kV-Leitung 120 ms / 400 ms * MS-Leitung u. - Anlagen Schalterversagerschutz 110-kV-/MS- Trafo MS-/0,4-kV- Trafo Hauptschutz Reserveschutz 2 s - 1 s 2 s ms 2 s 300 ms 300 ms 2 s - * Zur Überstaffelung von Kupplungen kann 600 ms erforderlich sein Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 16 8

9 Inhalt eines s Gründe für eine Fehlerabschaltung t max. 1 s: PEHLA-Richtlinie, IEC / VDE VDE 0101 EN zul. Belastung der Kabelmäntel Kurzschlussfestigkeit der Betriebsmittel Versorgungsunterbrechung EN (DIN VDE ) Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 17 Inhalt eines s Beispiel: Herstellerangabe MS-Schaltanlage gilt nicht für innenliegende Lichtbogenfehler Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 18 9

10 Inhalt eines s VDE ) Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 19 Inhalt eines s Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W

11 Inhalt eines s Kurzschlussfestigkeit eines Kabels mit 25 mm 2 Cu-Schirm 110 kv 40 MVA u K =15% 20 kv 5 km VPE-Kabel 150 mm², Kupferdrahtschirm 25 mm² SIEMENS-Kabelbuch [Hei-Kab] Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 21 Inhalt eines s Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W

12 Inhalt eines s Kurzschlussfestigkeit von Transformatoren EN VDE 0532 Teil 5, Nov.2001 : Dauer des dreipoligen Kurzschlussstroms Die Dauer des dreipoligen Kurzschlussstroms I K, der für die Berechnung der thermischen Kurzschlussfestigkeit verwendet wird, muss 2 s betragen, solange keine andere Dauer festgelegt wurde. ANMERKUNG Bei Spartransformatoren und Transformatoren, deren Kurzschlussstrom den 25fachen Bemessungsstrom übersteigt, darf eine geringere Kurzschlussdauer als 2 s zwischen Hersteller und Käufer vereinbart werden. Einstellwerte beim Trafo-UMZ von 3 bis 5 s waren früher üblich F36 Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 23 Beispiele für Feldbezogener Reserveschutz bzw. Hauptschutz 1 und 2 [ÜNB-Konzept] Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W

13 Reserveschutz Beispiele für Ortsferner Reserveschutz Die Reserveschutzauslösung erfolgt durch den gestaffelten Überstromzeit- oder Distanzschutz in der vorgeordneten Station. t F1 A B Z C F2 F3 t A D Z E Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 25 Beispiele für Zeitstaffelung Staffelzeit t = 0,3 s bei digitalem und 0,4 s bei elektromechanischem Schutz Fehler in gekapselten Schaltanlagen müssen mit t < 1 s erfasst werden Beispiel Distanzschutz t 1 = 0 s, t 2 = 0,3 s, t 3 = 0,6 s usw. Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W

14 Beispiele für Stufen- und Endzeiten im HS- und MS-Netz Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 27 Beispiele für Ermittlung des Lichtbogenwiderstandes Prüfung luftisolierter gekapselten MS-Schaltzellen, IPH Lichtbogenwiderstände im Übertragungsnetz Lichtbogenbrennstrom 5 20 ka U n gemessene Lichtbogenspannung errechneter Lichtbogenwiderstand V 0,05 9,2 Ω V 0,07-0,3 Ω V 0,1 0,4 Ω [PV-Dist] Berechnung des Lichtbogenwiderstandes [E2] [Cle_Ro] Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W

15 Beispiele für Berücksichtigung des Lichtbogenwiderstandes Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 29 [E2] Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz Windumspannwerk Stichanschluss - Bewertung Messfehler Distanzschutz- S KA A I KA =2,6 ka M I KA + I KC I KB =2,6 ka B S KB 500 MVA 500 MVA I KC =200 A C Relais A: Z K = Z A-M + Z M-B (I KA + I KC )/ I KA ) S KC Z K = Z A-M + Z M-B (2,6 ka + 0,2 ka) / 2,6 ka) 40 MVA Z K = Z A-M + Z M-B *1,08 G Relais C: Z K = Z C-M + Z M-B (I KA + I KC )/ I KC ) Z K = Z C-M + Z M-B (2,6 ka + 0,2 ka) / 0,2 ka) Z K = Z C-M + Z M-B *14 Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W

16 Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz Stichanschluss mehrerer EZA - Schaltermitnahmeschaltung A B S Z< Z< KA S KB C 1 D 1 S KC S KD G G Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 31 Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz Z< U F =0,50 U C t= 0,1 s Netz Trafo Anschluss an UW- Sammelschiene U c = vereinbarte Spannung im Mittelspannungsnetz *) U NS = U c / ü mit ü = Übersetzungsverhältnis der Maschinentransformatoren *) Mitnahmeschaltung nur bei im Stich angeschlossenem UW Z< U F =0,8U C I F =0,2I nom I E >1,2I CE U>> U> 1,15 U C t=0,1s 1,08 U C t=1 min U< ODER 0,80 U C t= 2,7 s Q &U< 0,85 U C t= 0,5 s öffentliche Versorgung U< U<< ODER ODER 0,8 U NS 0,45 U NS t=1,5-2,4s t= 0,3 s U>> 1,20 U NS t=0,1s f> 51,5Hz t=0,1s f< 47,5Hz t= 0,1 s U< ODER 0,8 U NS t=1,5-2,4s U<< ODER 0,45 U NS t= 0,3 s U>> 1,20 U NS t=0,1s f> 51,5Hz t=0,1s f< 47,5Hz t= 0,1 s WEA 1 n [MS-EZ] [E34] Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W

17 Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz Anschluss im MS-Netz - ohne Blindstromeinspeisung im Fehlerfall öffentliche Stromversorgung U c = vereinbarte Spannung im Mittelspannungsnetz U n = U c / ü mit ü = Übersetzungsverhältnis der Niederspannungstransformatoren Übergabestation I> I>> U< U<< U>> f> f< 0,8 U NS 0,45 U NS 1,20 U NS 51,5Hz 47,5Hz t=0,8-1,0s t=0...0,3s t 0,1s t 0,1s t 0,1 s [E34] Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 33 Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz Anschluss im MS-Netz - mit Blindstromeinspeisung im Fehlerfall öffentliche Stromversorgung U c = vereinbarte Spannung im Mittelspannungsnetz U n = U c / ü mit ü = Übersetzungsverhältnis der Niederspannungstransformatoren Übergabestation Z< U F =0,8 U C I F =0,2 I nom I E >1,2 I CE U>> 1,15 U C t=0,1s 1,08 U C U> t=1 min U< 0,80 U C t= 2,7 s Q &U< 0,85 U C t= 0,5 s U< U<< U>> f> f< 0,8 U NS 0,45 U NS 1,20 U NS 51,5Hz 47,5Hz t=1,5-2,4s t=0,3s t=0,1s t=0,1s t= 0,1 s [E34] Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W

18 Staffelbeispiel Reserveschutz zur Einbeziehung einer Erzeugungsanlage Staffelung zur selektiver Fehlererfassung angeschlossener Einspeiser im MS-Netz t A B C Einstellung Distanzrelais in SSt B, Abg. C I > 0,3 s I >> 0 s D I > 0,3 s I >> 0 s Z t 1 = 0 s oder bei kurzer Leitung 0,3 s t 2 = 0,3 s t p = 0,6 s WKA WKA Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 35 Staffelbeispiel zur Einbeziehung einer Erzeugungsanlage Z Z Z Z l > EEG über längeres Kabel angeschlossen t/s G 1 0,7 0,3 0,1 Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 36 X/ 18

19 Beispiele für Stufen- und Endzeiten im HS- und MS-Netz Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 37 Weitere Schwerpunkte einer Schutzkonzeption Verwendung der R-X-Anregung in der MS-Transformatoreneinspeisung als Leitungsreserveschutz Haupt- und Reserveschutz bei Transformatoren Kupplungsschutz Einbauhinweise Schaltungsunterlagen Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W

20 Empfehlungen und Richtlinien [E1] Bergauer,G.; Fischer,W.; Hauschild,J.; Hinz,K.; Hupfauer,H.; Hübl,I.; Kühn,H.; Nowak,W.; Roth,H.; Sack,H.; Wührmann,B.: Richtlinie für digitale Schutzsysteme. 1. Auflage 2003, VDN/VEÖ. [E2] Leitfaden zum Einsatz von Schutzsystemen in elektrischen Netzen. VDE-FNN / VEÖ. [E12] VDEW-Ringbuch: Richtlinie für den Sammelschienenschutz. 3. Auflage 2001 und Anregeprobleme beim Reserveschutz. Ausg. Juni VDEW. [E22] PEHLA Richtlinie Nr. 4. Empfehlung für die Anwendung von VDE 0670, Teil 601/9.84 oder IEC 298 (1981) Appendix AA für die Prüfung des Verhaltens von metallgekapselten Hochspannungs-Schaltanlagen bei inneren Lichtbögen (Störlichtbögen). [E33] Albrecht,E.W.: Effektive Staffelung von Überstromzeitrelais. OMICRON Anwendertagung [E34] Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. Ausgabe Juni 2008, BDEW Fortsetzung s. nächste Folie Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W. 39 Empfehlungen und Richtlinien (Fortsetzung) [P11] Realisierung eines gerichteten Überstromzeitschutzes mit SIPROTEC 7SA6. S , Applikations-Beispiele für SIPROTEC-Schutzgeräte. SIEMENS 2005, E50001-K4451-A101- A1, [P4] Mittelspannungsschutz mit AWE und Steuerung. S , Applikations-Beispiele für SIPRO- TEC-Schutzgeräte. SIEMENS 2005, E50001-K4451-A101-A1, [P21] -; Einfacher Sammelschienenschutz durch rückwärtige Verriegelung. S , Applikations- Beispiele für SIPROTEC-Schutzgeräte. SIEMENS 2005, E50001-K4451-A101-A1, [Cle_Ro] Clemens,H.; Rothe,K.: Schutztechnik in Elektroenergiesystemen. 3.Auflage1991, Berlin: VDE-Verlag [PV-Dist] Schossig,W.: Distanzschutz. VEM-Projektierungsvorschrift 3.7/3.90 vom [ÜNB-Konzept] Herrmann.H.-J.; Ludwig,A.; Föhring,H.; Kühn,H.; Oechsle,F.: German Practice of Transmission System Protection. CIGRE bis 12, 2007 October 15-20, Madrid Dresden, Mai 2010 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W