Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen

Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Christoph Klosinski 21.06.2017

Agenda 1 Einleitung Grundlagen Lichtbogensimulation 2 Schutz in Gleichstromnetzen 3 Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept 4 Zusammenfassung und Ausblick 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 2

Einleitung Motivation Problemstellung: Vermehrter Einsatz sowie steigende Komplexität von Gleichstromsystemen Stetig steigende Anforderungen an die Schutz- und Schalttechnik Herausforderung: Reihen- sowie Parallelschaltung von z.b. Batterieoder Solarmodulen führen zu hohen Spannungen und Strömen Schnelle Fehlerklärung Selektivität 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 4

Einleitung Motivation Ziele: Untersuchung von Gleichstromnetzen zur Identifikation von neuartigen Schutzkriterien sowie Schutzkonzepten Ganzheitliche Betrachtung des Netzes anhand von Strom- und Spannungsmessungen an unterschiedlichen Messpunkten Parallele Auswertung der Messdaten im Fehlerfall Identifikation eines gesamtheitlichen Schalt- und Schutzkonzept zur raschen und sicheren Fehlererkennung, Fehlerbeurteilung, Fehlerortung und koordinierte Fehlerabschaltung 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 5

Einleitung DC-Anwendungen Quelle: batterypoweronline.com Quelle: Lufthansa AG Quelle: Volkswagen AG Quelle: itwissen.info Quelle: ABB Ltd. Quelle: Dr. Lothar Ginzkey Quelle: Salzgitter AG 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 6

Schutz in Gleichstromnetzen Stand der Technik im AC- und DC-Bereich Quelle: Siemens AG Quelle: Siemens AG Gibt es für alle DC-Anwendungen geeignete Schutzkomponenten? Quelle: E-T-A GmbH Quelle: Schaltbau GmbH Quelle: Eaton Corp. 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 8

Schutz in Gleichstromnetzen Stand der Technik im AC-Bereich Netzschutzarten Überstromschutz UMZ unabhängiger Maximalstromzeitschutz AMZ abhängiger Maximalstromzeitschutz Distanzschutz Differentialschutz Leitungs-Differentialschutz Transformator-Differentialschutz Sammelschienen-Differentialschutz Auch für DC geeignet?! Frequenzschutz Überfrequenzschutz Unterfrequenzschutz 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 9

Schutz in Gleichstromnetzen Stand Stand der Technik: Einsatz von AC-Schaltgeräten für DC-Anwendungen in der Regel kaum möglich Einsatz von etablierter AC-Schutztechnik für Gleichstromsysteme prinzipiell möglich Vielfalt und Reife im Bereich der AC-Schutz- und Schalttechnik deutlich ausgeprägter Stand der Forschung: Forschung und Entwicklung im Bereich der Schutz- und Schalttechnik eilt neuentwickelten DC-Anwendungen meist nach Forschung an innovativen DC-Schutz- und Schaltkonzepten für das Netz der Zukunft Weiter- und Neuentwicklung von Schutztechnik für den Einsatz in Gleichstromsystemen 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 10

Schutz in Gleichstromnetzen Beobachtung R1 R2 R3 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 11

Schutz in Gleichstromnetzen Beobachtung Leitung der Länge x R1 R2 R3 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 12

Schutz in Gleichstromnetzen Beobachtung Leitung der Länge x R1 U 21,I 21 R2 U 11,I 11 U 12,I 12 U 22,I 22 R3 U 23,I 23 Augenblickswert der Spannung Augenblickswert des Stromes Stromgradient (1. Ableitung) Spannungsgradient (1. Ableitung) Impedanz Leistungsflussrichtung 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 13

Schutz in Gleichstromnetzen Beobachtung Leitung der Länge x R1 U 21,I 21 F R1 R2 U 11,I 11 U 12,I 12 U 22,I 22 F R2 R3 F KS Augenblickswert der Spannung Augenblickswert des Stromes U 23,I 23 F R3 Stromgradient (1. Ableitung) Spannungsgradient (1. Ableitung) Impedanz Leistungsflussrichtung 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 14

Schutz in Gleichstromnetzen Untersuchung der Stromgradienten bei Fehlereintritt Stromgradient-Trend bei Fehlereintritt Fehlerort di 11 /dt di 12 /dt di 21 /dt di 22 /dt di 23 /dt F R1 F R2 F R3 F KS 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 15

Schutz in Gleichstromnetzen Exponentieller Stromanstieg im Fehlerfall i(t)/i Nenn 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 i 1 i 2 i(t) i 2 i 1 t 2 t 1 0 5 10 15 20 25 t in ms 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 16

Schutz in Gleichstromnetzen Exponentieller Stromanstieg im Fehlerfall Leitungsinduktivität begrenzt den Stromanstieg: Begrenzung wird durch die Zeitkonstante τ definiert Zeitkonstante wird durch τ = L R berechnet τ 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 17

Schutz in Gleichstromnetzen Entladung der Kapazitäten im Fehlerfall Stromgradient in Abhängigkeit der Kabelkapazitäten : Kapazitäten C entladen sich bei Fehlereintritt über den Fehlerort Je näher am Fehlerort, umso höher der maximale Stromgradient di/dt Entladung kann nur stattfinden, wenn U n U n 1 > 0 V U 4 U 3 U 3 U 2 U 2 U 1 4 3 2 1 l 1 l 2 l 3 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 18

Schutz in Gleichstromnetzen Maximaler Stromgradient in Abhängigkeit der Leitungslänge l 1 2 3 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 19

Schutz in Gleichstromnetzen Maximaler Stromgradient in Abhängigkeit der Zeitkonstante Zeitkonstante τ und Stromanstiegsgeschwindigkeiten: Maximaler Stromgradient wird berechnet durch di Zeitkonstante τ ist unabhängig von der Leitungslänge dt max = U L 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 20

Schutz in Gleichstromnetzen Gebrauchskategorien in DC-Netzen Gebrauchskategorie DC-1 DC-6 DC-12 DC-13 DC-14 DC-31 DC-33 DC-36 DC-40 DC-41 DC-43 DC-46 typische Anwendung nicht induktive oder schwach induktive Last, Widerstandsöfen Schalten von Glühlampen Steuern von ohmscher Last und Halbleiterlast mit Trennung durch Optokoppler Steuern von Elektromagneten bei Gleichspannung Steuern von elektromagnetischer Last mit Sparwiderständen im Stromkreis Widerstandslasten Motorlasten oder gemischte Lasten einschließlich Motoren Glühlampenlast Verteilungsstromkreise aus gemischten ohmschen und induktiven Lasten nicht induktive oder schwach induktive Lasten, Widerstandsöfen Nebenschlussmotoren: Anlassen, Gegenstrombremsen, Tippen Widerstandsbremsung von Gleichstrommotoren, Schalten von Glühlampen Quelle: IEC-Gerätenorm 60947 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 21

Schutz in Gleichstromnetzen Fehlerarten in DC-Netzen Mögliche Fehlerarten: Fehler innerhalb eines asymmetrisch gespeisten DC-Netzes L wird zum allgemeinen Bezugspunkt bzw. Massepunkt definiert + +L + +L + +L + +L - L - L - L - L Erde 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 22

Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Beispielnetz Akku Beleuchtung DC-Schalter Leitung 380 V Rechenzentrum 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 24

Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Stand der Technik + + ESB des 380V-Gleichstromnetzes: Netznennspannung U DC = 380 V Reihenschaltung von jeweils drei Akkus Akkuspannung U Akku ~ 125 V + + Beleuchtung Rechenzentrum Stand der Technik: Keine Selektivität Hohes Schaltvermögen von DC-Schalter erforderlich Neuartiges Schaltkonzept: + + Koordiniertes Schalten Synchrones Schalten von in Reihe geschalteten Schaltgeräten 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 25

Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Koordiniertes Schalten + + ESB des 380V-Gleichstromnetzes: Netznennspannung U DC = 380 V Reihenschaltung von jeweils drei Akkus Akkuspannung U Akku ~ 125 V + + Beleuchtung Rechenzentrum Stand der Technik: Keine Selektivität Hohes Schaltvermögen von DC-Schalter erforderlich Neuartiges Schaltkonzept: + + Koordiniertes Schalten Synchrones Schalten von in Reihe geschalteten Schaltgeräten 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 26

Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Schaltgerät I V Schalter A V U 1 U 2 V A Spannungssensor Stromsensor 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 27

Schaltgerät Steuereinheit Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Systembeschreibung Smart Modular Switchgear Schalter Kommunikation Softwareschnittstelle Fehlerdetektionsalgorithmus Treiberstufe Sensoren Kommunikation I/O-Module 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 28

Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung: Etablierte Schutztechnik wird in Gleichstromnetzen bisher kaum eingesetzt Kompakte DC-Schaltgeräte oberhalb der Niederspannungsebene im Moment kaum erhältlich Untersuchung von etablierten sowie neuartigen Schutzkriterien für Gleichstromnetze Entwicklung, Konzeptionierung und Umsetzung eines modularen Schutzkonzepts zur koordinierten Fehlerfreischaltung Ausblick: Ausarbeitung von maßgeschneiderten Schutzkonzepten für unterschiedliche Gleichstromnetze Etablierung von neuartigen und intelligenten DC-Schutzkonzepten für das Stromnetz der Zukunft 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 30

Vielen Dank! 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 31

24V-Prüfstand Transformator Sicherheitsschalter S1 Draufschalter S2 Glättungskondensator B6- Gleichrichter Digitale Ablaufsteuerung 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 32

Untersuchungen Simulationen Simulationen in PSCAD Beispiel: Simulationsschrittweite 10 μs Zeitkonstante τ = 1 ms Aufnahme von maximalen Strom- und Spannungssteilheiten 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 33

Technische Randbedingungen Flussdiagramm des Fehlerdetektionsalgorithmus Strom Kontinuierliche Abtastung Spannung u(t) du/dt i(t) di/dt I²t Kritisch? Kritisch? Kritisch? Kritisch? Nein Nein Nein Nein Kritisch? Nein Ja Ja Ja Ja Ja Fehlerdetektionskriterien kombinierter Größen Koordiniertes Schalten Ja Fehler? Nein 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 34

Auslösezeit 3. Systembeschreibung Überstromerkennung Überlastschutz Kurzschlussschutz Verzögerter Überlastauslöser Unverzögerter Kurzschlussauslöser Fehlerbereich Grenzlastintegral: Betriebsbereich i² dt 0 1 1,13 Überstromgrenze Kurzschlussgrenze Vielfaches des Bemessungsstroms 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 35

4. Untersuchungen Topologien DC-Quelle 1 ~ = Fehlerdetektions einheit ~ = DC-Quelle 2 - Kommunikation - Schaltergruppe - Leitung - DC Schalter - Leiter-Leiter-Fehler - Diverse Fehlerimpedanzen - Unterschiedliche Fehlerorte 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 36 Verbraucher

Neuartiges Schutz- und Schaltkonzept Technische Anforderungen Ziel: Identifikation eines gesamtheitlichen Schalt- und Schutzkonzept zur raschen und sicheren Fehlererkennung, Fehlerbeurteilung, Fehlerortung und Fehlerabschaltung Anforderungen Auswertung in Echtzeit Flexibler Einsatz (topologieunabhängig) Selektivität Synchrones Schalten Rasche Fehlerfreischaltung 21.06.2017 Christoph Klosinski Schutz- und Schalttechnik in Gleichstromnetzen Seite 37