ABB AG - EPDS. Ultraschneller Erdungsschalter UFES Der aktive Störlichtbogenschutz

ABB AG - EPDS Ultraschneller Erdungsschalter UFES Der aktive Störlichtbogenschutz

Agenda Störlichtbogenfehler Schutzkonzepte Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Prinzip Komponenten Differenzierung der Schutzkonzepte Produkt Portfolio Kundennutzen Slide 2

Störlichtbogenfehler Fehlercharakteristik Ein Störlichtbogen entsteht, wenn ein elektrischer Strom über eine Isolierstrecke (gewöhnlich Luft) fließt Maximale Spitzenleistung von bis zu 40 MW Lichtbogenplasma Temperatur bis zu 5 x höher als auf der Sonnenoberfläche (20 000 C) Lichtintensität mehr als 2000 x höher als normale Bürobeleuchtung Energie ka 2 s Brandgefahr: 0.2 s: Stahlteile 0.15 s: Kuperteile 0.1 s: Kabel 0 100 150 200 700 800 900 1000 Zeit/ms Slide 3

Störlichtbogenfehler Entstehung Menschlich bedingte Ursachen Technische Ursachen Umweltbedingte Ursachen Arbeiten im falschen Feld Falsch gewählter Trennschalter Arbeitsbereich nicht geerdet Spannungsfreiheit nicht festgestellt Installationsfehler Defekte Geräte, Fehlfunktion von Geräten Gealterte Isolierung, mechanischer Verschleiß Überspannung, Überhitzung Unzureichende Kabelanschlüsse, lose Sammelschienenverbindungen Korrosion Staub, Dreck Fremdkörper (z.b. Werkzeuge) oder Kleintiere in der Schaltanlage Slide 4

Störlichtbogenfehler Auswirkungen Schneller Temperaturanstieg (bis zu 20.000 C) Schneller Druckanstieg Freisetzung von Materialteilen und heißen Gasen Verbrennung und Verdampfung von Metallen und Isoliermaterialien Schwere Schäden in der Schaltanlage, den integrierten Geräten und am Gebäude möglich Bei Schaltanlagen ohne Störlichtbogen-Qualifizierung sind schwere Verletzungen des Bedienpersonals möglich Slide 5

Störlichtbogenfehler Auswirkungen nach Störlichtbogen-Einwirkung Leistungsschalterraum Kabelanschlussraum Unterstation Slide 6

Schutzkonzepte Mittelspannungsschaltanlage mit passivem Schutz Passiver Störlichtbogenschutz mit Druckentlastungskanal Entlastung in äußere Bereiche Passiver Störlichtbogenschutz mit Top Chimney Entlastung in den Aufstellungsraum Slide 8

Schutzkonzepte Aktive Störlichtbogenabschaltung Beispiel: ABB REA System Schnelle Erfassung eines Störlichtbogens durch Erfassen von Licht und Strom Einstellbare Schwellwerte Min. Zeit zur Störlichtbogenabschaltung ~ 60 80 ms (REA Eigenzeit + Schaltzeit LS + Bogenzeit LS) Schnelles Lichtbogenerfassungs relais Erfassungselement Slide 9

Schutzkonzepte Aktive Störlichtbogenlöschung Beispiel: Ultraschneller Erdungsschalter Schnelle Erfassung eines Störlichtbogens durch Erfassen von Licht und Strom Einstellbare Schwellwerte Ultraschnelle Verlöschung durch primäre Kurzschließer Max. Zeit zur Störlichtbogenlöschung ~ 4ms nach Erfassung! Erfassungselement Kurzschließer Schnelles Lichtbogenerfassungs relais Kurzschlussschiene Slide 10

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Die Basis für effektiven Schutz 3 UFES Primärschaltelemente (PSE) Ultraschnelle Einleitung einer 3-phasigen Erdung nach Erfassung eines Fehlers durch die Elektronik Eliminierung des Störlichtbogens durch resultierenden Zusammenbruch der Störlichtbogenspannung UFES Elektronik Schnelle und zuverlässige Elektronik zur Erfassung von Störlichtbogenfehlern oder als Schnittstelle zu externen Störlichtbogenerfassungssystemen (z.b. ABB REA) Auslösung der UFES PSE Primärschaltelemente Typ U1 Erfassungs- und Auslöseelektronik Typ QRU1 Auslöseelektronik Typ QRU100 Slide 12

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Der Ablauf eines Auslösevorganges Slide 13

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Ultranschnelle Reaktionszeit Effektive Schadensbegrenzung Effektive Schadensbegrenzung erfordert schnellste Intervention Löschzeit des Ultraschnellen Erdungsschalters: < 4 ms nach Erfassung des Fehlers i(t) 0 20 40 60 80 100 120 t TC + 4 ms Kurzschlussstrom I k DC-Komponente Störlichtbogendauer mit UFES Zeit [ms] Finale Abschaltung durch Leistungsschalter 80 ms + Zeit x Zeit bis zum Erreichen der Auslösekriterien Slide 14

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES UFES Elektronik Typ QRU1 Eigenschaften Erfassungs- und Auslöse-Elektronik 9 optische Eingänge zur Lichterfassung 3 Stromeingänge zur Überwachung des Momentanstromwerts Erweiterbar auf zusätzliche 5 x 30 optische Eingänge mit ABB Lichtbogenwächter Typ TVOC-2 Schneller, komplett analoger Aufbau Schnelle Fehlerlokalisierung durch Verwendung einzelner Linsensensoren Selbstüberwachung Test-Modus zur Funktionsprüfung Einfache DIP-Schalter Konfiguration Erfassungs- und Auslöse-Elektronik Typ QRU1 Linsensensor zur optischen Überwachung ABB Lichtbogenwächter Typ TVOC-2 Slide 15

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES UFES Elektronik Typ QRU100 Eigenschaften Auslöse-Elektronik Ideal zur Erweiterung mit dem ABB Lichtbogenschutzsystem Typ REA 2 Optolink Eingänge für Anschluss REA101 2 High-Speed Eingänge (HSI) zum Anschluss externer Lichtbogen-Erfassungssysteme Selbstüberwachung inklusive der Optolink Verbindung zum REA-System Logische Verknüpfung der externen Erfassungseinheiten über DIP-Schalter Test-Modus zur Funktionsprüfung Funktionsumfang in Kombination mit REA: Optische Sensorik über Linien- oder Linsensensoren; Überstromerfassung; Selektiver Schutz; LS-Versagerschutz Auslöse-Elektronik Typ QRU100 Kombinierbarer Störlichtbogenschutz UFES + REA Slide 16

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Primärschaltelement Primärschaltelement Typ U1 Vakuum-Schaltkammer und Schaltantrieb in einer kompakten Schalteinheit integriert Schneller und zuverlässiger Mikro-Gas-Generator Antrieb Schnelle Schaltzeit von ~ 1,5 ms Einfache Handhabung Geringer Wartungsaufwand Flexible Installationsmöglichkeiten Epoxidharz Isolation Festkontakt Keramik Isolator Beweglicher Kontakt Sollbruchstelle Kolben Zylinder Bewegliches Kontaktsystem Micro-Gas-Generator Slide 17

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Der Schaltvorgang Betriebsstellung Stellung nach Auslösung Vakuum- Bewegungsrichtung Schaltkammer Antrieb Stromfluss nach Auslösung Slide 18

Differenzierung der Schutzkonzepte Reduzierte Lichtbogenenergie Vergleich Konventionelles Schutzgerät Fehler-Erfassung über Standard-Relais Abschaltung des Störlichtbogens durch den einspeisenden Leistungsschalter Schnelles Schutzrelais mit Zusatzausstattung Schnelle Fehler-Erfassung durch spezielles Schutzrelais Abschaltung des Störlichtbogens durch den einspeisenden Leistungsschalter Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Schnelle Fehler-Erfassung durch UFES-Elektronik oder REA-System Ultraschnelle Löschung des Störlichtbogens durch Schalten der Primär-Schaltelemente Typ U1 Finale Abschaltung des Fehlerstroms durch den einspeisenden Leistungsschalter Slide 20

Differenzierung der Schutzkonzepte Reduzierte Lichtbogenenergie W LiBo [kvas]* 1. Konventionelles Schutzgerät Dramatische Folgen möglich Brand- und Explosionsgefahr, schwere Verletzungen des Personals (abhängig vom Schaltanlagendesign) 2. Schnelles Schutzrelais Begrenzte Folgen für Geräte und Personal (abhängig vom Schaltanlagendesign) 3. Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES 1 Verbrennung Stahlteile Verhinderung jeglicher thermischer Schäden Drastisch reduzierter Druckaufbau Keine Folgen zu erwarten! 3 2 Verbrennung Kupferteile Verbrennung Kabel 1 10 100 1000 Zeit [ms] Slide 21

Überdruck [bar] Differenzierung der Schutzkonzepte Reduzierter Druckaufbau in der Anlage 1.6 1.4 1.2 1.0 Beispielhafter Druckverlauf mit und ohne UFES in einem Schottraum einer luftisolierten Mittelspannungs-Schaltanlage bei einem inneren Fehler mit Störlichtbogen und einem Fehlerstrom von 130 ka (Scheitel) / 50 ka (effektiv) Druckverlauf ohne UFES 0.8 0.6 0.4 0.2 t TC Druckverlauf mit UFES Zeit bis zum Erreichen der Auslösekriterien 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t TC + 4 ms Zeit [ms] Slide 22

Differenzierung der Schutzkonzepte Die Störlichtbogenprüfung mit und ohne UFES Ohne aktiven UFES-Schutz Mit aktivem UFES-Schutz Mit aktivem UFES-Schutz Sammelschienenraum nach Störlichtbogeneinwirkung (50 ka / 100 ms) Sammelschienenraum nach Störlichtbogeneinwirkung Fehlerinitiierungsstelle im Sammelschienenraum Slide 23

Druckdifferenz zum umgebenden medium p ex [mbar] Differenzierung der Schutzkonzepte Reduzierter Druckaufbau im Aufstellungsraum Simulation Objekt: Metallgeschottete Schaltanlage, 800 mm Feldbreite Fehler: 3-phasig, 40 karms Fehlerort: Kabelanschlussbereich Freies Raumvolumen: 50 m³, 100 m³, 200 m³ Druckentlastungsöffnung (Raum): 1 m² * Vorliegende Simulation ist für rein anschauliche Zwecke und ersetzt nicht die Druckberechnung basierend auf den tatsächlichen Gegebenheiten Aufstellungsraum ohne UFES Aufstellungsraum mit UFES Wandbeschaffenheit Zulässiger Druck [mbar / m²] Gemauerte Wand 3 10 Gemauerte Wand mit Bewehrung 30 30 25 20 15 50 m 3 100 m 3 200 m 3 3 2 Betonfertigteile 50 10 1 50 m 3 Vergussbeton >70 Betonraumzelle 130 5 0 0 20 40 60 80 Lichtbogendauer t [ms] 0 0 5 200 m 3 10 15 20 25 Lichtbogendauer t [ms] Slide 24

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Einsetzbar für höchste Anforderungen UFES Primärschaltelement Maximale Bemessungs-Spannung: Ur = 40,5 kv Ik = 40 ka (3s) Maximaler Bemessungs-Kurzzeitstrom für Mittelspannung: Ik = 50 ka (3s), 63 ka (1s) Ur = 17,5 kv Maximaler Bemessungs-Kurzzeitstrom für Niederspannung: Ik = 100 ka (0,5s) Ur = 1,4 kv Slide 26

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Verfügbar als lose Komponenten UFES-Kit-1 als OEM Produkt, bestehend aus UFES-Kit-100 als OEM Produkt, bestehend aus + + + + Erfassungs- und Auslöse- Elektronik Typ QRU1 1 set (3 off) tripping cables (10 m) with special plug for PSE 3 Primärschaltelemente (PSE) Auslöse-Elektronik Typ QRU100 1 Satz (3 Stck) Auslöseleitungen (10 m) mit Spezialsteckern für PSE 3 Primärschaltelemente (PSE) Slide 27

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Verfügbar als ABB Service Retrofit-Lösung Service-Box Einschubtechnik (Darstellung: seitliche Montage) Slide 28

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Verfügbar in ABB Schaltanlagen (AIS) UFES in UniGear Top-Box-Installation UFES in UniGear Installation im Kabelanschlussraum Slide 29

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Verfügbar in ABB Trockentransformatoren ABB RESIBLOC mit UFES Schutz Slide 30

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Zertifizierter Schutz VdS Schadenverhütung Die eingetragene Marke VdS ist bekannt als Qualitätssiegel für Produkte und Dienstleistungen und hat ihren Ursprung in der Dachorganisation der deutschen Versicherungswirtschaft Zertifikat vorhanden seit Februar 2015 DNV - GL Eines der weltweit führenden Unternehmen mit Dienstleistungen für das Prüfen und Zertifizieren von Komponenten für den maritimen Einsatz Zulassung für Offshore- und Marineanwendung des UFES vorhanden seit November 2011 Slide 31

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Zertifizierter Schutz UL Underwriters Laboratories Das UL Prüfzeichen, als eines der bekanntesten Qualitätssymbole für Produkte, steht für nachgewiesene Konformität mit technischen Standards und Sicherheitsbestimmungen der USA und Kanadas. UL Recognized Component Zertifizierung vorhanden seit Januar 2016 Slide 32

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Minimierung der gefährlichen Auswirkungen eines Störlichtbogenfehlers Haupteffekte Rasanter Temperatur- und Druckanstieg Nebeneffekte Starke optische und akustische Belastung für Personen Freisetzung von heißen, toxischen Gasen Slide 34

Ultraschneller Erdungsschalter Typ UFES Unschlagbare Vorteile Stark erhöhter Personenschutz für Personen die an der Schaltanlage oder im direkten Umfeld der Schaltanlage arbeiten Drastische Reduzierung von Ausfallzeiten durch Reduzierung der Auswirkungen eines Störlichtbogenfehlers auf ein absolutes Minimum Dies bedeutet Stark erhöhte Anlagen-/Prozessverfügbarkeit Drastische Reduzierung von Reparaturkosten durch Vermeidung von sonst schwerwiegenden Zerstörungen an der Schaltanlage, an den Geräten sowie am direkten Umfeld Reduzierung von Druckentlastungsmaßnahmen durch Anwendung aktiver Störlichtbogenschutzkonzepte Slide 35