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Netzschutz

Netzschutz ist ein Begriff aus der Elektrotechnik.

Es ist die Technik, die dazu dient, das elektrische Energieübertragungsnetz vor den Auswirkungen von Fehlern (Kurzschluss, Erdschluss) in einzelnen Netzteilen zu schützen. Die Netzschutzgeräte messen über Stromwandler den Strom und eventuell auch die Spannung (mittels Spannungswandler) und müssen den Fehlerfall vom Normalbetrieb unterscheiden. Wenn der Fehlerfall festgestellt wird, dann wird der dazugehörige Leistungsschalter ausgeschaltet und somit das fehlerhafte Netzteil vom restlichen Versorgungsnetz getrennt. Dieses bleibt so vor den Auswirkungen des Fehlers geschützt.

In Deutschland werden in Mittel- und Hochspannungsnetzen üblicherweise Distanzschutzgeräte oder UMZ-Schutzgeräte eingesetzt. Bei vorhandenen Nachrichtenwegen werden auch Leitungsdifferentialschutzgeräte genutzt. Diese sind im Gegensatz zu den Distanz- und UMZ-Schutzgeräten streng selektiv (Schutzbereich zwischen den Stromwandlern auf den beiden Seiten).

Inhaltsverzeichnis

Schmelzsicherung

Die klassische Schmelzsicherung ist eigentlich der einfachste und effektivste Schutz von allen. Allerdings sind ihr Grenzen gesetzt, wenn es um die Abschaltleistung geht. Sie benötigt keine Hilfsenergie, wie die weiter unten stehenden Systeme.

UMZ-Schutz

Bei einem UMZ-Schutz (unabhängiger Maximalstromzeitschutz) wird beim Überschreiten eines eingestellten Strombetrages, z. B. 400 Ampere, nach Ablauf der zugehörigen Verzögerungszeit ein Signal zum Ausschalten des Leistungsschalters erteilt. Die Verzögerungszeit ist unabhängig vom tatsächlich fließenden Strom, das heißt, es ist egal, ob z. B. nun 450 Ampere oder 4.500 Ampere fließen. (englisch: definite time-delay overcurrent protection)

UMZ-R-Schutz

Bei diesem Schutz wird zusätzlich zum Strom auch die Netzspannung ausgewertet und ein möglicher Netzfehler bekommt nun eine Richtung. Damit lassen sich Fehler in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung bezogen auf den Relaiseinbauort unterscheiden. Diese Fehler können dann mit unterschiedlichen Zeiten aus dem Netz geschaltet werden. Damit lässt sich in einfach vermaschten Netzen mit einfachen Schutzgeräten gutes selektives Verhalten erreichen.

AMZ-Schutz

Der abhängige Maximalstromzeitschutz arbeitet nach dem Überschreiten eines eingestellten Ansprechstromes. Nach der Überschreitung ist die Auslösezeit eine Funktion des tatsächlich fließenden Fehlerstromes. Bei den heutigen digitalen Relais lassen sich dort verschiedene Auslösecharakteristiken einstellen. Bei einem Vergleich mit Schmelzsicherungen kommt der AMZ-Schutz dieser prinzipiell sicherlich am nächsten. Auch hier ist die resultierende Auslösezeit abhängig vom Fehlerstrom und es gibt auch hier verschiedene Charakteristiken.

Distanzschutz

Der Distanzschutz benötigt zum fehlerfreien Einmessen von Fehlern ebenfalls Strom und Spannung. Aus diesen beiden Größen wird dann im Fehlerfall die Impedanz (Scheinwiderstand) berechnet. Jedem Widerstandswert ist dabei eine Auslösezeit zugeordnet. Ein Distanzschutzrelais bietet mehrere, gestaffelte Auslösezeiten. Fehler, die näher an der Messstelle des Distanzschutzes liegen, werden in der Regel schneller abgeschaltet als weiter entferntere Fehler. Auch hier ist die Richtung des Fehlers erkennbar und so kann ein Fehler in Vorwärtsrichtung mit z.B. 0,12 Ohm mit einer Zeit von 0,05 sec aus den Netz geschaltet werden, während bei der gleichen betragsmäßigen Impedanz von 0,12 Ohm in Rückwärtsrichtung der Fehler mit 1,5 sec. aus dem Netz geschaltet wird.

Trafo-Differentialschutz

Für den Schutz von Transformatoren werden Transformatordifferentialschutzgeräte genutzt. Bei einem Trafodifferentialschutz werden die Ströme der Oberspannungs- und der Unterspannungsseite ermittelt. Die Ströme werden dann auf eine Bezugsseite des Transformators umgerechnet. Nun sollte - unter Berücksichtigung des Übersetzungsfaktors - die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme sein. Wird diese Grundforderung nicht eingehalten, neigt der Schutz zum Auslösen.

Aufgrund der Fehler der Stromwandler ist immer ein geringer messtechnischer Fehlerstrom vorhanden. Um auch bei Fehlern außerhalb des Transformatorbereiches sicher und selektiv auf den Fehler reagieren zu können, werden in den Schutzgeräten einige Berechnungen angestellt (Bilden von Stabilisierungs- und Differentialströmen, Ermittlung von Einschaltvorgängen anhand von Oberwellen etc.). Zusätzlich als Reserveschutz für den Umspanner sind auch Distanz- und/oder UMZ-Schutzgeräte am Umspanner mit im Einsatz.

Leitungs-Differentialschutz

Der Leitungsdifferentialschutz funktioniert nach dem gleichen Grundprinzip wie der Trafo-Differentialschutz. Allerdings wird hier ein Nachrichtenweg genutzt, um den Messwert des Stromes von der einen Seite der Leitung zur anderen Seite zu übertragen. Somit kennen beide Schutzgeräte den eigenen und den Strom der Gegenstelle. Wird hier eine Differenz festgestellt, werden über die zugeordneten Leistungsschalter die Leitung abgeschaltet.

Digitale Schutzeinrichtungen können bei Ausfall des Nachrichtenweges meistens noch als UMZ-Schutz betrieben werden. Allerdings fehlt dann die strenge Selektivität des Leitungsdifferentialschutzes. Zusätzlich als Reserveschutz für die Leitung sind oft auch Distanz- und/oder UMZ-Schutzgeräte auf beiden Seiten der Leitung mit im Einsatz.

Sammelschienenschutz

Nach dem Messprinzip des bewerteten Stromvergleichs vom Differentialschutz arbeitet auch der Sammelschienenschutz. Dieser schützt Sammelschienen mit extrem kurzen Auslösezeiten. Bei digitalen Sammelschienenschutzsystemen wird üblicherweise bereits nach 15 ms ein Fehler erkannt und der Sammelschienenbereich sammelschienenselektiv abgeschaltet.

Im Bereich der Mittelspannungsanlagen findet man gelegentlich einfache Sammelschienenschutzsysteme vor (rückwärtige Verriegelung). Hierbei werden die Schutzeinrichtungen der Leitungsabgänge genutzt, um eine Auslösestufe am Umspannerschutz zu blockieren. Diese Art des Schutzes setzt voraus, dass kein Kurzschlussstrom aus dem Netz in Richtung Sammelschiene fließt.

Unterfrequenzschutz

Bei dem Unterfrequenzschutz wird die Netzfrequenz als Messgröße gemessen und bewertet. Sollte die Netzfrequenz aufgrund eines Leistungsdefizites sinken, werden nach einem dreistufigen Entlastungsplan einzelne Regionen gezielt ausgeschaltet, um ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und genutzter Leistung wieder herzustellen. Siehe auch Unterfrequenz.

Überfrequenzschutz

In diesem Fall ist die abgenommene Netzleistung kleiner als die aktuell erzeugte und eingespeiste Leistung der Maschinensätze. Nun wird die Leistung in die Rotationsenergie der Generatoren geliefert und diese werden beschleunigt. Beim Überschreiten einer festgelegten Frequenz erfolgt eine Warnung bzw. eine automatische Abschaltung des Maschinensatzes. Auch hier ist es das Ziel, mit der Abschaltung die Maschine zu schützen und einen stabilen Zustand im Netz wieder herzustellen.

Anregearten

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Überstromanregung

Die am meisten verbreitete Anregeart ist die Überstromanregung. Bei Überschreiten eines festeingestellten Strombetrages ist das Gerät bereits angeregt.

Einsatzgebiet: Hauptsächlich Mittelspannung; Betriebstrom < Kurzschlussstrom

Spannungsabhängige Überstromanregung

Bei dieser Art der Anregung muss zusätzlich die Spannung am Relaiseinbauort unter einen eingestellten Wert abgesunken sein und der Anregewert des Stromes überschritten werden.

Einsatzgebiet: Hauptsächlich Mittelspannung; Der Betriebsstrom kann nun größer als der Kurzschlusstrom sein! Kurzschlussstrom < Betriebsstrom

Impedanzanregung

Die Impedanzanregung stellt die High-End-Version der Anregung dar. Hier wird zusätzlich der Winkel zwischen Strom und Spannung ausgewertet. In diesem Fall kann man schon kleinste Fehlerströme erkennen und die Leitungen abschalten, obwohl die Spannung, bezogen auf die Zeit vor Fehlereintritt konstant geblieben ist.

Einsatzgebiet: Hauptsächlich Hoch- und Höchstspannung Kurzschlussstrom << Betriebsstrom

Sonderfunktionen

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Automatische Wiedereinschaltung

Bei der Automatischen Wiedereinschaltung (AWE) wird der ausgelöste Leistungschalter nach der Pausenkommandozeit automatisch wiedereingeschaltet ( ein- oder dreipolig). Früher wurde dieser Vorgang auch Kurzunterbrechung (KU) genannt.

Diese Funktion kommt in Freileitungsnetzen zum tragen. Man geht davon aus, dass der Fehler während der Abschaltung verschwindet, dies bedeutet, die Fehlerstrecke wurde beseitigt. Bei atmosphärischen Störungen (Gewitter, Schnee, etc.) wird die Fehlerstrecke entionisiert und bei Wiederzuschaltung ist eine ausreichende Isolierung durch die umgebende Luft wieder gegeben.

Für die Ansteuerung der AWE und das Verhalten beim Schalten auf einen weiterhin vorhandenen Fehler (Baum in Freileitung) sind in den Geräten verschiedene Steuermöglichkeiten vorgegeben.

Schalterversagerschutz

Der Schalterversagerschutz (SVS) wird auch Schalterreserveschutz (SRS) oder Rückgreifen/Rückgreifschutz genannt. Hier wird von dem Fall ausgegangen, dass ein Fehler z.B. auf einer Leitung, nicht abgeschaltet werden kann, weil z.B. der Leistungsschalter dieser Leitung defekt ist. Für diesen Fall wird auf die Schalter aller anderen Leitungen zurückgegriffen (deshalb auch „Rückgreifschutz“ oder „Rückgreifen“) die auf die selbe Sammelschiene geschaltet sind.

„Strom sucht sich den Weg des geringsten Widerstandes“ - löst also der Schalter der fehlerbehafteten Leitung nicht aus, so fließt Strom von den anderen Leitungen über die Sammelschiene zum Fehler. Es bleibt also nur, alle Leitungen abzuschalten, die den Fehler weiter mit Strom versorgen können. Die Funktionsweise ist recht einfach: das angeschlossene Schutzrelais (gleich welcher Art) stellt einen Fehler fest und gibt ein AUS-Kommando. Dieses AUS-Kommando wird auf den Antrieb des Leistungsschalters geschickt (über Hilfsrelais, Schütze). Gleichzeitig wird mit diesem AUS-Kommando auch ein Zeitwerk angeworfen, es beginnt also eine voreingestellte Zeit abzulaufen. Ist der Leistungsschalter in Ordnung, so löst er nach ca. 15 ms aus (nach AUS-Kommando - nicht nach Anregung) --> Fehler ist abgeschaltet, Schutzrelais misst keinen Fehler mehr --> AUS-Signal wird abgesteuert.

Löst der Leistungsschalter nicht aus, so läuft das Zeitrelais durch und betätigt nach Ablauf der eingestellten Zeit (ca. 0,3 - 0,7s) einen Kontakt. (Bei digitalen Schutzrelais lässt sich diese Verzögerung für einen entsprechenden Binärausgang auch intern einstellen.) Dieser Kontakt gibt ein AUS-Signal auf eine Ringleitung. Über diese Ringleitung und ein Trenner-Schalterabbild (Abbild des Schaltzustandes der Anlage, hier ist zu sehen, welche Leitung auf welche Sammelschienen geschaltet ist u.v.m) wird dieses Signal allen Leistungsschaltern zugeführt, deren Leitungen auf der selben Sammelschiene liegen. In diesem Sinne ist der Schalterversagerschutz kein eigenständiger Schutz, es ist zumindest kein eigenständiges Schutzrelais. Es werden „lediglich“ die Funktionen anderer Schutzeinrichtungen anders ausgenutzt.

Siehe auch