AT524421B1 - Verfahren zur zeitstaffelungsschutzkompatiblen selektiven netzkurzschlusserkennenden Überwachung des Betriebes eines elektrischen Energienetzes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitstaffelungsschutzkompatiblen selektiven netzkurzschlusserkennenden Überwachung des Betriebes eines elektrischen Energienetzes (1), wobei das elektrische Energienetz (1) mit zumindest einer kurzschlussstromschwachen Einspeiseanlage (2) verbunden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Erfassen technisch relevanter Parameter der zumindest einen kurzschlussstromschwachen Einspeiseanlage (2), nämlich zumindest des Nennstromes (IN) der Einspeiseanlage sowie der Netzspannung (UN) des elektrischen Energienetzes (1), b) Erfassen des zeitlichen Verlaufes der zu einer potentiellen Fehlerstelle (F) im elektrischen Energienetz fließenden Ströme (Iist) sowie Erfassen des zeitlichen Verlaufes der Ist- Netzspannungen (Uist) an zumindest einem dem elektrischen Energienetz (1) zugeordneten Erfassungspunkt (P), c) wobei in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der gemäß Schritt b) erfassten Ströme (Iist) sowie der Ist-Netzspannungen (Uist) auf das Vorhandensein eines netzseitigen Isolationsfehlers rückgeschlossen wird.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUR ZEITSTAFFELUNGSSCHUTZKOMPATIBLEN SELEKTIVEN NETZKURZSCHLUSSERKENNENDEN UBERWACHUNG DES BETRIEBES EINES ELEKTRISCHEN ENERGIENETZES

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitstaffelungsschutzkompatiblen selektiven netzkurzschlusserkennenden Überwachung des Betriebes eines elektrischen Energienetzes, insbesondere eines Niederspannungs- oder Mittelspannungsnetzes, wobei das elektrische Energienetz mit zumindest einer kurzschlussstromschwachen Einspeiseanlage verbunden ist.

[0002] Motiviert durch die Energiewende steuert die elektrische Energieversorgung in vielen Ländern auf eine Erzeugungsstruktur zu, welche von leistungselektronisch gekoppelten Erzeugungseinheiten, allen voran Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen, dominiert wird. Dies hat zur Folge, dass sich die Auslegung der elektrischen Betriebsmittel sowie die Planung und der Betrieb der Netze zunehmend an den Eigenschaften solcher Anlagen ausrichtet. Wegen ihrer technischen Komplexität stellen dabei beispielsweise Windenergieanlagen (WEA) mit doppelt speisenden Generatoren (doubly fed generator, DFG) eine besondere Herausforderung dar, da in ihnen sowohl die durch die Physik bestimmten Eigenschaften der rotierenden elektrischen Maschine als auch das maßgeblich durch Steuerung und Regelung beeinflusste Verhalten des Umrichters zu Tragen kommt. In der Beschreibung zu dieser Erfindung wird das Verhalten der aktuellen Technologie von DFG bei symmetrischen Netzfehlern beschrieben, es wird der Stand der Technik in der für Anlagenauslegung wichtigen Kurzschlussnorm und der Nachteile erläutert, und es wird vor allem eine erfindungsgemäße Lösung zur Behebung dieser Nachteile beschrieben.

[0003] Die Erzeugung elektrischer Energie aus Windkraftanlagen hat im letzten Jahrzehnt weltweit immens an Bedeutung zugenommen und hat in vielen Ländern einen Durchdringungsgrad erreicht, in dem sie einen signifikanten Einfluss auf die Energieversorgung ausübt, sowohl im Hinblick auf die installierte Leistung als auch auf den Anteil an erzeugter Jahresenergie.

[0004] Aufgrund der Relevanz solcher Anlagen für die elektrische Energieversorgung ist es unumgänglich, beispielsweise Windkraftanlagen bei Planung und Betrieb der Netze gewissenhaft zu integrieren bzw. das Verhalten von Netzen mit dominant umrichterbasierter Einspeisung, wie sie zukünftig großflächig zu erwarten sind, sicher zu beherrschen. Ein wichtiger Aspekt dabei ist das Verhalten bei Netzfehlern, denn ein sicheres und vorhersehbares Beherrschen solcher Situationen ist entscheidend für einen stabilen, sicheren und zuverlässigen Netzbetrieb.

[0005] Beim Fehlerverhalten elektrischer Erzeugungsanlagen besteht ein prinzipieller Unterschied, ob die Einspeisung unmittelbar über eine rotierende elektrische Maschine und einen Transformator erfolgt, oder ob noch eine leistungselektronische Komponente, ein sog. Umrichter, zwischen Erzeugungseinheit und Netzanschluss geschaltet ist. Während bei der ersten Variante das Fehlerverhalten direkt durch die Physik und damit die Konstruktion der Maschine bestimmt ist, übt im zweiten Fall die Steuerung und Regelung des Umrichters einen entscheidenden Einfluss aus. Eine besondere Herausforderung für die Modellierung und auch die Auslegung des Schutzes stellen in dieser Hinsicht doppeltgespeiste Asynchronmaschinen (DFIG, doubly fed induction generator) oder auch doppelt gespeiste Generatoren (DFG, doubly fed generator) dar, da bei ihnen die Eigenschaften beider Anschlussvarianten im Fehlerfall zum Tragen kommen: Unmittelbar nach Fehlereintritt dominiert die Physik der rotierenden elektrischen Maschine das Fehlerverhalten, kurze Zeit später passt dann der Umrichter die Ausgangswerte des Stroms entsprechend der implementierten Regelung an.

[0006] Grundsätzlich beschäftigt sich die vorliegende Erfindung daher mit Situationen, in denen kurzschlussstromschwache Einspeiseanlagen („weak infeed“) in das betreffende elektrische Energienetz einspeisen. Solche kurzschlussstromschwachen Einspeiseanlagen sind Anlagen, die im Falle eines außerhalb der Einspeiseanlage liegenden Netzfehlers, durch den ein Kurzschluss verursacht wird, ab einer Fehlerzeit von über 100ms nur noch einen Strom liefern, der maximal das Zweifache des Nennstromes der Einspeiseanlage beträgt. Die Erfahrung hat ge-

zeigt, dass dies bei den zuvor genannten umrichtergekoppelten Anlagen regelmäßig der Fall ist, weshalb im Folgenden noch näher auf die Eigenschaften derselben eingegangen wird.

[0007] Die speziellen Eigenschaften dieser kurzschlussstromschwache Einspeiseanlagen, insbesondere von DFGs, haben Auswirkungen auf

* Auslegung der Betriebsmittel gemäß der Kurzschlussnorm DIN EN 60909-0, * das Verhalten einer DFG im Normalbetrieb bzw. im Fehlerfall, und die * erforderliche Behandlung von DFG im Rahmen des Netzschutzes.

[0008] Fig. 1 zeigt das Verhalten einer DFG im Normalbetrieb bzw. zum Zeitpunkt t=0,1s eintretenden Fehlerfall. Es wird bei diesem Fehlerbeispiel von einem dreipoligen impedanzlosen Fehler von 150 ms Dauer auf der Hochspannungsseite eines Netzes ausgegangen. Dabei ist ein hybrides Verhalten zu erkennen: Anfangs dominieren von der Maschine verursachte Stromspitzen, die rasch abklingen und welche dann von einem durch den von der Umrichter-Regelung eingestellten Kurzschlussstrom abgelöst werden.

[0009] Fig. 2a bis 2d zeigen Mitsystem-Ersatzschaltpläne für den doppelt gespeisten Generator mit einem Windenergieanlangen-Transformator. Die Impedanz der Kabel zwischen Generator und dem Transformator wird der Generatorimpedanz oder der Transformatorimpedanz zugeschlagen. Das Querglied des Transformators wird vernachlässigt. Die Ersatzschaltungen ermöglichen die Berechnung des dreipoligen Anfangskurzschlusswechselstromes, wobei Fig. 2a eine vollständige Ersatzschaltung betrifft, in Fig. 2b eine Spannungsquelle für die konstante Läuferflussverkettung eingeführt wird (ein etwaiges Ansprechen umrichterinterner Schutzfunktionen wird dabei nicht betrachtet), in Fig. 2c eine transienten Generatorspannung Us und eine transiente Generatorreaktanz X's durch Umformen der Schaltung nach Fig. 2b eingeführt wird, und in Fig. 2d eine Ersatzspannung an der Kurzschlussstelle eingeführt wird.

[0010] Im Sinne einer bestmöglichen Betriebsführung, auch im Störungsfall, stellt die Einhaltung des Sachgüter- und Personenschutzes von Anlagen und ganzen Netzen eine wesentliche Voraussetzung für deren zulässigen und sicheren Betrieb dar.

[0011] Üblicherweise werden die Schutzfunktionen gemäß folgender Systematik geclustert: * Netzschutzeinrichtungen: Fehlerbehandlung im öffentlichen Netz (Netzschutz)

* Kurzschlussschutzeinrichtungen des Anschlussnehmers: Fehlerbehandlung in der Kundenanlage (Anlagenschutz)

* Entkupplungsschutzeinrichtungen bei Erzeugungsanlagen: Fehlerbehandlung im elektrischen Energiesystem (Systemschutz)

[0012] Je nachdem, ob Erzeugungsanlagen, wie z. B. Windkraftanlagen, elektrische Leistung in ein Hochspannungs- oder ein Mittelspannungsnetz einspeisen, sind deren Schutzeinrichtungen verschieden. In der Hochspannungsebene dominieren Distanzschutzeinrichtungen mit verschiedenen Zusatzfunktionen wie z.B. Unterimpedanzanregung, Signalvergleich mit Freigabe- bzw. Blockierverfahren, automatische Wiedereinschaltung, u. U. redundant ausgeführte Erdschlusschutzeinrichtungen, Synchrocheck, Kennlinienumschaltung.

[0013] Zunehmend finden auch in der Hochspannungsebene Leitungsdifferenzialschutzeinrichtungen Verwendung. In den Mittelspannungsnetzen hingegen werden einfachere Schutzkonzepte, wie das Uberstromzeitschutz-Verfahren und das Distanzschutzeinrichtungen, oft nur mit UÜberstromanregung eingesetzt.

[0014] Generell sollen Schutzeinrichtungen eine Vielfalt von Erfordernissen erfüllen, allen voran aber stehen Selektivität und Zuverlässigkeit. Eine Übersicht zu den Anforderungen ist Fig. 3 zu entnehmen.

[0015] Der durch die kurzschlussstromschwache Einspeiseanlage gelieferte im Fehlerfall rasch abnehmende Kurzschlussstrom hat für strombasierte Schutzfunktionen negative Konsequenzen: Im Gegensatz zum Anfangskurzschlussstrom, der im Sinne einer groben Abschätzung oft mit

dem 6- bis 8-fachen des Nennstroms einer DFIG angegeben wird, nimmt der Dauerkurzschlussstrom bei einem dreipoligen Klemmenkurzschluss rasch kleine Werte an. Von der Struktur der Energieversorgung des Rotorkreises lässt sich ein DFG gut mit einem nebenschlusserregten Synchrongenerator mit statischer Erregung vergleichen, bei dem die Erregungseinrichtung ihre Versorgungsspannung von der Hochspannungsseite des Generators (Generatorklemmen) bezieht und daraus mithilfe von Gleichrichtung und Regelung den Rotorkreis speist. Wenn aber bei einem Kurzschluss nur eine geringe Restspannung an den Generatorklemmen auftritt, fehlt für die Energetisierung die ausreichende Versorgungsspannung, woraufhin der Kurzschlussstrom lediglich durch die Restmagnetisierung des Rotors getrieben wird.

[0016] Allerdings ist aus schutztechnischer Sicht dieser Strombeitrag unter Berücksichtigung der Forderung nach einem ausreichenden Ansprechpegel für jeden Fehlerort und in jeder Betriebsweise des Netzes, auch bei tief eingestellten Anregewerten, als nicht immer sichergestellt einzustufen. Bei Worst-Case-Betrachtungen bedeutet das für hohe Abschaltzeiten, dass die Freigabewerte für allfällige Reserveschutzfunktionen nicht mehr in der Größenordnung der Nennströme der Betriebsmittel sind, sondern weiter darunterliegen.

[0017] Wenn diesem Umstand Rechnung getragen wird, ist ein Schutzversagen bei ungünstigen Speiseverhältnissen oder im Inselbetrieb zu erwarten.

[0018] Da die allgemeine Schutzphilosophie besagt, dass einem Zeitstaffelschutzverfahren die Erzeugungseinheiten als letzte vom Netz abgeschaltet werden, können sich für ungünstige Fälle hohe Abschaltzeiten ergeben.

[0019] Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin eine Möglichkeit zu liefern, die diesen Umstand Rechnung trägt und das Auftreten von ungünstig hohen Abschaltzeiten (bzw. sogar den Totalausfall der Abschaltung) selbst bei Einspeisung durch kurzschlussstromschwachen Einspeiseanlage zuverlässig verhindert.

[0020] Hierzu weist das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte auf:

a) Erfassen technisch relevanter Parameter der zumindest einen kurzschlussstromschwachen Einspeiseanlage, nämlich zumindest des Nennstromes der Einspeiseanlage, und des elektrischen Energienetzes, nämlich seiner Netzspannung,

b) Erfassen des zeitlichen Verlaufes der zu einer potentiellen Fehlerstelle im elektrischen Energienetz fließenden Ströme sowie Erfassen des zeitlichen Verlaufes der Ist-Netzspannungen an zumindest einem dem elektrischen Energienetz zugeordneten Erfassungspunkt,

c) wobei in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der gemäß Schritt b) erfassten Ströme sowie der Ist-Netzspannungen auf das Vorhandensein eines netzseitigen Isolationsfehlers rückgeschlossen wird, indem diese Verläufe mit den Parametern nach Schritt a) wie folgt verknüpft werden:

c1) liegt zumindest einer der nach Schritt b) erfassten der Ist-Ströme über einem von dem Nennstrom der zumindest einen Einspeiseanlage abgeleiteten ersten Stromgrenzwert, dann wird eine Uberwachungsvorrichtung in einen von einem Normbetriebszustand abweichenden ersten Aktivzustand versetzt und für die Zeitdauer des UÜberschreitens des ersten Stromgrenzwertes beibehalten, sofern nicht gemäß c3) in einen Fehlerausgabezustand umgeschaltet wird,

c2) liegt zumindest einer der nach Schritt b) erfassten Ist-Netzspannungen unterhalb eines ersten Spannungsgrenzwertes und liegt dabei gleichzeitig ein Ist-Strom vor, der einen zweiten Stromgrenzwert überschreitet, so wird die Uberwachungsvorrichtung in einen zweiten Aktivzustand versetzt, sofern nicht gemäß c3) in einen Fehlerausgabezustand umgeschaltet wird,

c3) liegt der erste oder zweite Aktivzustand für eine Zeitdauer, die einen Zeitdauergrenzwert überschreitet, durchgehend vor, dann wird die Uberwachungsvorrichtung in einen Fehlerausgabezustand versetzt, indem die Uberwachungsvorrichtung ein Fehlersignal zur Anzeige eines Fehlerzustandes ausgibt.

[0021] Unter dem Ausdruck „elektrisches Energienetz“ wird die Zusammenschaltung von elektri-

schen Erzeugern, elektrischen Transporteinrichtungen und elektrischen Verbrauchsanlagen zum Austausch, zur Abgabe oder zur Aufnahme von elektrischer Energie verstanden. Natürlich können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch mehrere Einspeiseanlagen überwacht werden. Auch können hierzu mehrere Erfassungspunkte vorgesehen sein, wobei z.B. im Falle eines verzweigten Netzes jedem Zweig ein Erfassungspunkt zugeordnet sein kann. In diesen Fall werden einfach den Erfassungspunkten die jeweiligen Einspeiseanlagen zugeordnet und entsprechend der obig angeführten Logik überwacht. Die Erfindung löst daher das Dilemma der Fehlererkennung bei Vorliegen von mittelfristig sehr kleinen und langfristig möglicherweise fehlenden Kurzschlussstromes.

[0022] Es kann vorgesehen sein, dass der erste Spannungsgrenzwert im Wesentlichen das 0,6fache der Nennspannung des elektrischen Energienetzes beträgt.

[0023] Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der zweite Stromgrenzwert gemäß Punkt c2) niedriger als der erste Stromgrenzwert gemäß Punkt c1) ist.

[0024] Weiters kann vorgesehen sein, dass der zweite Stromgrenzwert im Wesentlichen das 0,1fache des Nennstroms beträgt. Unter dem Ausdruck „im Wesentlichen“ wird verstanden, dass eine Abweichung von plus oder minus 10% zulässig ist.

[0025] Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Umschaltung in den zweiten Aktivzustand nur für die Zeitdauer erfolgt, in der sowohl der zweite Stromgrenzwert überschritten und der Spannungsgrenzwert unterschritten wird.

[0026] Weiters kann vorgesehen sein, dass der Wert des zweiten Stromgrenzwerts gemäß Punkt c2) im Wesentlichen dem Wert des ersten Stromgrenzwerts gemäß Punkt c1) entspricht.

[0027] Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Umschaltung in den zweiten Aktivzustand für die Zeitdauer beibehalten wird, in der - nach zumindest einmaligen zeitgleichen Vorliegens eines Unterschreitens des Spannungsgrenzwertes und eines Überschreitens des zweiten Stromgrenzwertes - der Spannungsgrenzwert weiterhin durchgehend unterschritten wird.

[0028] Weiters kann vorgesehen sein, dass der Zeitdauergrenzwert einstellbar ist und zwischen 0,1 s und 10 s beträgt.

[0029] Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Überwachungsvorrichtung dergestalt mit elektrischen Trennmitteln verbunden ist, dass die Uberwachungsvorrichtung bei Vorliegen des Fehlerausgabezustands eine Unterbrechung des Kurzschlussstrompfades herbeiführt.

[0030] Die Erfindung betrifft des Weiteren ein System zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das System hierzu die Uberwachungsvorrichtung umfassend eine Recheneinheit zur Umsetzung der Logik nach Punkten c1) bis c3), sowie einen mit der Recheneinheit verbundenen Datenspeicher, in dem die logischen Verknüpfungen gemäß dem Verfahren nach einer der vorhergehenden Ansprüche in Form eines durch die Recheneinheit ausführbaren Programmcodes hinterlegt sind, aufweist.

[0031] Die Erfindung ist im Folgenden anhand einer beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform näher erläutert, die in den Figuren veranschaulicht ist. Darin zeigt

[0032] Figur 1 den Verlauf der Ströme vor und während des Fehlerfalles in einem Netz, dass durch einen doppelt gespeisten Generator versorgt wird,

[0033] Figuren 2a bis 2d Mitsystem-Ersatzschaltpläne für den doppelt gespeisten Generator mit einem Windenergieanlangen- Transformator,

[0034] Figur 3 eine Übersicht zu den Anforderungen von Schutzeinrichtungen,

[0035] Figur 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

[0036] Figur 5 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

[0037] Figur 6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0038] In den folgenden Figuren bezeichnen - sofern nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.

[0039] Figuren 1 bis 3 zeigen - wie bereits eingangs beschrieben - Hintergrundinformationen zur vorliegenden Erfindung. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 4 zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierfür weist das System 4 eine Uberwachungsvorrichtung 3 umfassend eine Recheneinheit 3a zur Umsetzung der Logik nach Punkten c1) bis c3) des Verfahrens (nachfolgend genauer erörtert), sowie einen mit der Recheneinheit 3a verbundenen Datenspeicher 5 auf. In diesem Datenspeicher 5 sind die logischen Verknüpfungen gemäß dem Verfahren in Form eines durch die Recheneinheit 3a ausführbaren Programmcodes hinterlegt. Figur 4 zeigt dabei eine Situation, in der in einem elektrischen Energieversorgungsnetz 1 ein Fehler F auftritt und dieser Fehler durch eine kurzschlussstromschwache Einspeisevorrichtung 2 entsprechend dem Leistungsfluss L gespeist wird, wobei zwischen der Fehlerstelle F und der Einspeisevorrichtung 2 ein Erfassungspunkt P angeordnet ist, um den der Fehlerstelle seitens der Einspeisevorrichtung zufließenden Strom l;s als auch die aktuelle Netzspannung Uiss zu erfassen.

[0040] Mit diesem System 4 kann das erfindungsgemäße Verfahren zur zeitstaffelungsschutzkompatiblen selektiven netzkurzschlusserkennenden Uberwachung des Betriebes eines elektrischen Energienetzes 1, insbesondere eines Niederspannungs- oder Mittelspannungsnetzes, ausgeführt werden. Dabei ist das elektrische Energienetz 1 mit zumindest einer kurzschlussstromschwachen Einspeiseanlage 2 verbunden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Erfassen technisch relevanter Parameter der zumindest einen kurzschlussstromschwachen Einspeiseanlage 2, nämlich zumindest des Nennstromes Inder Einspeiseanlage, und des elektrischen Energienetzes 1, nämlich seiner Netzspannung Un,

b) Erfassen des zeitlichen Verlaufes der zu einer potentiellen Fehlerstelle F im elektrischen Energienetz fließenden Ströme Is sowie Erfassen des zeitlichen Verlaufes der Ist-Netzspannungen Uist an zumindest einem dem elektrischen Energienetz 1 zugeordneten Erfassungspunkt P,

c) wobei in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der gemäß Schritt b) erfassten Ströme list sowie der Ist-Netzspannungen Uiss auf das Vorhandensein eines netzseitigen Isolationsfehlers rückgeschlossen wird, indem diese Verläufe mit den Parametern nach Schritt a) wie folgt verknüpft werden:

c1) liegt zumindest einer der nach Schritt b) erfassten der Ist-Ströme Iisı über einem von dem Nennstrom In der zumindest einen Einspeiseanlage abgeleiteten ersten Stromgrenzwert (also lst>Ig1 mit z.B. Iy=1,2In), dann wird eine Überwachungsvorrichtung 3 in einen von einem Normbetriebszustand SO abweichenden ersten Aktivzustand S1‘ versetzt und für die Zeitdauer des UÜberschreitens des ersten Stromgrenzwertes 1,1 beibehalten, sofern nicht gemäß c3) in einen Fehlerausgabezustand S2 umgeschaltet wird,

c2) liegt zumindest einer der nach Schritt b) erfassten Ist-Netzspannungen unterhalb eines ersten Spannungsgrenzwertes (also Uisc3) liegt der erste oder zweite Aktivzustand S1‘ oder S1“ für eine Zeitdauer, die einen Zeitdauergrenzwert T überschreitet, durchgehend vor, dann wird die UÜberwachungsvorrichtung 3 in einen Fehlerausgabezustand S?2 versetzt, indem die Uberwachungsvorrichtung 3 ein Fehlersignal Sr (siehe Fig. 4) zur Anzeige eines Fehlerzustandes ausgibt. [0041] Generell kann vorgesehen sein, dass der erste Spannungsgrenzwert U, im Wesentlichen das 0,6-fache der Nennspannung Urn des elektrischen Energienetzes 1 beträgt.

[0041] Generell kann vorgesehen sein, dass der erste Spannungsgrenzwert U, im Wesentlichen das 0,6-fache der Nennspannung Urn des elektrischen Energienetzes 1 beträgt.

[0042] Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Darin ist vorgesehen, dass der zweite Stromgrenzwert Iy» gemäß Punkt c2) niedriger als der erste Stromgrenzwert Iy gemäß Punkt c1) ist (Igz[0043] Anders ausgedrückt handelt es sich bei dieser Ausführungsform der Erfindung um eine (tief eingestellte) Uberstromauslösung mit Unterspannungsfreigabe: Hierbei wird beim Unterschreiten einer Spannungsgrenze die Ansprechempfindlichkeit der Uberstromschutzeinrichtungen stark herabgesetzt, um mit dem verbleibenden geringen Fehlerstrom noch eine Reserveschutzauslösung sicherzustellen. Der ANSI-Code für eine solche Schutzeinrichtung lautet 51 V (valtage restrained time overcurrent). Bei diesem Verfahren bleibt die Grundfunktionalität des Strom-Zeitschutzes erhalten, es wird aber zusätzlich - sobald die Spannung einen gewissen Wert unterschreitet und solange noch ein gewisser Reststrom vorhanden ist - ein zweiter Auslösepfad aktiviert. Dieses Verfahren baut darauf, dass nach der oft hohen Reserveschutzzeit (im Bereich einiger Sekunden) noch ausreichend Strom vorhanden ist.

[0044] Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei ist vorgesehen, dass der Wert des zweiten Stromgrenzwerts (mit z.B. Ig=1,2 In) gemäß Punkt c2) im Wesentlichen dem Wert des ersten Stromgrenzwerts (also I9g1=l9ygz) gemäß Punkt c1) entspricht. Dabei wird die Umschaltung in den zweiten Aktivzustand S1" für die Zeitdauer beibehalten, in der - nach zumindest einmaligem zeitgleichem Vorliegen eines Unterschreitens des Spannungsgrenzwertes U, und eines Überschreitens des zweiten Stromgrenzwertes I,» - der Spannungsgrenzwert U, weiterhin durchgehend unterschritten wird.

[0045] Bei dieser Schutzfunktion wird also der Umstand genutzt, dass durch den starken Anfangskurzschlussstrom, der entsprechend der Charakteristik einer Maschine ein Vielfaches des Bemessungsstroms betragen kann, in Verbindung mit dem Verfall der Spannung eine Selbsthalteschleife aktiviert werden kann. Nach einer eingestellten Zeit T kann die Ausgabe eines Fehlersignals Sr bzw. eine dadurch getriggerte Auslösung bzw. Netztrennung erfolgen.

[0046] Falls aber in der Zwischenzeit (vor Ablauf der Zeitdauer T) durch eine andere Schutzeinrichtung das fehlerhafte Netzsegment aus dem Netzverbund herausgetrennt und- unter der Annahme verbleibender, ausreichender Einspeisekapazitäten- die gesunde Netzspannung wiederhergestellt wurde, wird die Selbsthalteschleife unterbrochen und die Erzeugungsanlage verbleibt im entsprechendem Netzverbund. Mit diesem Schutzverfahren wird der Forderung Rechenschaft getragen, bei Realisierung der Reserveschutzfusion auf Basis von Zeitstaffelung die Einspeisungen als letzte abzuschalten, auch wenn de facto kein für herkömmliche Verfahren ausreichender Kurzschlussstrom vorhanden ist.

[0047] Anders ausgedrückt, kann diese Variante der Erfindung nach Fig. 6 auch als Überstromauslösung mit unterspannungsgesteuerter Anrege-Selbsthaltung bezeichnet werden.

[0048] Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Überwachungsvorrichtung 3 dergestalt mit elektrischen Trennmitteln verbunden ist, dass die Uberwachungsvorrichtung 3 bei Vorliegen des Fehlerausgabezustands S2 eine Unterbrechung des Kurzschlussstrompfades herbeiführt.

[0049] Die Erfindung ist für unterschiedliche Spannungsebenen einsetzbar. So kann die Netzspannung z.B. zwischen 3 kV und 145 kV (Effektivwert der verketteten Spannung in einem 3phasen-System) betragen.

[0050] Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern durch den gesamten Schutzumfang der Ansprüche definiert. Auch können einzelne Aspekte der Erfindung bzw. der Ausführungsformen aufgegriffen und miteinander kombiniert werden. Etwaige Bezugszeichen in den Ansprüchen sind beispielhaft und dienen nur der einfacheren Lesbarkeit der Ansprüche, ohne diese einzuschränken.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Verfahren zur zeitstaffelungsschutzkompatiblen selektiven netzkurzschlusserkennenden Überwachung des Betriebes eines elektrischen Energienetzes (1), insbesondere eines Niederspannungs- oder Mittelspannungsnetzes, wobei das elektrische Energienetz (1) mit zumindest einer kurzschlussstromschwachen Einspeiseanlage (2) verbunden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Erfassen technisch relevanter Parameter der zumindest einen kurzschlussstromschwachen Einspeiseanlage (2), nämlich zumindest des Nennstromes (In) der Einspeiseanlage, und des elektrischen Energienetzes (1), nämlich seiner Netzspannung (UN),

b) Erfassen des zeitlichen Verlaufes der zu einer potentiellen Fehlerstelle (F) im elektrischen Energienetz fließenden Ströme (lisı) sowie Erfassen des zeitlichen Verlaufes der Ist-Netzspannungen (Ui) an zumindest einem dem elektrischen Energienetz (1) zugeordneten Erfassungspunkt (P),

c) wobei in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der gemäß Schritt b) erfassten Ströme (list) sowie der Ist-Netzspannungen (Uis) auf das Vorhandensein eines netzseitigen Isolationsfehlers rückgeschlossen wird, indem diese Verläufe mit den Parametern nach Schritt a) wie folgt verknüpft werden:

c1) liegt zumindest einer der nach Schritt b) erfassten der Ist-Ströme (list) über einem von dem Nennstrom (In) der zumindest einen Einspeiseanlage abgeleiteten ersten Stromgrenzwert (1,1), dann wird eine Uberwachungsvorrichtung (3) in einen von einem Normbetriebszustand (SO) abweichenden ersten Aktivzustand (S1‘) versetzt und für die Zeitdauer des Überschreitens des ersten Stromgrenzwertes beibehalten, sofern nicht gemäß c3) in einen Fehlerausgabezustand (S2) umgeschaltet wird,

c2) liegt zumindest einer der nach Schritt b) erfassten Ist-Netzspannungen (Uist) unterhalb eines ersten Spannungsgrenzwertes (U,) und liegt dabei gleichzeitig ein Ist-Strom (list) vor, der einen zweiten Stromgrenzwert (l,2) überschreitet, so wird die Uberwachungsvorrichtung in einen zweiten Aktivzustand (S1“) versetzt, sofern nicht gemäß c3) in einen Fehlerausgabezustand (S2) umgeschaltet wird,

c3) liegt der erste oder zweite Aktivzustand (S1‘ oder S1“) für eine Zeitdauer, die einen Zeitdauergrenzwert (T) überschreitet, durchgehend vor, dann wird die Uberwachungsvorrichtung (3) in einen Fehlerausgabezustand (S2) versetzt, indem die Uberwachungsvorrichtung (3) ein Fehlersignal (Sr) zur Anzeige eines Fehlerzustandes ausgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Spannungsgrenzwert im Wesentlichen das 0,6fache der Nennspannung (Un) des elektrischen Energienetzes (1) beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Stromgrenzwert (ly2) gemäß Punkt c2) niedriger als der erste Stromgrenzwert gemäß Punkt c1) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der zweite Stromgrenzwert (ly2) im Wesentlichen das 0,1fache des Nennstroms (In) beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Umschaltung in den zweiten Aktivzustand ($S1“) nur für die Zeitdauer erfolgt, in der sowohl der zweite Stromgrenzwert (l;2) überschritten und der Spannungsgrenzwert (U,) unterschritten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wert des zweiten Stromgrenzwerts (ly2) gemäß Punkt c2) im Wesentlichen dem Wert des ersten Stromgrenzwerts (I) gemäß Punkt c1) entspricht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Umschaltung in den zweiten Aktivzustand (S1“) für die Zeitdauer beibehalten wird, in der - nach zumindest einmaligen zeitgleichen Vorliegens eines Unterschreitens des Spannungsgrenzwertes (U,) und eines Überschreitens des zweiten Stromgrenzwertes (l;2) - der Spannungsgrenzwert (U,) weiterhin durchgehend unterschritten wird.

8. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Zeitdauergrenzwert (T) einstellbar ist und zwischen zwischen 0,1 s und 10 s beträgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsvorrichtung (3) dergestalt mit elektrischen Trennmitteln verbunden ist, dass die Uberwachungsvorrichtung (3) bei Vorliegen des Fehlerausgabezustands (S2) eine Unterbrechung des Kurzschlussstrompfades herbeiführt.

10. System (4) zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System (4) hierzu

- die Überwachungsvorrichtung (3) umfassend eine Recheneinheit (3a) zur Umsetzung der Logik nach Punkten c1) bis c3), sowie

- einen mit der Recheneinheit (3a) verbundenen Datenspeicher (5), in dem die logischen Verknüpfungen gemäß dem Verfahren nach einer der vorhergehenden Ansprüche in Form eines durch die Recheneinheit (3a) ausführbaren Programmcodes hinterlegt sind, aufweist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen