Schutzmaßnahmen
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Elektrotechnik
Kurzschluss-Schutz in Niederspannungsanlagen
ep2/2001, 4 Seiten
1 Ermittlung der notwendigen Kurzschlussströme Durch das Auftreten von Kurzschlussströmen treten hohe mechanische und thermische Beanspruchungen der elektrischen Betriebsmittel und Anlagen auf. Die möglichen Schäden sind dabei sowohl von der Höhe als auch von der zeitlichen Dauer des Kurzschlussstroms abhängig. Eine entsprechend dimensionierte elektrische Anlage und eine darauf abgestimmte, schnelle Erfassung und sichere, selektive Ausschaltung des Kurzschlussstroms durch Schutzeinrichtungen ist die Aufgabe des Kurzschluss-Schutzes. Dazu ist die Kenntnis der größten und kleinsten Kurzschlussströme in der zu überprüfenden Anlage bzw. des Netzes erforderlich. Zum Nachweis der Gewährleistung der Kurzschlussfestigkeit und Selektivität ist die Kenntnis der Kurzschlussgrößen: a) Anfangs-Kurzschschlusswechselstrom I" b) Stoß-Kurzschlussstrom ip, c) Ausschaltwechselstrom Ia d) Dauer-Kurzschlussstrom Ik, und e) Thermisch gleichwertiger Kurzschlussstrom Ith erforderlich. Zu beachten ist, dass die Kurzschlussgrößen als Effektivwerte charakterisiert werden, mit Ausnahme des Stoß-Kurzschlussstroms, der den maximalen Spitzenwert nach dem Eintritt des Kurzschlusses darstellt (Bild ). Die Kurzschlussströme (a bis d) werden nach den Berechnungsvorschriften der Normen DIN VDE 0102 [1] und (e) nach DIN VDE 0103 [2] ermittelt und sind formelmäßig in Tafel zusammengefasst. Die Berechnung der Kurzschlussströme in Niederspannungsanlagen einschließlich eventueller Motor-Kurzschlussanteile ist in [3] ausführlich dargestellt. Bisher wurden die Kurzschlussfälle nach DIN VDE 0102 [1] in generatorfern und generatornah unterschieden. Bei generatornahen Kurzschlussströmen werden die sich durch Ausgleichsvorgänge im Generator oder Motor bedingten zusätzlichen Wechselstromanteile bei der Höhe des Kurzschlussstroms berücksichtigt. Der exponentiell abklingende Gleichstromteil (-glied) wird immer als möglicher Höchstwert einbezogen. Es bestimmt insbesondere die Höhe des Stoß-Kurzschlussstroms und beeinflusst den thermisch gleichwertigen Kurzschlussstrom. In Niederspannungsnetzen wird bei ausschließlicher Netzeinspeisung (generatorferner Kurzschluss) die Berechnung ohne zusätzliche Wechselstromanteile vorgenommen. Damit vereinfacht sich die Ermittlung der Kurzschlussströme, weil dadurch gilt: k = Ik = Ia (1) Diese Gleichsetzung kann ohne weitere Prüfung mit dem thermisch gleichwertigen Kurzschlussstrom erweitert werden, wenn die Ausschaltzeit Ta > 1 s und/oder der Stoßfaktor < 1,4 beträgt. Dass für den Nachweis der Kurzschlussfestigkeit die maximal zu erwartenden Kurzschlussströme benötigt werden, gilt als selbstverständlich, aber für den Nachweis der thermischen Kurzschlussfestigkeit von Kabeln und Leitungen ist auch der kleinste zu erwartende Anfangs-Kurzschlussstrom von Bedeutung. Er bestimmt die Kurzschlussdauer und damit auch die Erwärmung von Kabeln und Leitungen, die begrenzt ist beim Erreichen der Kurzschlussendtemperatur oder bei maximal fünf Sekunden. Für die Untersuchungen zum Nachweis der Selektivität ist die Kenntnis sowohl der kleinsten als auch der größten Kurzschlussströme bei angenommenen Fehlern an den Einbaustellen der Kurzschlusseinrichtungen nötig. Bei der Berechnung der Kurzschlussströme sind die Besonderheiten für die kleinsten und größten Werte zu beachten. Insbesondere die Berechnung kleinster Kurzschlussströme mit der Berücksichtigung des Schaltzustands des Netzes bzw. der elektrischen Anlage und erhöhter Leitertemperaturen sowie eventueller Zusatzimpedanzen erfordert einen höheren Aufwand. Schutzmaßnahmen Elektropraktiker, Berlin 55 (2001) 2 122 Kurzschluss-Schutz in Niederspannungsanlagen K.-H. Kny, Magdeburg Neben dem grundsätzlichen Vorgehen beim Nachweis der Kurzschlussfestigkeit und der Selektivität wird im Beitrag auf diesbezügliche Besonderheiten bei sehr hohen und geringen Kurzschlussströmen bzw. sehr kurzen (Millisekundenbereich) und relativ langen Ausschaltzeiten eingegangen. Dozent Dipl.-Ing. Karl-Heinz Kny, Hochschule Magdeburg-Stendal (FH). Autor Tafel Formeln zur Berechnung der Kurzschulussströme Kurzschlussstrom dreipolig zweipolig einpolig Anfangs-Kurzschlusswechselstrom Stoß-Kurzschluss- ip 3 = 2··I" k 3 - ip 1 = 2··I" k 1 strom Ausschalt- Ia 3 = µ·I" k 3 - Ia 1 = µ·I" k 1 wechselstrom Dauer-Kurzschluss- Ik 3 = ·Ir G - Herstellerangabe strom (z. B. Ik 1 > 3·Ir G) Thermisch gleichwertiger Ith3 = I" k 3·m + n - Ith 1 = I" k 1·m + n Kurzschlussstrom c U = I I k k 2 3 c U Z Z k k 2 ( ) Strom Zeit Gleichstromkomponente I`` Verlauf des Kurzschlussstroms 2 Nachweis der Kurzschlussfestigkeit 2.1 Mechanische Kurzschlussfestigkeit Die größte Kraftwirkung in elektrischen Anlagen tritt beim ersten Spitzenwert des Kurzschlussstroms nach dem Eintritt des Fehlers auf. Dabei wird der ungünstigste Fall des zeitlichen Kurzschlusseintritts - der Spannungsnulldurchgang - angenommen. Dann erfolgt die maximale Anhebung des Kurzschlussstroms durch die sogenannte Gleichstromkomponente. Neben der geometrischen Anordnung der Leitungsanordnung geht dabei der Kurzschlussstrom quadratisch in die zu erwartende Kraftwirkung ein. Für Stromschienenanordnungen können solche Kraftwirkungen berechnet und die mechanische Kurzschlussfestigkeit der Leiterschienen und deren Befestigungselemente überprüft werden [2]. Allgemein wird aber durch die Hersteller von Betriebsmitteln und Anlagen die Bemessungs-Stoßstromfestigkeit Ipr angegeben. Dieser Festigkeitswert darf vom zu erwartenden Stoß-Kurzschlussstrom ip nicht überschritten werden: Ipr ip. Der Stoß-Kurzschlussstrom wird bei der Ausschaltung durch strombegrenzende Schutzeinrichtungen (Schmelzsicherungen, strombegrenzende Leistungsschalter) nicht erreicht. Vor dem Spitzenwert, beim sogenannten Durchlassstrom, wird der Kurzschlussstrom unterbrochen und die mechanische Beanspruchung dadurch geringer - bei hohem Kurzschlussstrom sogar erheblich (Bild ). Den Durchlassstrom id einer Schmelzsicherung erhält man aus dem Strombegrenzungsdiagramm [3], Bild 4.5. Der Nachweis erfolgt mit der Bedingung: Ipr id . 2.2 Thermische Kurzschlussfestigkeit Als Ausgangsgröße beim Nachweis der thermischen Kurzschlussfestigkeit wird der Anfangs-Kurzschlusswechselstrom herangezogen, der als Effektivwert gekennzeichnet ist. Die Vorgehensweise muss bezüglich der Höhe des Kurzschlussstroms unterschieden werden. Bei großen Kurzschlussströmen und dadurch bedingten sehr kurzen Ausschaltzeiten ist der sinusförmige Charakter nicht mehr gegeben, wenn der Strom schon vor dem Erreichen des ersten Scheitelwerts oder vor dem ersten Halbwellenende unterbrochen wird. Die Beschreibung einer Wechselgröße als Effektivwert für Ausschaltzeiten kleiner 0,01 s wäre falsch. 2.2.1 Kurzschlussdauer 0,01 s Nachweis mittels des thermisch gleichwertigen Kurzschlussstroms Ith: Unter dem Einfluss der Abklingvorgänge nach dem Kurzschlusseintritt wird der thermisch gleichwertige Kurzschlussstrom nach DIN VDE 0103 mit dem Anfangs-Kurzschlusswechselstrom Ik " und den Faktoren m und n [2], Bild 2a/b, nach Formel (2) ermittelt, die die zusätzliche Wärmewirkung durch die Gleich- und Wechselstromkomponenten berücksichtigen. (2) Der von den Herstellern angegebenen Bemessungs-Kurzzeitstrom Ithr, mit der dazugehörigen Bemessungskurzzeit (meist 1 s) wird auf die tatsächliche Kurzschlussdauer Tk umgerechnet und muss dann nach (3) immer gleich/größer als der thermisch gleichwertige Kurzschlussstrom Ith sein. (3) 2.2.2 Kurzschlussdauer < 0,01 s Nachweis mittels Stromwärmewert I2T: Thermische Kurzschlussfestigkeit ist gegeben, wenn der vom Hersteller für das Betriebsmittel angegebene zulässige Stromwärmewert (I2T)Herst., z. B. [3], Tafel 5.6, gleich/größer dem maximalen Durchlasswert der Schutzeinrichtung (I2T)Schutz ist. (I2T)Herst. (I2T)Schutz Stromwärme-Durchlasswerte werden von den Herstellern der Kurzschluss-Schutzeinrichtungen als Bild oder in Tabellenform zur Verfügung gestellt (siehe Abschnitt 3). Diese Methode der Überprüfung ist auch für höhere Ausschaltzeiten als 0,01 s anwendbar. 2.3 Mindestkurzschlussstrom/max. zulässige Leitungslänge Bei relativ kleinen Kurzschlussströmen kann die Ausschaltung durch eine falsch ausgewählte oder eingestellte Schutzeinrichtung nach dem Erreichen der Kurzschlussendtemperatur oder erst nach 5 s erfolgen. Beides ist nicht zulässig. Deshalb muss auch Kurzschlussfestigkeit durch das Fließen eines Mindestkurzschlussstroms gesichert sein. Insbesondere bei großen Leitungs- und Kabellängen sowie geringen Leiterquerschnitten wird der Kurzschlussstrom erheblich verringert. Um den Nachweis zu vereinfachen, ist in DIN VDE 0100 Beiblatt 5 [4] die maximal zulässige Leitungslänge in Abhängigkeit vom Kabel-/Leitungstyp und -querschnitt, der Kurzschluss-Schutzeinrichtung und deren Nennstrom sowie der ihr vorgelagerten Schleifenimpedanz angegeben. Rechnerisch kann mit Formel (4) die maximal zulässige Leitungslänge mit der Netznennspannung Un, der Schleifenimpedanz vor der Schutzeinrichtung Zv, dem Impedanzbelag ZL ' [3], Tafeln 3.5, 3.6, und des von der eingesetzten Schutzeinrichtung abhängige erforderliche Mindestkurzschlussstrom Ikerf [3], Tafeln 5.10 bis 5.15, mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden: (4) 2.4 Ausreichendes Schaltvermögen von Kurzschluss-Schutzeinrichtungen Kurzschluss-Schutzeinrichtungen (Schmelzsicherungen, LS-Schalter, Leistungsschalter, Motorschutzschalter) müssen den Kurzschlussstrom ausschalten, ohne dabei selbst Schaden zu nehmen. Von den Herstellern wird ein Bemessungs-Ausschaltvermögen als Stromgröße Iar angegeben, das vom Ausschaltwechselstrom Ia nicht überschritten werden darf: Ia Iar. Die Berechnungsformel für den Ausschaltwechselstrom Ia mit dem Abklingfaktor µ ist in Tafel angegeben. Der vergleichsweise zum Netzkurzschluss geringere Ausschaltwechselstrom von Asynchronmotoren wird zusätzlich mit dem Faktor q [1], Bild 25, berechnet: Ia = µ·q·Ik " (5) In Niederspannungsnetzen ohne unmittelbare Generatoreinspeisung und angeschlossenen Asynchronmotoren kann der Ausschaltwechselstrom dem Anfangs-Kurzschlusswechselstrom bzw. Dauer-Kurzschlussstrom gleichgesetzt werden (1). Für Schmelzsicherungen muss das Mindest-Bemessungsausschaltvermögen 50 kA betragen. LS-Schalter werden mit den relativ geringen Werten von 3, 4,5, 6 und 10 kA und sogenannte selektive Hauptleitungs-Schutzschalter (SLS) oder Hauptsicherungs-Automaten bis 25 kA angeboten. Für höhere erforderliche Ausschaltleistungen kommt bei Nutzung der Vorteile von Schaltern gegenüber Schmelzsicherungen nur der Einsatz von Leistungsschaltern in Frage. 3 Nachweis der Selektivität Ziel der selektiven Ausschaltung in elektrischen Netzen und Anlagen ist es, nur die der Fehlerstelle nachgeordneten Netzteile und Abnehmer vom speisenden Netz zu trennen. kerf max 0 95 thr k r I I m n th k = + Schutzmaßnahmen Elektropraktiker, Berlin 55 (2001) 2 123 Strombegrenzender Ausschaltvorgang tS Schmelzzeit; tL Löschzeit (Lichtbogendauer); tG Gesamtausschaltzeit; id Durchlassstrom; ip Stoß-Kurzschlussstrom tS tL Strom Zeit t zu erwartender Kurzschlussstrom Die Kurzschluss-Schutzeinrichtungen müssen zur Sicherstellung von Selektivität entsprechend ausgewählt, ausgelegt und die Auslöseströme eingestellt werden. Dazu sind Überlegungen erforderlich, wie bei den verschiedenen Kombinationen von hintereinander geschalteten Schutzeinrichtungen die unterschiedlichen Überlast- und Kurzschlussströme zur Ausschaltung führen. Neben den zu erwartenden kleinsten und größten Kurzschlussströmen ist das Ausschaltverhalten der einzelnen Schutzeinrichtungen von Interesse. Der Nachweis von Selektivität muss bei kleinen und großen Kurzschlussströmen erfolgen. Ist die Kurzschluss- bzw. die Ausschaltzeit größer als 0,1 s, dann werden die Zeit-Strom-Kennlinien herangezogen. Der Vergleich der Kennlinien im Diagramm darf keine Überschneidung der Toleranzbänder im in Frage kommenden Kurzschlussstrom-Bereich ergeben (Bild ). Bei Kurzschlusszeiten kleiner als 0,1 s ist der Kurzschlussstromverlauf durch die Überlagerung von Wechsel- und Gleichstromanteilen nicht symmetrisch zur Zeitachse. Deshalb muss die Überprüfung durch den Vergleich von Stromwärmewerten, die von den Herstellern der Schutzeinrichtungen angegeben werden, durchgeführt werden. Für Schmelzsicherungen sind die minimalen Schmelz- und maximalen Ausschaltwärmewerte in Tafel aufgelistet. Sind Schmelzsicherungen in Reihe angeordnet, dann muss der Schmelzwärmewert I2Tmin der vorgeordneten größer sein als der Ausschaltwärmewert I2Tmax der nachfolgenden: I2Tmin > I2Tmax Dann ist garantiert, dass der Faden der vorgeordneten Sicherung die Schmelztemperatur nicht erreicht und seine Schmelzcharakteristik unverändert bleibt. Nach DIN VDE 0636 [5] ist für baugleiche Schmelzsicherungen Selektivität in jedem Fall gewährleistet, wenn sich die Bemessungsstromstärken maximal um den Faktor 1,6 unterscheiden. Sind LS-Schalter und Leistungsschalter mit den verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten hintereinander angeordnet, muss bei Stromselektivität der größte Kurzschlussstrom an der Einbaustelle des nachgeordneten Schalters kleiner sein als der Ansprechstrom des vorgeordneten Schalters (Bild ). Bei hohen Kurzschlussströmen, wo im Zeit-Strom-Diagramm beide Kennlinien im Bereich des Kurzschlussauslösers liegen, ist der Nachweis von Selektivität mittels der Durchlassströme möglich. Für LS-Schalter gelten die Werte nach Tafel und für Leistungsschalter werden von Schutzmaßnahmen Elektropraktiker, Berlin 55 (2001) 2 124 Tafel Zulässige Durchlass-I2T-Werte für LS-Schalter bis 16 A [6] Bemessungs- Energiebegrenzungsklasse schaltvermögen 2 3 (I2T)max in A in A2s Charakteristik Charakteristik B C B C 3 000 31 000 37 000 15 000 18 000 4 500 60 000 75 000 25 000 30 000 6 000 100 000 120 000 35 000 42 000 10 000 240 000 290 000 70 000 84 000 In Si I2Tmin 1) I2Tmax A A2s A2s 2 0,67 16,4 4 4,9 67,6 6 16,4 193,6 8 40,0 390 10 67,6 640 12 130 820 16 291 1 210 20 640 2 500 25 1 210 4 000 32 2 500 5 750 40 4 000 9 000 50 5 750 13 700 63 9 000 21 200 80 13 700 36 000 100 21 200 64 000 125 36 000 104 000 160 64 000 185 000 200 104 000 302 000 250 185 000 557 000 315 302 000 900 000 400 557 000 1 600 000 500 900 000 2 700 000 630 1 600 000 5 470 000 800 2 700 000 10 000 000 1000 5 470 000 17 400 000 1250 10 000 000 33 100 000 1) Schmelzwert; 2) Ausschaltwert 0,4 0,2 0,1 102 103 2 3 4 5 Strom 50 A 80 A 63 A 80 A 50 A Selektivität zwischen Leitungsschutzsicherungen a) Schaltbild; b) Zeit-Strom-Diagramm B A Selektivität bei Kurzschluss IaB IaA I in A Selektivität zwischen LS-Schaltern I in A A T zeitselektiv Staffelzeit stromselektiv Ikmax A Ikmin A Ikmin B IGrenz B Ikmax A Ikmin A Ikmax B Ikmin B Selektivität zwischen Leistungsschaltern B A Icn = 50 kA Icn = 15 kA IK = 20 kA IK = 5 kA Zeit Strom 5 15 45 selektiv nicht selektiv a) b) Back-up-Schutz und Selektivität a) Schaltbild; b) Zeit/Strom-Diagramm Tafel Schmelz- und Ausschalt-I2T-Werte für gG- und gM-Sicherungseinsätze [5] Herstellern entsprechende Kurven angegeben. Mit Leistungsschaltern ist die sogenannte Zeitselektivität möglich und sinnvoll, bei der die Einstellung der Ausschaltzeiten (Staffelung) so erfolgt, dass der vorgeordnete Schalter eine größere Verzögerungszeit hat als der nachgeordnete (Bild ). 4 Back-up-Schutz Beherrscht eine Schutzeinrichtung den an der Einbaustelle auftretenden Kurzschlussstrom beim Ausschalten nicht, so kann eine vorgeschaltete Schutzeinrichtung den kurzschlussfesten Ausschaltvorgang übernehmen. Dazu sind zwei hintereinander geschaltete Überstrom-Schutzeinrichtungen so aufeinander abzustimmen, dass die vorgeschaltete Schutzeinrichtung A den Kurzschluss-Schutz übernimmt, bevor das Schaltvermögen der nachgeordneten Schutzeinrichtung B überschritten wird. Im Bild sind zwei unverzögerte Leistungsschalter in Reihe angeordnet. Der Leistungsschalter B wird auf einen Ansprechwert von 5 kA (minimaler Kurzschlussstrom) eingestellt. Bei einem Kurzschluss an der Einbaustelle tritt ein Kurzschlussstrom von 20 kA auf. Da der Leistungsschalter B nur ein Ausschaltvermögen Icn = 15 kA besitzt, beherrscht der Leistungsschalter B mögliche Kurzschlussströme zwischen 15 und 20 kA nicht mehr. Der vorgeordnete Leistungsschalter A muss deshalb auf einen Ansprechstrom von 15 kA eingestellt sein, damit er den Ausschaltvorgang übernimmt, auch wenn der Fehler nicht in seinem Schutzbereich liegt. Beide Schutzeinrichtungen lösen gleichzeitig und damit unselektiv aus. Die Möglichkeiten und Grenzen des Backup-Schutzes sind oft nur mit den Angaben der Hersteller zu realisieren bzw. auszuschöpfen. Durch das hohe Ausschaltvermögen von Schmelzsicherungen von mindestens 50 kA bieten sie sich als Vorsicherung von Leistungsschutzschaltern an, die ja nur ein geringes Ausschaltvermögen bis 10 kA haben. 5 Abschließender Hinweis Dieser Beitrag soll und kann nur einen Überblick geben über die zu beachtenden und durchzuführenden Maßnahmen bei der Planung, Errichtung und Prüfung des Kurzschlussschutzes in Niederspannungsanlagen. Eine ausführliche Darlegung mit vielen praktischen Beispielen sowie ausdruckbaren Arbeitsblättern und Tafeln bietet [3]. Literatur [1] DIN VDE 0102 Berechnung von Kurzschlussströmen in Drehstromnetzen. [2] DIN VDE 0103 Kurzschlussströme; Berechnung der Wirkung; Teil 1: Begriffe und Berechnungsverfahren. [3] Kny, K.-H.: Kurzschluss-Schutz in Gebäuden. Berlin: Verlag Technik. [4] DIN VDE 0100 Beiblatt 5 Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannung bis 1000V; Zulässige Längen von Kabeln und Leitungen unter Berücksichtigung des Schutzes bei Kurzschluss und des Spannungsfalls. [5] DIN VDE 0636 Niederspannungssicherungen. [6] EN 60898 DIN VDE 0641 Teil 11 Leitungsschutzschalter für den Haushalt und ähnliche Anwendungen. Schutzmaßnahmen Ein einfaches Berechnungsprogramm mit Excel, zum Beispiel 3.14 in [3], wird auf Wunsch als E-Mail zugesandt. Adresse: www.Karl-Heinz.Kny@elektrotechnik.hsmagdeburg.de Hinweis
Autor
- K.-H. Kny
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