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Aus dem Facharchiv: Arbeitsschutz, Arbeitssicherheit, Betriebsführung
Nicht sich selbst überlassen – Schutzeinrichtungen in Mittelspannungsschaltanlagen überwachen

Aus Erfahrung machen Betreiber und Schaltberechtigte oftmals um die Schutzeinrichtungen in ihren Anlagen einen ehrfurchtsvollen Bogen. Selbst wenn die heutigen Schutzrelais über raffinierte Eigenkontrollen verfügen, ganz auf sich allein gestellt dürfen sie dennoch nicht bleiben.

(1) Reservesicherungen sollten besser in ihrer Verpackung bleiben (Quelle: F. Schmidt)

(1) Reservesicherungen sollten besser in ihrer Verpackung bleiben (Foto: F. Schmidt)

Der Beitrag stellt die in Mittelspannungsschaltanlagen üblichen Schutzeinrichtungen mit einfachen Erläuterungen vor. Er verfolgt nicht das Ziel, das komplexe und durchaus komplizierte Zusammenwirken von Schutzrelais zu beschreiben und in die Schutzphilosophie einzudringen. Es geht in erster Linie darum, den Blick des Betreibers auf diese so wichtigen Einrichtungen und den sicheren Umgang mit ihnen zu lenken.

Rolle der Schutzeinrichtungen

An Schutzeinrichtungen werden in der Elektrotechnik höchste Anforderungen gestellt. Schließlich hängt von ihnen nicht nur die Verfügbarkeit der Anlagen, sondern auch die Personensicherheit ab. Sehr frühzeitig erkannten die Experten, dass die Entwicklung einer schnellen, sicheren und selektiven Schutztechnik wichtiger war, als die überhastete Inbetriebnahme unzuverlässig geschützter neuer Anlagen. Auf dem weiten Weg vom ersten Patent eines Richtungsschutzes (Krämer, 1904), über den genialen Geräteschutz (Buchholz, 1921) und dem ersten digitalen Schutz (Westinghouse, 1971) – bis zur Realisierung heutiger Ansprüche nach durchdachten Normen und vorbildlichen Richtlinien des VDN [8] sind erstaunliche Ideen weitsichtiger Techniker für den modernen Schutz verwirklicht worden. Sie müssen aber auch von den Elektrofachkräften als eine unverzichtbare und wohlbehütete Komponente der betriebenen Anlagen verstanden werden.

Steuerspannungen

Kurzbeschreibung: Nur ganz wenige Schutzeinrichtungen kommen ohne eine Steuerspannung aus. Schmelzsicherungen gehören beispielsweise dazu. Der gelegentlich dafür verwendete Begriff „Hilfsspannung“ verharmlost diese wichtige Voraussetzung für das Funktionieren des Schutzes. Unzählige Beispiele für schwere Havarien gehen auf das unbemerkte Fehlen der Steuerspannung zurück. In soliden Anlagen wird daher die Steuerspannung für die Schutzeinrichtungen aus autonomen und netzunabhängigen Quellen gewonnen, beispielsweise aus Batterien, USV-Anlagen oder Kondensatoren.

Verantwortungsbewusste Betreiber scheuen nicht den ökonomischen Aufwand für eine redundante Ausführung und sorgen darüber hinaus für eine lückenlose Überwachung. Indem isolierte Steuerspannungsnetze mit Isolationsüberwachung aufgebaut werden, wird auch ihr erster Erdfehler ohne Einschränkung der Schutzfunktionen beherrscht.

In kleineren Anlagen, wie zum Beispiel in Ortsnetzstationen, werden netzabhängige Steuerspannungen verwendet; zudem wird aus Gründen der Anlagenverfügbarkeit auf eine Arbeitsstromauslösung orientiert, beispielsweise bei Transformatorenschutzeinrichtungen. Es muss aber jedem klar sein, dass bei einem Ansprechen der Steuersicherung diese Schutzeinrichtungen nicht mehr funktionieren.

Anwendungshinweise

  • Steuerspannungen für Schutzeinrichtungen sollten in wichtigen Parametern überwacht werden (Spannung außerhalb der zulässigen Toleranz von 0,85 … 1,15 des Bemessungswertes, Isolationsfehler, Ladestörung bei Batterien).
  • Es ist festzulegen, welche Maßnahmen bei Ausfall der Steuerspannung getroffen werden müssen. Ist kein Reserveschutz durch vorgeordnete Schutzeinrichtungen vorhanden, ist die Anlage auszuschalten.
  • Es sollte jede Möglichkeit genutzt werden, das Überwachen der Steuerspannung und das Übertragen von Störmeldungen an eine besetzte Stelle zu testen, beispielsweise durch kurzzeitiges Unterbrechen der Steuerspannung.

Typische Überstromschutzeinrichtungen

Zu den typischen Überstromschutzeinrichtungen gehören Schmelzsicherungen und Überstromschutzrelais, an denen sich die Auslösewerte für Strom und/oder Zeit einstellen lassen.

Hochspannungssicherungen

Kurzbeschreibung: Hochspannungssicherungen (HH-Sicherungen) werden eingesetzt zum Schutz bei Überströmen (Überlast, Kurzschluss) und gehören zu den zuverlässigsten Schutzeinrichtungen überhaupt. Typische Kennwerte und Grundsätze zu Sicherungen sind in [1] enthalten; die Absicherung von Motoren ist in [2] beschrieben, Transformatorenabsicherungen erfolgen nach [3].

Die Bemessungsspannungen für Sicherungseinsätze liegen zwischen 3,6 und 72,5 kV.

Eine Spannungsangabe, wie zum Beispiel 10/24 kV, beschreibt den zulässigen Einsatzbereich.

Der Schlagstift dient sowohl als Kennmelder mit den üblichen Kennzeichnungsfarben für den Bemessungsstrom (beispielsweise rot für 10 A) als auch zum Betätigen der Freiauslösung angebauter Lastschalter.

Anwendungshinweise

  • Im Stationszubehör müssen geeignete Reservesicherungen vorgehalten werden.
  • Sicherungen dürfen nur gegen den gleichen Typ ausgewechselt werden. Steht dieser nicht zur Verfügung, sind Ersatzsicherungen nach den sogenannten Referenzlisten auszuwählen; oder es ist der Sicherungshersteller zu konsultieren.
  • Auch wenn eine oder zwei Sicherungen angesprochen haben, ist stets der komplette Satz zu wechseln.
  • Reservesicherungen (Bild 1) sollten bis zu ihrem Gebrauch in ihrer Verpackung verbleiben ([4], Abschnitt 10).

Abhängiger Maximalstrom-Zeitschutz

Kurzbeschreibung: Der abhängige Maximalstrom-Zeitschutz (AMZ) ist auch als abhängiger Überstromzeitschutz bekannt. Charakteristisch für das AMZ-Verhalten ist die Zeit-Strom-Kennlinie zum Beispiel einer Schmelzsicherung: Je größer der Strom, desto kürzer ist die Auslösezeit (Bild 2). Der parabolische Kurvenverlauf folgt aus der quadratischen Abhängigkeit der Energie zwischen Strom und Zeit.

Bei AMZ-Relais erfolgt nach dem Überschreiten eines eingestellten Ansprechstromes das Ausschaltkommando. Der Strom kann entweder dem Relais direkt zugeführt (Primärrelais) oder aus Wandlern gewonnen werden (Sekundärrelais). Typische Beispiele für den AMZ-Schutz sind die thermischen Auslöser an Leistungs- oder Motorschutzschaltern. Digitale Schutzrelais ermöglichen die Einstellung verschiedener Auslösekennlinien.

Wenn zusätzlich die Impedanzwerte der zu schützenden Anlagen/Kabel/Leitungen bekannt sind, kann der digitale Schutz auch den Fehlerort identifizieren.

Unabhängiger Maximalstrom-Zeitschutz

Kurzbeschreibung: Der unabhängige Maximalstrom-Zeitschutz (UMZ) ist auch als unabhängiger Überstromzeitschutz bekannt. Beim Überschreiten eines eingestellten Stromwertes wird nach Ablauf einer frei und stromunabhängig festgelegten Zeit der Ausimpuls an den Leistungsschalter erteilt (Bild 3).

Durch die Anordnung mehrerer UMZ-Relais in Reihe kann ein mehrstufiger Schutz mit hoher Selektivität erreicht werden.

Nachteilig ist, dass bei einem Kurzschluss unmittelbar an der Einspeisung gleichzeitig der höchste Kurzschlussstrom und die längste Auslösezeit auftreten. Wenn zusätzlich zum Strom auch die Netzspannung ausgewertet wird, kann ein zum Beispiel für den Betrieb von Parallelleitungen wichtiger Richtungsentscheid erfolgen.

Der Reserveschutz wird automatisch von den nachgeordneten Relais mit höherer Auslösezeit gewährleistet.

Anwendungshinweise für den AMZ- und UMZ-Schutz

  • Die Einstellwerte der Relais dürfen nicht ohne Grund verändert werden.
    Das Vorhandensein der Steuerspannung und die Funktion ihrer Überwachung sind regelmäßig zu kontrollieren.
  • Warnmeldungen (oft gelbes Blinklicht) ist nachzugehen; nach Feststellung der Ursache sind sie zu quittieren.

Buchholzschutz

Kurzbeschreibung: Eingesetzt werden Buchholzschutzrelais nach DIN VDE 0532-216-2 [5] für das Überwachen flüssigkeitsisolierter Betriebsmittel mit Ausdehnungsgefäß (Bild 4a). Für Betriebsmittel ohne Ausdehnungsgefäß werden Schutzrelais nach DIN VDE 0532-216-3 [6] verwendet, wahlweise auch mit einer Temperaturüberwachung (Bild 4b). Überwacht wird das Flüssigkeitsniveau durch einen Schwimmerschalter. Eine Stauklappe erfasst spontane Gasentwicklung und heftige Ölströmung von 1 bis 2 m/s, wie sie beispielsweise bei inneren Fehlern auftreten. Während der Schwimmerkontakt oft nur eine Warnung auslöst, führt das Ansprechen des Stauklappenkontaktes stets zur Abschaltung innerhalb von 0,5 s.

Anwendungshinweise

  • Bei Wartungsarbeiten sollte auch die Funktion des Relais getestet werden. Dazu wird die Prüftaste am Relais bis in die erste Stellung gedrückt (Warnung), beim Erreichen der zweiten Stellung erfolgt die Auslösung. Bei den wiederkehrenden Prüfungen des Buchholzschutzrelais (etwa alle vier Jahre) wird Luft in das Relais gepumpt.
  • Beim Ansprechen der Auslösefunktion muss ein innerer Fehler im Betriebsmittel angenommen werden. Eine Wiedereinschaltung darf erst erfolgen, wenn ein solcher Fehler sicher ausgeschlossen werden kann. Bei geringstem Zweifel ist eine Analyse der Verbrennungsgase – meist auf Anwesenheit von Kohlendioxid und Azetylen – erforderlich.

Autor: F. Schmidt

Literatur: [1] DIN EN 60282-1 (VDE 0670-4):2015-05 Hochspannungssicherungen Teil 1: Strombegrenzende Sicherungen.
[2] DIN EN 60644 (VDE 0670-401):2010-07 Anforderungen für Hochspannungssicherungseinsätze für Motorstromkreise (IEC 60644:2009).
[3] DIN VDE 0670-402 (VDE 0670-402):2014-11 Wechselstromschaltgeräte für Spannungen über 1 kV – Auswahl von strombegrenzenden Sicherungseinsätzen für Transformatorenstromkreise.
[4] DIN EN 62271-105 (VDE 0671-105):2013-08 Hochspannungs-Schaltgeräte und -Schaltanlagen – Teil 105: Wechselstrom-Lastschalter-Sicherungs-Kombinationen für Bemessungsspannungen über 1 kV bis einschließlich 52 kV.
[5] DIN EN 50216-2 (VDE 0532-216-2):2002-11 Zubehör für Transformatoren und Drosselspulen Teil 2: Buchholzrelais für flüssigkeitsgefüllte Transformatoren und Drosselspulen mit Ausdehnungsgefäß.
[6] DIN EN 50216-3 (VDE 0532-216-3):2007-09 Zubehör für Transformatoren und Drosselspulen Teil 3: Schutzrelais für ohne Gaspolster hermetisch verschlossene flüssigkeitsgefüllte Transformatoren und Drosselspulen.
[7] DIN EN 50216-11 (VDE 0532-216-11):2009-04 Zubehör für Transformatoren und Drosselspulen Teil 11: Öl- und Wicklungstemperaturanzeiger.
[8] VDN-Richtlinie für digitale Schutzsysteme: 2003-11, Verband der Netzbetreiber – VDN e.V. beim VDEW.

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

Bildunterschriften/ -quellen:
(1) Reservesicherungen sollten besser in ihrer Verpackung bleiben (Quelle: F. Schmidt)

(2) Kennlinie eines AMZ-Relais mit Hochstromstufe (Quelle: F. Schmidt)

(3) Kennlinie eines zweistufigen UMZ-Relais (Quelle: F. Schmidt)

(4) a) Buchholzschutzrelais an einem Öltransformator mit Ausdehnungsgefäß (Quelle: M. Krippendorf)

(4) b) Schutzblock DGPT für Druck, Temperatur und Gasentwicklung an einem Hermetiktransformator (Quelle: M. Krippendorf)

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