Schutzberechnung

Hier erfahren Sie, wie Sie mit dem Netzmodell eine Schutzberechnung durchführen und die Ergebnisse lesen. Die Schutzberechnung stellt sicher, dass elektrische Fehler wie Kurzschlüsse von Sicherungen, Distanzschutzgeräten oder Geräten mit unabhängigem Maximalstromzeitschutz zuverlässig erkannt und abgeschaltet werden, damit Sicherheit und Systemstabilität gewährleistet sind.

Netz

Die Berechnung verwendet die im Netzmodell definierten Sicherungen und Schutzgeräte. Wichtige Ergebnisse wie Abschaltzeiten, Kurzschlussströme und Grenzwertanzeigen werden direkt im Netz dargestellt. Knoten, die von keinem Gerät spannungslos geschaltet werden, sind rot mit einem Blitz markiert. Wählen Sie einen Knoten und klicken Sie auf , um den ganzen Pfad zum Slack-Knoten anzuzeigen.

Dabei gilt:

• Orange = Pfade vom gewählten Element zu allen Netzeinspeisungen, einschliesslich Maschen.
• Blau = elektrisch verbundener Bereich.

Berechnung

Zweigströme

Die Abschaltzeiten werden wie folgt berechnet:

1. Bestimmung des minimalen einpoligen und zweipoligen Kurzschlusses für jeden Knoten.
2. Berechnung der Zweigströme bei einem Kurzschluss an einem bestimmten Knoten.
3. Berechnung der Abschaltzeiten des betrachteten Geräts aus den Zweigströmen und der Kennlinie der Sicherung bzw. den Stufen des Schutzgeräts.

Sicherungskennlinien werden mit natürlicher kubischer Spline-Interpolation interpoliert, wie beschrieben in:

R.L. Burden, J.D. Faires, Numerical Analysis, 4th Ed., 1989, PWS-Kent, ISBN 0-53491-585-X, pp. 126–131.

Annahmen

Für die Kurzschlussberechnung gelten folgende Annahmen:

• 10% Spannungstoleranz
• 80 °C Leitertemperatur

Weitere Details finden Sie auf der Seite zur Kurzschlussberechnung und im Optionsdialog.

Grenzwerte

Die Grenzwerte der Abschaltzeiten passen Sie mit an:

• Grid Switch-off Time: gilt für Sicherungen vom Typ «Grid». Sie schützen grössere Netzbereiche (z.B. Strassenzüge oder Quartiere) und haben einen höheren Grenzwert, um unnötige Abschaltungen vieler Kunden zu vermeiden.
• Connection Point Switch-off Time: gilt für Sicherungen vom Typ «Connection» und für Schutzgeräte. Sie schützen einzelne Kundenanschlüsse und haben einen tieferen Grenzwert für eine schnelle Fehlerabschaltung und den Schutz der Betriebsmittel.

Die Grenzwerte bestimmen die farbliche Kennzeichnung (grün, gelb, rot) für die Dimensionierung der Geräte. Die Standardwerte lassen sich jederzeit wiederherstellen.

Radiale und vermaschte Netze

• Radial: Eine Sicherung bzw. ein Schutzgerät genügt, um den Knoten abzuschalten.
• Vermascht: Möglicherweise sind mehrere Sicherungen bzw. Schutzgeräte nötig. Nach jeder Abschaltung werden die Ströme neu berechnet und die Abschaltzeiten anteilig angepasst.

Beispiel

An Knoten 1, der über zwei Pfade mit dem Slack-Knoten verbunden ist, tritt ein Kurzschluss auf. Im einen Zweig liegt Sicherung 1, im anderen Sicherung 2.

Beim Kurzschluss an Knoten 1 fliesst durch Sicherung 1 ein Strom von 1 kA und durch Sicherung 2 ein Strom von 2 kA. Wegen der unterschiedlichen Kennlinien betragen die Abschaltzeiten bei diesen Strömen 2 s für Sicherung 1 und 3 s für Sicherung 2. Sicherung 1 schaltet also nach 2 s ab, der Zweig wird getrennt und die Netztopologie ändert sich.

Die Kurzschlussströme werden zu diesem Zeitpunkt neu berechnet. Durch Sicherung 2 fliesst nun ein kleinerer Strom von 1.2 kA, für den ihre Abschaltzeit 7.5 s beträgt. Sicherung 2 war aber bereits während 2 s von insgesamt 3 s Abschaltzeit mit 2 kA belastet, also schon zu 2/3 beansprucht.

Die Abschaltzeit beim zweiten Strom von 1.2 kA beträgt deshalb (1 - 2s/3s) * 7.5s = 2.5s und nicht 7.5 s. Die gesamte Abschaltzeit von Sicherung 2 beträgt 2 s + 2.5 s = 4.5 s; das ist auch die Zeit, bis Knoten 1 vollständig spannungslos ist.

Diese anteilige Berechnung gilt nur für Sicherungen und den unabhängigen Maximalstromzeitschutz, nicht für den Distanzschutz.

Ergebnisse

Die Schutzberechnung wird für alle Knoten durchgeführt und liefert so einen schnellen und vollständigen Überblick über den Netzschutz, ohne dass einzelne Knoten gewählt werden müssen.

Knoten

Nur angezeigt, wenn «Switch-off times» ausgewertet wurde.

In der Ansicht nach Knoten erhalten Sie eine Übersicht aller Knoten des Netzes mit einer Zustandsanzeige in der Tabelle. Fahren Sie mit der Maus über die Anzeige, um ihre Bedeutung zu sehen.

Mit show in der Spalte Details sehen Sie das Selektivitätsdiagramm eines Knotens. Es zeigt die Kennlinien und Stufen aller Sicherungen und Schutzgeräte auf dem Pfad des Kurzschlusses. Geräte, die nicht direkt an der Abschaltung des Knotens beteiligt sind, sind grau, beteiligte Geräte farbig. Abschaltzeit und Kurzschlussstrom aller beteiligten Geräte werden im Diagramm mit X markiert. Die Farbe der Markierung zeigt, ob die Abschaltzeit innerhalb der festgelegten Grenzwerte liegt.

show zeigt ausserdem die beteiligten Geräte mit Zustand, Abschaltzeit, Kurzschlussstrom und weiteren Informationen direkt in der Tabelle, sortiert in der Reihenfolge, in der sie physikalisch schalten würden.

Dieses Ergebnis zeigt Ihnen, ob weitere Sicherungen oder Schutzgeräte nötig sind, damit alle Kurzschlüsse sicher abgeschaltet werden.

Sicherungen und Schutzgeräte

Nur angezeigt, wenn «Switch-off times» ausgewertet wurde.

In der Ansicht nach Sicherungen und Schutzgeräten erhalten Sie eine Übersicht aller installierten Geräte im Netz mit einer Zustandsanzeige in der Tabelle. Die Bedeutung der Zustände steht in der Legende unter der Tabelle. Für jede Sicherung und jedes Schutzgerät wird das ungünstigste Ergebnis für Zustand, Abschaltzeit und Kurzschlussstrom bzw. Kurzschlussimpedanz angezeigt. Auch der Ort des Kurzschlusses, der zu diesem Ergebnis führt, wird angezeigt; mit sehen Sie den Knoten in der Netzansicht. Schaltet ein Gerät Kurzschlüsse an mehreren Knoten ab, können Sie sich die Ergebnisse für alle diese Knoten anzeigen lassen.

Dieses Ergebnis zeigt Ihnen, ob die bestehenden Sicherungen und Schutzgeräte richtig dimensioniert sind, damit Kurzschlüsse nicht nur abgeschaltet werden, sondern innerhalb der festgelegten Zeitgrenzen.

Leitungen

Nur angezeigt, wenn «Stability» ausgewertet wurde.

Die Tabelle listet alle Leitungen mit dem maximal möglichen dreipoligen thermischen Kurzschlussstrom im Fehlerfall. Dieser Strom ist das Maximum der Fehlerströme der angrenzenden Knoten. Ist für die Leitung ein Grenzwert definiert (Parameter «Short circuit stability»), wird er mit dem grössten dreipoligen thermischen Fehlerstrom verglichen. Überschreitet der Strom den Grenzwert, wird die Leitung in der Tabelle und in der Netzansicht rot markiert.

Der Parameter «Short circuit stability» $I_{thr}$ im Leitungsmodell gilt für eine angenommene Kurzschlussdauer von 1 s. Ist in den Kurzschlussoptionen eine andere Dauer $T_k$ gewählt, wird der Grenzwert mit folgender Formel auf diese Dauer umgerechnet:

$I_{thz}=I_{thr}\cdot \sqrt{\frac{T_{kr}}{T_k}}$

Legende:

Staffelplan

Der Staffelplan stellt die Distanzschutzgeräte (Stufen, gerichtete und ungerichtete Endzeiten) und die Eigenzeiten der Knoten in einem Impedanz-Zeit-Diagramm dar. Dazu legen Sie den Pfad im Netz fest, für den der Staffelplan erstellt wird. Das ist eine geordnete Auswahl von Knoten und kann ein Abgang oder ein Ring sein.

Erstellen

So erstellen Sie einen Staffelplan:

• Klicken Sie im Bereich «Stage plan» auf +.
• Halten Sie Ctrl/Cmd gedrückt und klicken Sie auf einen Knoten im Netz, um ihn hinzuzufügen.
• Es lassen sich nur Knoten hinzufügen, die an den zuletzt gewählten Knoten angrenzen.
• Um einen falsch hinzugefügten Knoten zu entfernen, halten Sie Ctrl/Cmd gedrückt und klicken auf den zuletzt hinzugefügten Knoten.
• Für einen Ring wählen Sie denselben Knoten als Anfang und Ende.
• Die Farbe kennzeichnet den gewählten Pfad.
• Ein Klick auf eine Eigenzeit im Staffelplan zeigt den zugehörigen Knoten in der Netzansicht.
• Ein Klick auf eine Distanzschutz-Kennlinie im Staffelplan zeigt das zugehörige Schutzgerät in der Netzansicht.
• Mit «Preview» sehen Sie den Staffelplan während der Erstellung, mit «Save» schliessen Sie ihn ab.
• Mit «Inverted» wird der Staffelplan der Rückwärtsrichtung gespiegelt dargestellt, sodass die Knoten in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung übereinander liegen.
• Speichern Sie den Staffelplan, um ihn später wieder anzusehen und zu bearbeiten, sofern er nicht durch eine unverträgliche Netzänderung ungültig wird.

Automatische Parametrierung

Sind die Parameter der Distanzschutzgeräte im Netz nicht richtig eingestellt, können Sie sie manuell in der Netzansicht bearbeiten oder die Option Automatically parametrize distance protection devices verwenden. Diese optimiert die Stufen sowie die gerichteten und ungerichteten Endzeiten der Geräte entlang des gewählten Staffelplan-Pfads anhand der folgenden Eingabeparameter.

Hinweis: Die erzeugten Parameterwerte werden auf drei Nachkommastellen gerundet (mΩ und ms).

Eingabeparameter

• Close fault delay [ms] Zeit, die das Gerät zum Abschalten eines nahen Fehlers benötigt (erste Stufe).
• Staging Time [ms] Zeitabstand zwischen der Stufe des Geräts und dem höchsten zeitlichen Hindernis bei dieser Impedanz (ein anderes Gerät oder die Eigenzeit eines Knotens).
• Staging Factor [%] Relativer Abstand zum nächsten Hindernis, bei dem das Gerät in eine höhere Stufe wechseln soll. Stufen können verzögert werden, um die minimale Netzimpedanz einzuhalten.
• Path Overshoot [%] Verlängerung über die Pfadimpedanz hinaus, damit alle Fehler entlang des Pfads abgeschaltet werden.
• Directional End Time Margin [ms] Zusätzliche Zeit für die gerichtete Endstufe gegenüber der Abschaltzeit der letzten Stufe.
• Non-Directional End Time Margin [ms] Zusätzliche Zeit für die ungerichteten Endstufen aller Geräte auf dem Pfad, bezogen auf die höchste gerichtete Endzeit.

Wenn Sie unsicher sind, wie ein Parameter wirkt, ändern Sie seinen Wert und klicken auf Preview, um die Kennlinien des Staffelplans zu aktualisieren.

Transformatoren

Dieser Abschnitt gibt Einblick in den Transformatorschutz mit Selektivitätsdiagrammen für die Transformatoren im Netz und in verknüpften Teilnetzen.

Übersicht

Im Reiter Transformers sehen Sie die Selektivitätsdiagramme aller Transformatoren im Netz. Sind Teilnetze verknüpft, lassen sich auch deren Transformatoren laden und analysieren.

Die Tabelle enthält:

• Name und ID des Transformators
• zugehöriges Netz
• Knoten, der als Sammelschiene der Transformatorstation gilt

Bei Transformatoren im selben Netz ist der Knoten auf der Primärseite vorausgewählt. Bei Transformatoren in Teilnetzen ist der verknüpfende Knoten im Hauptnetz vorausgewählt. Als Sammelschiene können Sie jeden Knoten zwischen Transformator und Slack-Knoten auf der Spannungsebene der Primärseite wählen.

Selektivitätsdiagramm

Mit Show sehen Sie das Selektivitätsdiagramm des Transformators. Es enthält:

• Distanzschutz: Geräte, die Kurzschlüsse an der gewählten Sammelschiene abschalten. Die Kennlinien zeigen Überstromschwellen und Auslösezeiten.
• Unabhängiger Maximalstromzeitschutz: Geräte in der Transformatorstation, vor allem im Niederspannungsnetz. Die Ströme werden mit dem Windungsverhältnis umgerechnet.
• Sicherungen: Sicherungen auf der Unterspannungsseite, mit auf die Oberspannungsseite umgerechneten Strömen. Sicherungen hinter anderen Sicherungen oder Transformatoren werden nicht berücksichtigt.
• I’’k3max, MV: maximal möglicher dreipoliger Kurzschlussstrom auf der Primärseite.
• I’’k2min, LV, transformed: minimal möglicher zweipoliger Kurzschlussstrom auf der Sekundärseite, auf die Primärseite umgerechnet mit: IS / IP = NP / NS

Dabei gilt:

• I = Strom
• N = Windungszahl
• P = Primärseite
• S = Sekundärseite

Grenzwerte und Optionen

Mit ändern Sie die Optionen der Schutzberechnung. Dort wählen Sie, ob die minimale oder maximale Kennlinie der Sicherungen zur Bestimmung der Abschaltzeit verwendet wird. Standard ist die maximale Kennlinie.

Mit ändern Sie die Grenzwerte der Abschaltzeiten. Sie können die Grenzwerte für Anschlusspunkt- und Netzgeräte getrennt festlegen, ebenso unterschiedliche Grenzwerte für Warnungen und Verletzungen, nach denen die Geräte in den Ergebnissen und in der Netzansicht eingefärbt werden.