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Überwachung für mehr Sicherheit

Bild 1. Die Familie der Isolationsüberwachungs-relais erkennt symmetrische und unsymmetrische Isolations-verschlechterungen in verschiedenen Netzen

Bild 2. Das Vorschaltmodul CM-IVN ermöglicht zusammen mit dem Überwachungsrelais CM-IWN.1 zum Beispiel die Isolationsüberwachung in Windenergieanlagen bis DC 1 000 V

Die Zuverlässigkeit von Energieerzeugungsanlagen lässt sich durch den Betrieb in durchgängig ungeerdeten Netzen (IT-System) verbessern, da die Spannungsversorgung bei einpoligem, direktem Erdschluss erhalten bleibt. Allerdings erfordert dies ein frühzeitiges Erkennen von und Reagieren auf Isolationsfehler in Gleich- und Wechselspannungs- sowie gemischten Netzen. Dabei helfen Isolationsüberwachungsrelais von ABB Stotz-Kontakt, die mit einem pulsierenden Messsignal arbeiten.

Erneuerbare Energiequellen werden bei der Stromerzeugung zukünftig eine größere Rolle spielen, um den Klimaschutz zu verbessern und auch die Importabhängigkeit zu verringern. Ihr Anteil am Brutto-Inlandsstromverbrauch von 597 Mrd. kWh soll nach Angaben des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft von 16 % in 2009 auf 30 % im Jahr 2020 steigen.
Die Stromerzeugung aus Windenergie macht schon jetzt 7 % aus. Schätzungsweise 21 160 Windenergieanlagen mit rund 25 780 MW installierter Leistung sind in Betrieb. Im Vorfeld der „Husum WindEnergy“ 2010 betonte Gerd Krieger, stellvertretender Geschäftsführer VDMA Power Systems, die Zukunftschancen: „Den Herstellern von Windenergieanlagen kommt beim Umbau der Stromerzeugung in Europa eine Schlüsselrolle zu. Nach einem Expertenausblick von Herstellern der diversen Stromerzeugungstechnologien wird die Windenergie bis 2030 fast 25 % zur gesamten Stromproduktion in der Europäischen Union beitragen.“
Die Photovoltaik trug 2009 mit 1 % zur Bruttostromerzeugung bei. Für 2020 wird mit einem Anteil von 4 % bis 6 % gerechnet. Insgesamt sind derzeit Photovoltaikanlagen mit einer Spitzenleistung von rund 10 GW am Netz – so der Bundesverband Solarwirtschaft. Die Nachfrage zog 2009 in Deutschland kräftig an. Die Bundesnetzagentur registrierte 3,8 GW an neu installierter Photovoltaikleistung. Es wird erwartet, dass sich dieser Trend trotz veränderter Förder-Rahmenbedingungen weiter fortsetzt.

Verfügbarkeit der Energieerzeugung verbessern
Vor diesem Szenario rückt das Thema Versorgungssicherheit und damit die Verfügbarkeit solcher Energieerzeugungsanlagen stärker in den Fokus. Die Zuverlässigkeit lässt sich durch den Betrieb in durchgängig ungeerdeten Netzen (IT-System) verbessern, da darin bei einpoligem, direktem Erdschluss die Spannungsversorgung erhalten bleibt. Erst bei einem zweiten Fehler löst das vorgeschaltete Schutzelement, wie Sicherung, Leitungsschutzschalter oder Motorschutzschalter, aus und nimmt die Anlage vom Netz.
Um trotz dieser „Ein-Fehler-Toleranz“ einen sicheren Betrieb der ungeerdet betriebenen Anlagen zu gewährleisten, müssen Erdschlüsse, die durch Isolationsfehler entstehen können, vermieden werden. Deshalb ist hier der Isolationswiderstand gegen Erde dauernd zu überwachen. Da kein aktiver Leiter direkt mit Erde verbunden ist, fließt bei einem Isolationsfehler nur ein kleiner, hauptsächlich durch die Netzableitkapazität verursachter, Fehlerstrom. Nach DIN EN 61557-8 (DIN VDE 0413-8) müssen entsprechende Isolationsüberwachungsgeräte die Unterschreitung eines Mindestwerts akustisch und optisch signalisieren.
Solche Geräte, die sowohl symmetrische als auch unsymmetrische Isolationsverschlechterungen erkennen müssen, können
• für IT-Wechselspannungsnetze mit Bemessungsspannungen bis 1 000 V,
• für IT-Wechselspannungsnetze mit galvanisch verbundenen Gleichstromkreisen und Bemessungsspannungen bis 1 000 V sowie
• für IT-Gleichspannungsnetze mit Bemessungsspannungen bis 1 000 V eingesetzt werden.

Auf die Anwendung zugeschnitten
Exakt auf diese Aufgabenstellung in Zwei-, Drei- und Vierleiternetzen sind die drei Isolationsüberwachungsrelais der CM-IWx-Reihe (Bild 1) von ABB Stotz-Kontakt abgestimmt. Das CM-IWS.2 eignet sich für reine IT-Wechselstromnetze bis AC 400 V. Für IT-Wechselstromnetze bis AC 250 V und IT-Gleichspannungsnetze bis DC 300 V bietet sich das CM-IWS.1 an. Das CM-IWN.1 wurde für IT-Wechselstromnetze bis AC 400 V und IT-Gleichspannungsnetze bis DC 600 V konzipiert. Diese Palette ergänzt das Vorschaltmodul CM-IVN, mit dem sich der Messbereich des Überwachungsrelais CM-IWN.1 auf AC 690 V bzw. DC 1 000 V – die beispielsweise bei Photovoltaikanlagen üblich sind – erweitern lässt (Bild 2).
Alle CM-IWx-Isolationsüberwachungsrelais zeichnen sich durch einfache Handhabung sowie durch übersichtliche Statusanzeige aus. Drei frontseitige LED in Rot für Fehlermeldung, Grün für Steuerspeisespannung und Gelb für Schaltstellung des Ausgangsrelais zeigen den Betriebszustand an. Unterschiedliche LED-Kombinationen und Signalformen definieren die Aussage. Durch Betätigen der Test-/Reset-Taste kann bei Fehlerfreiheit eine Testfunktion angestoßen werden. Diese Systemtestroutine umfasst unter anderem Netzdiagnose und Einstellungsüberprüfung. Zyklisch werden zudem die Messkreisanschlüsse auf Leitungsbruch kontrolliert.
Über zwei getrennte, zehnstufige Drehschalter lassen sich die Einer- und die Zehnerstelle des Schwellwerts für den applikationsabhängigen Isolationswiderstand genau und sicher einstellen. Bei dem Typ CM-IWN.1 besteht zudem die Möglichkeit, zwei Schwellwerte zu definieren und so ein abgestuftes Überwachungskonzept mit Vorwarnung und endgültiger Abschaltung zu konfigurieren.
Die Geräte arbeiten nach dem Ruhestromprinzip, d.h. bei einem Isolationsfehler fällt das Relais ab. Dies ist sicherheitstechnisch sinnvoller, da so auch ein Ausfall der Geräteversorgungsspannung signalisiert wird. Zusätzlich ist beim Isolationsüberwachungsrelais CM-IWN.1 an einem der vier DIP-Schalter das Arbeitsstromprinzip wählbar.

Wechselspannung in Reinkultur
Mit dem Relais CM-IWS.2 lässt sich der Isolationswiderstand nach DIN EN 61557-8 (DIN VDE 0413-8) in reinen IT-Wechselspannungssystemen – sowohl bei einphasigen Steuerstromkreisen als auch bei dreiphasigen Hauptstromkreisen – überwachen. Dafür wird ein DC-Messsignal der sinusförmigen Wechselspannung überlagert. Aus diesem Signal und dem resultierendem Strom lässt sich der Isolationswiderstand des zu überwachenden Netzes, gemessen zwischen den Leitern des ungeerdeten Netzes und der Betriebserde der Anlage, berechnen. Bei Unterschreiten des eingestellten Schwellwerts fällt das Ausgangsrelais ab und es setzt eine Fehlermeldung ab.

Kompetenz für gemischte Netze
Zum Aufspüren von Isolationsfehlern in IT-Wechselspannungssystemen, IT-Wechselspannungssystemen mit galvanisch verbundenen Gleichspannungskreisen sowie IT-Gleichspannungssystemen eignen sich die Relais CM-IWS.1 und CM-IWN.1, die mit erweiterter Funktionalität ausgestattet sind. Die beiden Geräte arbeiten nach dem von ABB Stotz-Kontakt zum Patent angemeldeten Prognosemessverfahren mit einem pulsierenden Messsignal, das in das zu überwachende Netz eingespeist wird.
Das Messsignal verändert seine Form abhängig von Isolationswiderstand und Netzableitkapazität. Diese Modifikation ermöglicht die Prognose der Änderung des Isolationswiderstands. Entspricht der prognostizierte Isolationswiderstand dem im nächsten Messzyklus berechneten Isolationswiderstand und ist kleiner als der eingestellte Schwellwert, fällt das Ausgangsrelais ab. Dieses Messverfahren eignet sich auch zur Erkennung von symmetrischen Isolationsfehlern, zum Beispiel aufgrund einer Materialalterung, sowie von unsymmetrischen Isolationsveränderungen, beispielsweise durch einen Leitungsbruch. Zudem können beide Relais ungeerdete AC-, DC- oder AC/DC-Systeme auf unzulässig hohe Netzableitkapazität überwacht. Auch hier fällt das Ausgangsrelais ab.
Das Prognosemessverfahren ist eine schnelle Methode, die in reinen AC-Netzen nach maximal 10 s bei 1 μF und halbem Schwellwert sowie in gemischten Netzen nach 15 s zu einem Ergebnis führt.

Energieerzeugung intelligent überwacht
Mit den Isolationsüberwachungsrelais der CM-IWx-Reihe lassen sich Photovoltaikanlagen ganz gezielt kontrollieren und die Verfügbarkeit solch technisch anspruchsvoller Anwendungen erhöhen. Schließlich spielen hier vielfältige Schaltgeräte zusammen, um die Solarmodule abhängig von der Sonneneinstrahlung parallel – um die Leistung zu erhöhen, wenn genügend Spannung vorhanden ist – bzw. in Reihe zu verknüpfen – um an trüben Tagen die Spannung zu erhöhen und am Eingang des Wechselrichters die notwendige Gleichspannung von unter 800 V bis 1 000 V zu erreichen. Die Überwachung betrifft dabei nicht nur den DC-Zwischenkreis, der aus unterschiedlichen Gründen nicht geerdet ist, sondern alle einzelnen Netzabschnitte vom Generator über den Wechselrichter bis hin zum Mittelspannungstransformator.
Auch bei Windenergieanlagen – deren Generator Wechselspannung mit geringer Frequenz erzeugt, die dann gleichgerichtet und über Umrichter in die letztendlich benötigte Wechselspannung mit 50 Hz bzw. 60 Hz gewandelt und zum Beispiel ins 400-V- oder 10-kV-Netz eingespeist wird – bringt die durchgängige Überwachung mit den CM-IWx-Geräten ein Plus an Versorgungssicherheit.
Dabei präsentieren sich die Eigenschaften des zum Patent angemeldeten Prognosemessverfahrens als vorbildlich. Dies gilt sowohl für die Genauigkeit als auch für die Schnelligkeit bei der Erkennung von symmetrischen und unsymmetrischen Isolationsfehlern. So lassen sich Anlagen in Netzen mit bis zu AC 690 V im Frequenzbereich von 15 Hz bis 400 Hz sowie mit DC 1 000 V intelligent überwachen.

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Autor: Matthias Eschle ist Produktmanager bei der ABB Stotz-Kontakt GmbH in Heidelberg.