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Kurzschlussstrom und Stromverluste reduzieren

Bild 1. IS-Begrenzer auf Schaltwagen vor einer luftisolierten Mittelspannungs-Schaltanlage vom Typ Unigear

Bild 2. Schematische Darstellung des IS-Begrenzers

Bild 3. Übersichtsplan einer Kurzschlussstromaus-schaltung

Bild 4. Der zeitliche Verlauf der Kurzschlussstromaus-schaltung von Bild 3 (i o = Gesamtstrom ohne IS-Begrenzer, i m = Gesamtstrom mit I S-Begrenzer)

Die Globalisierung und die Dezentralisierung des Energiemarkts gewinnen immer mehr an Dynamik. Dies führt unter anderem zur Errichtung von dezentralen Netzeinspeisungen, wie bei Windparks, Blockheizkraftwerken und IPP (Independent Power Producer). Dadurch steigt der Kurzschlussstrom der Energieverteilungsnetze stetig an. Dementsprechend gewinnt der Schutz, zum Beispiel von Schaltanlagen, Schaltgeräten und Kabeln vor unzulässig hohen Kurzschlussströmen, bei Neuanlagen und Erweiterungen immer mehr an Bedeutung.

Mit dem IS-Begrenzer (Bild 1), einem schnellen strombegrenzenden Schaltgerät, ist es möglich, Schaltanlagen miteinander zu kuppeln, die bei Kupplung über einen Leistungsschalter nicht ausreichend kurzschlussfest wären. Mit ihm lassen sich die Nachteile von üblichen Maßnahmen zur Begrenzung des Kurzschlussstroms vermeiden. Stattdessen bietet er einige ökologische und ökonomische Vorteile. Dazu zählen die gleichmäßige Stromaufteilung und somit die geringeren Kupferverluste beim Parallelbetrieb von Transformatoren sowie die Tatsache, dass er den Spannungsfall und die Stromwärmeverluste in der Drossel vermeidet. IS-Begrenzer gibt es für Bemessungs-Spannungen bis 40,5 kV und Bemessungs-Ströme bis 5 000 A (8 000 A).

Kurzschlussschutz für Betriebsmittel
Der weltweit steigende Energiebedarf erfordert leistungsstärkere oder zusätzliche Transformatoren und Generatoren sowie eine engere Vermaschung der Versorgungsnetze. Die Folge davon ist, dass die Kurzschlussströme in allen Spannungsebenen steigen und unter Umständen die zulässigen dynamischen oder thermischen Kurzschlussströme der vorhandenen elektrischen Betriebsmittel überschritten werden.
Für vorhandene Betriebsmittel, wie Schaltanlagen, Schaltgeräte und Kabel, gilt, dass ein Austausch aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ausscheidet bzw. praktisch nicht möglich ist, da die weltweit verfügbaren Betriebsmittel die geforderte Kurzschlussfestigkeit nicht bzw. noch nicht besitzen. Eine technisch elegante und kostengünstige Lösung für dieses Problem bietet der IS-Begrenzer von ABB. Dieser kann in Fremdeinspeisungen, in Transformator- oder Generatorzuleitungen, in der Kupplung der Schaltanlage oder parallel zu Strombegrenzungsdrosseln eingebaut werden.

Da das Interesse für Strombegrenzer in den letzten Jahren stetig gestiegen ist, haben sich drei Arbeitsgruppen im Cigre (International Council on Large Electric Systems) der Thematik angenommen.
Das Thema der Arbeitsgruppe 13.10 war: „Functional Specification for a Fault Current Limiter“. Der Bericht erschien 2001 in der Cigre-Zeitschrift Electra. Die zweite Arbeitsgruppe A3.16 beschäftigte sich mit den Einflüssen von Strombegrenzern auf existierende und neue Schutzsysteme: „Fault Current Limiters – Impact on Existing and New Protection Schemes“ und veröffentlichte ihren Bericht 2008 in der Electra. Seit 2008 befasst sich die Arbeitsgruppe A3.23 mit dem Thema „Application and feasibility of fault current limiter in power systems“. Ihr Abschlussbericht wird voraussichtlich Ende 2011 vorliegen.

Begrenzung der Kurzschlussströme
Überschreiten die Kurzschlussströme die zulässigen Werte, so ist deren Begrenzung erforderlich. Das macht ein IS-Begrenzer im ersten Anstieg, in weniger als 1 ms. Der größte auftretende Stromaugenblickswert bleibt so weit unter dem Wert des Stoßkurzschlussstroms.
Spezielle Stromwandler messen den Strom, der über den IS-Begrenzer fließt. Sobald dieser Strom die Sollwerte für den Augenblickswert und für die Steilheit erreicht, wird der Hauptstrompfad des IS-Begrenzer Einsatzes mittels einer Sprengkapsel geöffnet. Die Zündung dieser Sprengkapsel, das heißt das kontrollierte Öffnen des Hauptstrompfads, erfolgt durch die Mess- und Auslöseeinrichtung – spezielle Schutzrelais. Der Strom kommutiert zu einer parallelen Sicherung, die den Kurzschlussstrom im ersten Stromanstieg begrenzt (Bild 2).

An Bild 3 lässt sich die grundlegende Wirkungsweise eines IS-Begrenzer demonstrieren: Über jeden Transformator kann ein Kurzschlussstrom von 31,5 kA zum Kurzschlussort hinter dem Abgangsschalter fließen, also insgesamt 63 kA. Die Sammelschienenanlage ist jedoch nur für 31,5 kA Anfangs-Kurzschlussstrom ausgelegt. Im ersten Stromanstieg des Kurzschlussstromes öffnet der IS-Begrenzer in der Längstrennung. Er begrenzt den Strom i2 so schnell, dass er keinen Beitrag mehr zum Scheitelwert des Kurzschlussstroms i1 + i2 am Kurzschlussort liefert. Damit wird die Schaltanlage an keiner Stelle mit einem höheren als dem zulässigen Strom beansprucht.
Ein IS-Begrenzer besteht aus einem schnell öffnenden Hauptstrompfad (für Bemessungsströme bis 5 000 A), der jedoch ein niedriges Schaltvermögen hat. Parallel ist eine Sicherung mit hohem Ausschaltvermögen geschaltet. Eine kleine Sprengkapsel dient als Energiespeicher zum Öffnen des Hauptstrompfads (Bild 2). Damit wird die kurze Reaktionszeit erreicht, um die Stoßkurzschlussströme zu begrenzen und die weiteren Anlagenkomponenten vor zerstörerischen dynamischen und thermischen Kräften zu bewahren. Sobald der Hauptstrompfad im Ansprechfall geöffnet hat, fließt der Strom über die Sicherung, die ihn in 0,5 ms begrenzt und im nächsten Spannungsnulldurchgang endgültig unterbricht (Bild 4).

Bild 5. Kupplung von Teilanlagen

Bild 6. IS-Begrenzer in der Kupplung zum öffentlichen Versorgungsnetz

Bild 7. Zwei IS-Begrenzer in einer Anlage mit selektiver Auslösung

Geteilte Strompfade
Weil die Führung des Betriebsstroms und die Strombegrenzung auf zwei Pfade aufgeteilt ist, kann der IS-Begrenzer einen hohen Betriebsstrom ohne Verluste führen (Hauptstrompfad) und dennoch im Ansprechfall Kurzschlussströme bereits im ersten Anstieg wirkungsvoll begrenzen (Sicherung).
Zur einwandfreien, sicheren Funktion des IS-Begrenzers ist eine Mess- und Auslöseeinrichtung erforderlich. Das elektronische Gerät misst ständig den Augenblickswert und die Anstiegsgeschwindigkeit des über den IS-Begrenzer fließenden Stroms und vergleicht die Werte mit vorgegebenen Sollwerten. Zu jeder der drei Phasen gehört eine phasenunabhängige Mess- und Auslöseeinheit. Werden in einer der Phasen die beiden vorgegebenen Einstellwerte gleichzeitig erreicht bzw. überschritten, so erfolgt eine Auslösung.

Kupplung von Anlagen
Der IS-Begrenzer bietet vielseitige Einsatzmöglichkeiten, die sich mit konventionellen Schaltgeräten nicht realisieren lassen. So kommen sie häufig in der Kupplung von Anlagen bzw. Teilanlagen zum Einsatz (Bild 5), die bei Parallelschaltung über einen Leistungsschalter nicht ausreichend kurzschlussfest wären. Eine Kupplung über einen IS-Begrenzer hat dabei noch weitere Vorteile:
• Es entstehen keine zusätzlichen Kosten für eine neue Schaltanlage mit höherer Kurzschlussfestigkeit.
• Die vorgeschaltete Netzimpedanz verringert sich, was die Netzqualität verbessert und die durch Laststöße, wie beim Starten von Motoren, hervorgerufene Spannungseinbrüche reduziert.
• Die Verbesserung der Stromaufteilung bei Einspeisetransformatoren und Generatoren verringert die lastabhängigen Kupferverluste (CO 2-Reduzierung!).
• Die Versorgungssicherheit erhöht sich, da der Laststrom bei dem Ausfall einer Einspeisung ohne Unterbrechung durch andere Einspeisetransformatoren bzw. Generatoren übernommen wird.

Bei einem Kurzschluss in einer Schaltanlage oder in einem Abgang spricht der IS-Begrenzer im ersten Anstieg des Kurzschlussstrome an und trennt die Schaltanlage in zwei Anlagenteile, bevor der Stromaugenblickswert einen unzulässigen Wert erreicht. Nach der Auslösung wird der Kurzschluss nur noch von den Einspeisungen des vom Kurzschluss betroffenen Anlagenteils gespeist. Die Ausschaltung des Kurzschlussstroms erfolgt jetzt selektiv durch den Leistungsschalter.
Durch den Einsatz eines IS-Begrenzers sinkt die Spannung des nicht vom Kurzschluss betroffenen Anlagenteils nur für Bruchteile einer Millisekunde ab, sodass selbst empfindliche Verbraucher, zum Beispiel Computer, gegen Spannungseinbrüche geschützt bleiben.

Kupplung von Energieversorgungen
Immer häufiger finden sich in der Industrie und in Dienstleistungsbetrieben Anlagen zur unternehmenseigenen Energieversorgung, die mit öffentlichen Versorgungsbetrieben gekuppelt sind. Bei einem Fehler im öffentlichen Netz speisen die betriebseigenen Versorgungsanlagen den Kurzschluss zusätzlich, so dass die zulässigen Werte des EVU-Netzes überschritten werden. Auch für diese Kupplung bietet sich ein IS-Begrenzer an – vor allem, wenn er zusätzlich ein stromrichtungsabhängiges Auslösekriterium erhält (Bild 6).
Dies erfordert in der Sternpunkt-Ableitung des Generators drei zusätzliche Stromwandler. Aufgrund des stromrichtungsabhängigen Auslösekriteriums löst der IS-Begrenzer nur bei Kurzschlüssen im öffentlichen Versorgungsnetz aus. Die Auslösung ist nur dann erforderlich und möglich, wenn der Generator betrieben wird.

Parallelschaltung mit Drosselspule
IS-Begrenzer können auch zu Drosselspulen parallel geschaltet werden, die dann als Kurzschlussstrombegrenzer dienen. In diesem Fall löst bei einem Fehler hinter der Drosselspule der IS-Begrenzer aus und der Strom kommutiert mit dem ersten Stromanstieg auf die parallel geschaltete Drosselspule.
Dadurch vermeidet man nicht nur die stromabhängigen Kupferverluste in der Drosselspule (CO 2-Reduzierung!), sondern auch den Spannungsfall an der Drosselspule. Zudem entstehen durch die Drosselspule keine elektromagnetischen Störfelder und in sowie nach dem Fehlerfall erhält man eine unterbrechungsfreie Stromeinspeisung.

Selektivität bei mehreren IS-Begrenzern
Soll beim Einsatz mehrerer IS-Begrenzer in einer Anlage Selektivität erzielt werden, lassen sich als Auslösekriterien zusätzlich zum Beispiel Stromsummen, Stromdifferenzen oder Stromrichtungsvergleiche heranziehen.
Bild 7 zeigt das Beispiel einer Summenstrommessung. Dabei müssen die IS-Begrenzer folgende Forderungen erfüllen:
• Bei einem Kurzschluss im Bereich der Anlage A soll nur IS-1 auslösen.
• Bei einem Kurzschluss im Bereich der Anlage B sollen IS-1 und IS-2 auslösen.
• Bei einem Kurzschluss im Bereich der Anlage C soll nur IS-2 auslösen.
Für die Lösung dieser Aufgabe sind beide IS-Begrenzer mit Summenstromkriterien auszustatten. Hierzu müssen die Transformatoreinspeisungen zusätzlich je einen Wandlersatz erhalten.

Fazit
Durch die Erhöhung der Kurzschlussströme in Schaltanlagen werden verstärkt strombegrenzende Schaltgeräte benötigt. Mit IS-Begrenzern von ABB gibt es eine technische und wirtschaftliche Lösung zum Schutz der Betriebsmittel in neuen und erweiterten Anlagen durch Begrenzung der Kurzschlussströme. Gleichzeitig wird aufgrund der Möglichkeit, Einspeisungen gekuppelt betreiben zu können, die Versorgungssicherheit erhöht. Häufig erweist sich der IS-Begrenzer als einzige technische Lösung, um Anlagen kuppeln zu können.

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Autor: Dipl.-Ing. Andreas Brandt (40) ist für den Bereich IS-Begrenzer im Geschäftsbereich Calor Emag Mittelspannungs-produkte, Ratingen, der ABB AG verantwortlich.

Autor: Dipl.-Ing. Karl-Heinz Hartung (65) ist als Senior-Ingenieur bei der deutschen ABB AG, Calor Emag Mittelspannungs-produkte in Ratingen tätig. Er leitete während der letzten 18 Jahre den Bereich Is-Begrenzer und ist Mitglied in der Cigre WG A3.23.

Autor: Dipl.-Ing. Volker Schmidt (43) ist bei der ABB AG, Calor Emag Mittelspannungsprodukte, Ratingen, in der Vertriebsabteilung IS-Begrenzer für den Bereich Produkt Marketing verantwortlich.