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Blindleistungsrichtungsschutz im Mittelspannungsnetz

Bild 1. Das Logikdiagramm verdeutlicht, wie das Schutzgerät auf die Kenngröße der drei Leiter–Leiter–Spannungen zu programmieren ist

Bild 2. Mit den Geräten lassen sich die geforderten Schutzfunktionen für den Blindleistungs-/Unterspannungsschutz realisieren

Für den sicheren und zuverlässigen Schutz und Betrieb von Energieerzeugungsanlagen ist im Allgemeinen der Betreiber zuständig. Dies gilt insbesondere für den Schutz, zum Beispiel bei Kurzschluss, Erdschluss oder Überlast. Im Juni 2008 fasste der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. die wesentlichen Gesichtspunkte, die beim Anschluss von Erzeugungsanlagen an das Mittelspannungsnetz des Netzbetreibers zu beachten sind, in einer Richtlinie zusammen. Der VDE-Arbeitskreis Forum Netztechnik/Netzbetrieb (VDE/FNN)spezifizierte im Dezember 2009 zu diesem Thema nochmals einige Ergänzungen.

Eine Forderung in diesem Zusammenhang ist ein Entkupplungsschutz, der nicht nur die Frequenz und die Spannung berücksichtigt, sondern auch die Blindleistungsrichtung bewertet. Der Blindleistungs-/Unterspannungsschutz verknüpft dabei die Blindleistung in einer logischen UND-Funktion mit der gleichzeitigen Unterschreitung alle drei verketteten Spannungen, wenn die Erzeugungsanlage induktive Blindleistung aus dem Netz des Betreibers aufnimmt. Damit soll gewährleistet werden, dass sich Erzeugungsanlagen vom Netz trennen, die während eines Kurzschlusses das Netz zusätzlich belasten bzw. nach einem Kurzschluss beim Zuschalten dem Wiederaufbau des Netzes entgegenwirken.
Einstellwerte für die Blindleistung werden in der Ergänzung des VDE-Arbeitskreises zu der Richtlinie des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft e. V. genannt. Diese Werte richten sich nach der Leistung der angeschlossenen Erzeugungseinheiten. Der Einstellwert sollte 5 % der vereinbarten Netzanschlussleistung SA betragen. Um eine Überfunktion der Blindleistungserkennung zu verhindern, ist zusätzlich eine Mindeststromschwelle des Mitsystemstroms I 1 von 10 % von Inenn zu verwenden.

Flexible Schutzfunktionen sorgen für Sicherheit
Gemäß der Richtlinie trennt der Blindleistungs-/Unterspannungsschutz die Erzeugungsanlage nach 0,5 s vom Netz, wenn alle drei verketteten Spannungen am Netzanschlusspunkt kleiner als 85 % der vereinbarten Versorgungsspannung sind und wenn gleichzeitig die Erzeugungsanlage induktive Blindleistung aus dem Netz des Netzbetreibers aufnimmt. Für die Ermittlung der Blindleistung ist zweckmäßigerweise das Mitsystem zu verwenden. Als Messgröße ist die Spannung zwischen den Außenleitern zu wählen, das heißt das Schutzgerät ist auf die Kenngröße der drei Leiter–Leiter–Spannungen (U LL) einzustellen. Diese Forderung lässt sich in einem Logikdiagramm darstellen (Bild 1).
Durch den Einsatz von sogennanten flexiblen Schutzfunktionen in den Siprotec-Schutzgeräten (Bild 2) von Siemens lässt sich der Blindleistungs-/Unterspannungsschutz einfach realisieren. So eine flexible Schutzfunktion ist in Abhängigkeit von ihrer Parametrierung für verschiedene Schutzprinzipien einsetzbar. Die maximal 20 projektierbaren Schutzfunktionen arbeiten unabhängig voneinander und verhalten sich im Anwendungsfall wie jede andere Schutzfunktion auch. Aus den angegebenen Kenngrößen leiten sich die zur Verfügung stehenden Schutzfunktionen ab. Jede einzelne Funktion kann als eigenständige Schutzfunktion, als zusätzliche Schutzstufe einer bereits bestehenden Schutzfunktion oder als universelle Logik, zum Beispiel für Überwachungsaufgaben, eingesetzt werden. Die Funktion basiert auf der Verbindung einer Standardschutzlogik mit einer über Parameter wählbaren Kenngröße (Messgröße oder abgeleiteter Größe).
Eine flexible Funktion, die eingeschaltet und entsprechend ihrer Schutzaufgabe parametriert ist, wird bei ihrer Anregung einen Störfall eröffnen, ein Störfall-Protokoll und einen Störschrieb angelegen. Die Anregung einer flexiblen Schutzfunktion unterbindet wie bei anderen Schutzanregungen auch Schalthandlungen. Die Meldetexte der aktivierten flexiblen Schutzfunktionen sind den Anwendungen entsprechend in der Rangiermatrix individuell anpassbar, um bei der späteren Protokollierung während des Betriebs bzw. im Netzstörfall aussagekräftige Meldungen anzeigen zu können.
Die Mess- und Kenngrößen werden entsprechend der Auswahltabelle parametriert. In der Richtlinie ist für die Spannungsschutzeinrichtung des Entkupplungsschutzes die Berechnung des Effektivwerts aus der Grundschwingung (50 Hz) vorgesehen. Alternativ stehen in den flexiblen Schutzfunktionen der Siprotec-Geräte folgende Mess- und Berechnungskriterien zur Auswahl: Effektivwert aus True RMS, Null-, Mit- oder Gegensystem. Das Rückfallverhältnis bei Anregung, welches in der Richtlinie für den Spannungsschutz mit 2 % vorgegeben ist, lässt sich in den flexiblen Schutzfunktionen ebenfalls exakt einstellen.

Realisierung des Blindleistungsschutzes
In der Applikation sind für den Blindleistungs-/Unterspannungsschutz Standard-Schutzfunktionen mithilfe der flexiblen Schutzfunktionen und des Logikeditors zu verknüpfen. Um die Vorteile der flexiblen Schutzfunktion gegenüber einer reinen CFC-Lösung im Logikeditor optimal nutzen zu können, wird für jede Außenleiterspannung eine Unterspannungsstufe ULL< mit einem Anregekriterium von 85 V (Sekundärwert) erstellt. Der Blindleistungsschutz soll anregen, wenn die Erzeugungsanlage induktive Blindleistung aus dem Netz des Netzbetreibers aufnimmt. Dazu wird parallel zu den Unterspannungsstufen die Blindleistung in Vorwärtsrichtung ebenfalls per flexibler Schutzfunktion realisiert. Die Höhe des Einstellwerts für die Blindleistung richtet sich nach der Scheinleistung der einspeisenden Erzeugungsanlage. Die Empfehlung zu dem Grenzwert beträgt 5 % von SA (= vereinbarte Netzanschlussleistung). Auch die eingangs erwähnte Stromfreigabe kann per flexibler Schutzfunktion überwacht werden. Diese spricht bei Überschreiten der Mitsystem-Stromschwelle von I 1 > 0,1 ∙ I nenn an.
Sind die flexiblen Funktionen für die Blindleistung und die drei Spannungsstufen auf „nur Melden“ eingestellt, erfolgt durch die Einzelfunktionen weder eine Anregung noch eine Auslösung. Diese Eigenschaft wird nun für eine Verknüpfung der einzelnen Anregekriterien des Blindleistungs-/Unterspannungsschutzes genutzt. Erst wenn die Messwerte aller Leiter-Leiter-Spannungen den Einstellwert von 85 V unterschreiten, der Blindleistungsrichtungsschutz entsprechend seinem Leistungswert 5 % von S A überschreitet und auch das Stromfreigabekriterium erfüllt ist, liefert die logische UND-Verknüpfung dieser Kriterien ein Signal, das zum Start der Verzögerungszeit des Blindleistungs-/Unterspannungsschutzes genutzt wird.
Gemäß der Ergänzung vom Dezember 2009 zur Richtlinie ist eine zweistufige Auslösung zu realisieren. Die erste Auslösestufe wirkt mit einer Verzögerung von 500 ms auf den Leistungsschalter der Erzeugungsanlagen (Auslösung Generator). Die zweite Stufe löst mit einer Verzögerung von 1,5 s den Leistungsschalter des Netzanschlusspunkts aus (Auslösung NAP).
Die beiden Auslösestufen des Blindleistungs-/Unterspannungsschutzes werden ebenfalls mittels flexibler Schutzfunktionen (Verwendung wie „externe Einkopplungen“) realisiert, wobei diese vom oben genannten Signal der logischen UND-Verknüpfung angestoßen werden. Dies stellt sicher, dass beim Start der Verzögerungszeiten auch das Störfallprotokoll und der Störschrieb angelegt werden, sodass das Ansprechen des Blindleistungs-/Unterspannungsschutzes sauber dokumentiert wird. Die geforderten Schutzfunktionen lassen sich mit verschiedenen Multifunktionsschutzgeräten der Serie 7SJ realisieren (Bild 2). Die Parametrierung erfolgt in dem Projektierungs-Tool Digsi 4. Die Berechnung der einzelnen Messgrößen aus Strom, Spannung und Leistung geschieht in den Schutzgeräten. Die logische UND-Verknüpfung wird für den Blindleistungs-/Unterspannungsschutz im Digsi-Logikeditor (CFC) in der „schnellen“ PLC-Task erstellt.

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Autor: Michael Helmreich ist im Business Development des Bereichs Schutztechnik Deutschland im Energy Sektor der Siemens AG in Nürnberg tätig.