betrachtung von kurzschlüssen in dieselgeneratorversorgten
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Betrachtung von Kurzschlüssen in dieselgeneratorversorgten 400-VAC-
Inselnetzen
Hans-Peter VetöJürgen Marchgraber
15.02.2017
Normative Bestimmungen
Seite 3
E 8001-1
𝑍𝑍𝑆𝑆 � 𝐼𝐼𝐴𝐴 < 𝑈𝑈𝑁𝑁; 𝑍𝑍𝑆𝑆 � 𝐼𝐼𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚< 𝑈𝑈𝑁𝑁; 𝑍𝑍𝑆𝑆 � 𝑚𝑚 � 𝐼𝐼𝑁𝑁 < 𝑈𝑈𝑁𝑁
𝑍𝑍𝑆𝑆 … Schleifenwiderstand𝑚𝑚 … Ausschaltstromfaktor𝐼𝐼𝐴𝐴 … Ausschaltstrom der vorgeschaltenen Sicherung𝐼𝐼𝑁𝑁 … Nennstrom der vorgeschaltenen Sicherung𝐼𝐼𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
… Minimaler einpoliger Kurzschlussstrom𝑈𝑈𝑁𝑁 … Nennspannung gegen Erde (230V)
𝐼𝐼𝑁𝑁 > 32 𝐴𝐴 ⇨ zulässige Ausschaltzeit beträgt 5s
Normative Bestimmungen
Seite 4
E 8007
Nullung ⇨ ein Nachweis für die Einhaltung der Ausschaltbedingung nach E 8001-1 ist rechnerisch zu erbringen
Ein Nachweis der Kurzschlussselektivität vom Hauptverteiler bis zu den Kurzschluss-Schutzeinrichtungen in den Unterverteilern der Sicherheitsstromversorgung ist zu erbringen
Erstprüfung ⇨ korrekte Auswahl der Betriebsmittel zur Erhaltung der Kurzschlussselektivität der Sicherheitsstromversorgungen ist zu prüfen
Normative Bestimmungen
Seite 5
E 8002
Nullung nur dann, wenn die Auswahl der Schutzeinrichtungen so erfolgt, dass die Abschaltung im ersten Fehlerfall zu keinem Totalausfall der Sicherheitseinrichtungen führt
⇨ selektive Auswahl und Anordnung von Schutzeinrichtungen
Alle Stromkreise der Sicherheitsstromversorgung sind so auszuwählen, dass bei Kurzschluss in einem Stromkreis der Ausfall der zugehörigen Verteilereinspeisung vermieden wird
Erstprüfung ⇨ korrekte Auswahl der Betriebsmittel zur Erhaltung der Kurzschlussselektivität der Sicherheitsstromversorgungen ist zu prüfen
Normative Bestimmungen
Seite 6
EN 60909-0 (IEC 60909-0)
𝐼𝐼b2 = 𝐼𝐼𝑘𝑘2" ; 𝐼𝐼b2E = 𝐼𝐼𝑘𝑘2𝑘𝑘" ; 𝐼𝐼b1 = 𝐼𝐼𝑘𝑘1"
𝐼𝐼𝑏𝑏 … Ausschaltwechselstrom𝐼𝐼𝑘𝑘" … Anfangskurzschlusswechselstrom
Für unsymmetrische Kurzschlüsse wird das Abklingen des Flusses in den Generatoren nicht berücksichtigt d. h. generatornahe Kurzschlüsse werden wie generatorferne Kurzschlüsse behandelt
Normative Bestimmungen
Seite 7
EN 60909-0 (IEC 60909-0)
𝐼𝐼𝑘𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚" = 𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚�𝑈𝑈𝑛𝑛
𝑘�𝑍𝑍𝑘𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛; 𝐼𝐼𝑘𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛
" = 𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛�𝑈𝑈𝑛𝑛𝑘�𝑍𝑍𝑘𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝐼𝐼𝑘𝑘2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚" = 𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚�𝑈𝑈𝑛𝑛
𝑍𝑍𝑘𝑘2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛; 𝐼𝐼𝑘𝑘2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛
" = 𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛�𝑈𝑈𝑛𝑛𝑍𝑍𝑘𝑘2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝐼𝐼𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚" = 𝑘�𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚�𝑈𝑈𝑛𝑛
𝑍𝑍𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛; 𝐼𝐼𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛
" = 𝑘�𝑐𝑐𝑚𝑚𝑚𝑚𝑛𝑛�𝑈𝑈𝑛𝑛𝑍𝑍𝑘𝑘1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑈𝑈𝑚𝑚 … Außenleiternennspannung𝐼𝐼𝑘𝑘" … Anfangskurzschlusswechselstrom𝑍𝑍𝑘𝑘 … Wirksame Kurzschlussimpedanz𝑐𝑐 … Spannungsfaktor
Problematik
Seite 8
𝑆𝑆𝑘𝑘𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚der Netzersatzanlagen ≪ als im Normalbetrieb
𝑆𝑆𝑘𝑘 zeitlich nicht konstant
Einfluss der Regler auf den Kurzschlussstromverlauf
Generatornaher Fehler ⇨ abklingender DC- UND AC-Anteil
Einfluss des Vorbelastungszustandes
KS-Programme ermitteln teils Ausschaltzeit über 𝐼𝐼𝑘𝑘"
EN 60909 nur bedingt für Inselnetze geeignet
Netztopologie
Seite 9
400-VAC-Netz
SV- SS
G
LS1 400A
355A
200A 160A
200A 125A
E-AY2Y 4x1x240 mm2
L=50m
KA2E-AY2Y 2x4x120 mm2
L=90m
KA1E-AY2Y 4x1x240 mm2
L=25m
SS2 SS3
Dieselgenerator400V
250kVA
LS2 800A
AV- SS
355A
E-AY2Y 4x1x240 mm2
L=25m
400A
Trafo Dyn520kV/400V
400kVA
Ergebnisse
Seite 10
Einfluss der Regler
Bis ca. 100ms kein Einfluss der Regler auf den Kurzschlussstromverlauf
Einfluss der Regler
Ergebnisse
Seite 11
Vergleich der Berechnungsmethoden
Dauerkurzschlussstrom bei zweipoligen Kurzschluss gegenüber IEC 60909 reduziert
IEC 60909-0 EMT Simulation relative Abweichung
I‘‘k1min 2,4 kA 3,8 kA 58 %
I‘‘k2min 2 kA 2,7 kA 35 %
I‘‘k3min 3,5 kA 4,4 kA 26 %
Ik1min 2,4 kA 3 kA 25 %
Ik2min 2 kA 1,6 kA -20 %
Ik3min 0,9 kA 1 kA 11 %
Ith2min(0,05 s) 2,1 kA 2,3 kA 10 %
Ith2min(0,2 s) 2,0 kA 1,7 kA -15 %
Ergebnisse
Seite 12
Stromverläufe
i3_th erreicht I“3min nicht i2_th > I“2min nach 10ms, i2_th < I“2min nach 100ms i1_th ca. I“1min nach 200ms
Legende:
125A…Sicherungskennlinie der 125A NH-Sicherung160A…Sicherungskennlinie der 160A NH-Sicherungi3_th…Thermisch gleichwertiger KS-Strom beim dreipol. KSi2_th…Thermisch gleichwertiger KS-Strom beim zweipol. KSi1t_h…Thermisch gleichwertiger KS-Strom beim einpol. KSI“3min…Anfangskurzschlusswechselstrom beim dreipol. KSI“2min…Anfangskurzschlusswechselstrom beim zweipol. KSI“1min…Anfangskurzschlusswechselstrom beim einpol. KS
I"1min; 2400A
I"2min; 2000A
I"3min; 3500A
0,001
0,01
0,1
1
10
100 1000 10000
t [s]
i [A]
i1_th
i2_th
i3_th
125A
160A
I"1min
I"2min
I"3min
I"1min; 2400A
0,001
0,01
0,1
1
10
1000 10000
t [s]
i [A]
i1_th 160A I"1min
Ergebnisse
Seite 13
Auslösezeit 1pol. KS
t ca. 150ms mit I“1min
t ca. 80ms mit i1_th
I"2min; 2000A
0,001
0,01
0,1
1
10
100 1000 10000
t [s]
i [A]
i2_th 160A I"2min
Ergebnisse
Seite 14
Auslösezeit 2pol. KS
t ca. 600ms mit i2_th
t ca. 250ms mit I“2min
I"3min; 3500A
0,001
0,01
0,1
1
10
1000 10000
t [s]
i [A]
i3_th 160A I"3min
Ergebnisse
Seite 15
Auslösezeit 3pol. KS
t ca. 4s mit i3_th
t ca. 35ms mit I“3min
Ergebnisse
Seite 16
Spannungsverlauf nach 3pol. KS
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
UA,UB,UC [kV]
t [s]
Unterspannungsschutz desGenerators greift je nachzeitlichem Einstellwert!!
Ergebnisse
Seite 17
Drehzahlverlauf nach 3pol. KS
Unterspannungsschutz desGenerators greift je nachzeitlichem Einstellwert!!
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1,05
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
n [p.u.]
t [s]
Unterdrehzahl- bzw. Unterfrequenzschutzdes Generators greift nicht!!
Ergebnisse
Seite 18
Auslösezeiten 160A-Sicherung
Auslösezeiten steigen beim zwei- und dreipoligen KS gegenüber den nach Norm berechneten Werten mit I“ ⇨ Sicherstellung der max. Ausschaltzeit von 5s erforderlich?!
Auslösezeit (Ik
‘‘) gemäß Norm
Auslösezeit (Ith) gemäß EMT Simulation
absoluter Unterschied
dreipoliger Kurzschluss 0,035 s 4 s + 3,96 s
zweipoliger Kurzschluss 0,25 s 0,6 s + 0,35 s
einpoliger Kurzschluss 0,15 s 0,08 s - 0,07 s
Ergebnisse
Seite 19
3pol. RMS KS-Verlauf
ik3_maxNEP; 4,29
ik3_minNEP; 0,24; 0,78
ik3_maxPF; 4,28
ik3_minPF; 0,26; 0,80
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
ik(t) [kA]
t [s]
Vergleich NEPLAN zu PowerFactory - Leerlauf
ik3_NEP ik3_PF
Ergebnisse
Seite 20
3pol. RMS KS-Verlauf
ik3_maxmit; 3,66
ik3_minmit; 0,23; 0,81
ik3_maxohne; 4,29
ik3_minohne; 0,24; 0,78
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
ik(t) [kA]
t [s]
Vergleich mit und ohne Last (P=200kW, Q=0kVar)
ik3mit ik3_ohne
Reduktion des Anfangskurzschlusswechselstroms
Resümee
Seite 21
Sorgfalt bei der Berechnung geboten
Überschätzung des Kurzschlussstrom bei der Berechnung gemäß IEC 60909 ⇨ Unterschätzung der Ausschaltzeit
Individuelle Kurzschlussberechnungen für die diversen Schaltzustände erforderlich
Kurzschluss im Betrieb und unter Last ⇨ Reduktion der Kurzschlussströme gegenüber dem Leerlauf möglich
Ermittlung der Kurzschlussströme bei Fehlern an den Knoten (Sammelschienen) ausreichend?
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