Wie ermöglicht eine Wiedereinschaltsteuerung die Fehlerortung, Fehlerisolierung und Versorgungswiederherstellung im Verteilnetz?

Das Hauptziel der Fehlerbehandlung in Verteilnetzen besteht darin, Fehler zu isolieren und die Stromversorgung in kürzester Zeit wiederherzustellen. Als zentrale intelligente Einheit der Verteilungsautomatisierung arbeitet der Wiedereinschaltregler in Abstimmung mit Abschnittsschaltern, anderen Wiedereinschaltern oder dem Leitsystem, um einen vollautomatisierten geschlossenen Kreislauf von "Fehlererkennung → Artbestimmung → präzise Isolierung → Wiederherstellung der Versorgung" zu realisieren. Dieser Artikel bietet eine systematische Analyse seiner Kernrolle und Implementierungslogik.

Erweiterter Wiedereinschaltregler

I. Kerngrundlage: Die "eigenständige" Fähigkeit des Wiedereinschaltreglers

Ein Wiedereinschalter ist ein Hochspannungsschaltgerät mit eigenständigen Steuerungs- und Schutzfunktionen. Sein Regler kann Fehlererkennung, Auslösung und mehrfache Wiedereinschaltvorgänge unabhängig abschließen, ohne dass ein externes, unabhängiges Relaisschutzgerät erforderlich ist.

Es sei klargestellt, dass "eigenständig" nicht bedeutet, dass es völlig unabhängig von externer Unterstützung ist: Moderne Wiedereinschaltregler benötigen in der Regel einen externen Spannungswandler (TV/PT), um Spannungssignale und Betriebsleistung bereitzustellen. Einige Modelle verwenden die Leistungsabnahme über PT, Batterien, Superkondensatoren oder die Leistungsabnahme über TA als Betriebsstromquellen und benötigen lediglich kein zusätzliches unabhängiges Relaisschutzgerät.

Zu seinen Kernfunktionen gehören:

• Fehlererkennung und Auslösung: Erkennt automatisch den Leitungsstrom und unterbricht bei Bestätigung eines Fehlers den Fehlerstrom gemäß den Kennlinien des Schutzes mit inverser Zeitabhängigkeit;

• Mehrfaches Wiedereinschalten: Führt mehrfache Wiedereinschaltvorgänge gemäß einer voreingestellten Sequenz durch (wie "einmal schnell, zweimal langsam", "zweimal schnell, zweimal langsam", "einmal schnell, dreimal langsam" usw.), um vorübergehende Fehler (wie Blitzeinschläge oder herabhängende Äste, die die Leitung berühren) von dauerhaften Fehlern (wie Leiterbrüche oder Isolationsdurchschläge) zu unterscheiden;

• Automatische Verriegelung und Rücksetzung: Setzt sich nach einem erfolgreichen Wiedereinschalten bei einem vorübergehenden Fehler automatisch zurück; nach Abschluss der vorgegebenen Anzahl von Wiedereinschaltvorgängen bei einem dauerhaften Fehler verriegelt es im geöffneten Zustand, um den fehlerhaften Abschnitt zu isolieren.

Wiedereinschaltregler | ANSI C37.60 Schutz & DNP3.0

II. Wichtige Voraussetzung: Die Fähigkeitsgrenze zwischen Wiedereinschaltern und Abschnittsschaltern

Die Koordination zwischen Wiedereinschaltern und Abschnittsschaltern (auch als Trennschalter bezeichnet) ist die Grundlage der Netzautomatisierung (FA) im lokalen Modus. Die Fähigkeitsgrenze zwischen beiden muss strikt unterschieden werden:

• Wiedereinschalter: Verfügt über die Fähigkeit, Kurzschlussströme zu unterbrechen, und kann Fehlerbeseitigungs- und Wiedereinschaltvorgänge unabhängig abschließen;

• Abschnittsschalter: Kann nur Lastströme unterbrechen, keine Kurzschlussströme. Er verlässt sich auf den vorgelagerten Wiedereinschalter/Schalter zur Fehlerbeseitigung und ist nur für die Isolierung des fehlerhaften Abschnitts verantwortlich.

Das Verständnis dieser Grenze ist die Voraussetzung für das Beherrschen der nachfolgenden Fehlerortungs- und Isolierungslogik.

III. Kern-Koordinationsmodi für Fehlerortung und Isolierung

1. Spannungs-Zeit-Typ (Basiert auf zeitlicher Sequenzkoordination, keine Kommunikation erforderlich)

Dieser Modus nutzt die Eigenschaften des Abschnittsschalters "Öffnen bei Spannungsausfall und verzögertes Schließen bei wiederhergestellter Spannung", abgestimmt auf den zweiten Wiedereinschaltvorgang des Abgangsschalters der Umspannstation.

Schlüsselparameter:

• X-Zeit (Einschaltverzögerung): Muss größer als die Auslösezeit des netzseitigen Schalters und kleiner als die zweite Wiedereinschaltverzögerung sein. Die X-Zeiten der Abschnittsschalter müssen stufenweise zunehmen, um ein gleichzeitiges Schließen zu vermeiden. Typische Einstellungen sind 7 s, 14 s, 21 s usw. (Abschnittsschalter: 5–7 s; Kupplungsschalter: 12–18 s), wobei die Stufendifferenz zwischen benachbarten Abschnittsschaltern in der Regel 7 s beträgt;

• Y-Zeit (Fehlererkennungs-Verriegelungszeit): Muss kleiner als die zweite Wiedereinschaltverzögerung des netzseitigen Wiedereinschalters sein, um sicherzustellen, dass die Fehlerbestimmung vor dem zweiten Wiedereinschalten abgeschlossen ist. Typische Einstellungen sind 5 s oder 10 s.

Betriebsablauf:

• Der Fehler verursacht eine Auslösung, die gesamte Leitung verliert die Spannung, und die Abschnittsschalter öffnen automatisch;

• Der Wiedereinschalter führt seine erste Wiedereinschaltung durch (die erste Wiedereinschaltverzögerung des Abgangsschalters im Umspannwerk beträgt typischerweise 15–20 Sekunden, was größer als die Wiedereinschalt-Ladezeit sein muss), und die Abschnittsunterteiler schließen nacheinander mit Verzögerung entsprechend ihrer X-Zeiten;

• Nachdem ein Abschnittsunterteiler geschlossen hat, wird, wenn innerhalb der Y-Zeit erneut ein Spannungsausfall erkannt wird (d. h. das Schließen auf den Fehlerpunkt führt zum Auslösen des vorgelagerten Schalters), der Abschnitt, in dem er sich befindet, als fehlerhafter Abschnitt bestimmt, und er verriegelt automatisch und reagiert nicht mehr auf die wiederhergestellte Spannung zum Schließen; wenn die Spannung über die Y-Zeit hinaus aufrechterhalten wird, wird der Abschnitt als normaler Abschnitt bestimmt und bleibt geschlossen;

• Der Wiedereinschalter führt seine zweite Wiedereinschaltung durch. Die nicht fehlerhaften Abschnitte auf der Quellenseite werden wieder mit Strom versorgt, während der fehlerhafte Abschnitt aufgrund der Verriegelung offen bleibt. Die nicht fehlerhaften Abschnitte auf der Lastseite werden durch Ersatzversorgung vom Kupplungsschalter wiederhergestellt.

Fehlerisolierungszeit: Hängt von den X/Y-Zeiteinstellungen ab, typischerweise 20–60 Sekunden. Es sind mehrere Wiedereinschaltvorgänge erforderlich, was zu mehrfachen Kurzschlussstrombelastungen des Systems führt.

2. Überstromimpulszählertyp (basiert auf Stromzählung, keine Kommunikation erforderlich)

Der Abschnittsunterteiler zeichnet die Anzahl der Unterbrechungen des Fehlerstroms durch den vorgelagerten Wiedereinschalter auf und öffnet und verriegelt automatisch, nachdem ein voreingestellter Wert erreicht ist.

Betriebsablauf (am Beispiel eines voreingestellten Zählwerts von 2):

• Ein Fehler tritt auf, der Wiedereinschalter löst aus, und der Abschnittsunterteiler zeichnet den Überstromimpuls 1 auf (voreingestellter Wert nicht erreicht, bleibt geschlossen);

• Der Wiedereinschalter führt seine erste Wiedereinschaltung durch, schließt erneut auf den Fehlerpunkt und löst aus, wobei der Zählerstand des Abschnittsunterteilers 2 erreicht. Während des stromlosen Intervalls (wenn die Leitung spannungsfrei ist und der Strom unter 300 mA liegt), öffnet und verriegelt der Abschnittsunterteiler automatisch, wobei der Öffnungsvorgang typischerweise innerhalb von 180 ms abgeschlossen wird;

• Der Wiedereinschalter führt seine zweite Wiedereinschaltung durch, der Abschnittsunterteiler bleibt offen, der fehlerhafte Abschnitt wird isoliert und die gesunden Abschnitte werden wieder mit Strom versorgt.

Prinzip der Zählereinstellung: Der voreingestellte Zählwert des Abschnittsunterteilers sollte um eins geringer sein als die Anzahl der Wiedereinschaltvorgänge, bevor der Wiedereinschalter verriegelt, um sicherzustellen, dass der Abschnittsunterteiler das Öffnen und die Isolierung abschließt, bevor der Wiedereinschalter endgültig verriegelt.

Zählerrücksetzlogik: Wenn die Wiedereinschaltung erfolgreich ist, muss der Zählerstand des Abschnittsunterteilers gelöscht werden, um auf den nächsten Fehler vorbereitet zu sein.

3. Intelligenter verteilter Typ (basiert auf Terminalkommunikation, Hochgeschwindigkeitsreaktion)

Durch Hochgeschwindigkeits-Glasfaserkommunikation (oder latenzarme Kommunikation wie 5G) zwischen Verteilungsterminals werden Fehlerinformationen ausgetauscht und eine autonome Logikbewertung durchgeführt, um den fehlerhaften Bereich zu isolieren, bevor der Abgangsschalter im Umspannwerk auslöst.

Kernvorteile: Einmalige präzise Lokalisierung und Isolierung. Fehlerisolierungszeit: Für den Hochgeschwindigkeits-Verteiler-FA-Typ beträgt die Isolierungszeit des vorgelagerten Schalters ≤ 200 ms und die Wiederherstellungszeit des nicht fehlerhaften Bereichs ≤ 5 s; für den Langsamtyp beträgt die Isolierungszeit ≤ 5 s und die Wiederherstellungszeit ≤ 45 s (gemäß DL/T 1910-2018 "Technische Spezifikation für verteilte Speisungsautomatisierung von Verteilnetzen"). Er ist nicht auf die Wiedereinschaltung im Umspannwerk angewiesen und vermeidet mehrfache Kurzschlussstrombelastungen;
Einschränkungen: Abhängig von Glasfaser- oder latenzarmer 5G-Kommunikation, was zu höheren Kosten führt. Die Zuverlässigkeit wird durch die Kommunikationsqualität beeinträchtigt. Geeignet für Gebiete wie zentrale Stadtbezirke mit hohen Anforderungen an die Stromqualität.

4. Wiedereinschalter + Wiedereinschalter-Koordinationsmodus (Szenario für den Betrieb im offenen Ringnetz)

In einem Verteilnetz, das als offenes Ringnetz betrieben wird, wird die Fehlerisolierung durch abgestufte Einstellungen der Öffnungsverzögerung bei Spannungsausfall und der Schließverzögerung erreicht.

Betriebslogik: Der Abgangs-Wiedereinschalter, die Zwischen-Wiedereinschalter und der Kupplungs-Wiedereinschalter koordinieren sich durch Verzögerungseinstellungen. Bei einem Fehler löst der dem Fehler nächstgelegene Wiedereinschalter schnell aus, während weiter vom Fehler entfernte Wiedereinschalter verzögert auslösen. Der Kupplungs-Wiedereinschalter schließt nach einer Verzögerung, wenn er einen Spannungsausfall auf einer Seite erkennt, um die Ersatzversorgung für nicht fehlerhafte Abschnitte wiederherzustellen.

Kernvorteil: Im Vergleich zum Modus "Wiedereinschalter + Abschnittsunterteiler" kann er den Umfang des Ausfalls, der nicht fehlerhafte Abschnitte betrifft, reduzieren, was ihn für komplexe Szenarien mit Ringnetzversorgung geeignet macht.

IV. Implementierungslogik der Versorgungswiederherstellung

Die Versorgungswiederherstellung wird in zwei Kategorien unterteilt: automatische Wiederherstellung bei vorübergehenden Fehlern und Ersatzwiederherstellung bei dauerhaften Fehlern.

Vorübergehende Fehler: Nachdem der Wiedereinschalter erfolgreich wieder eingeschaltet hat, stellt die Leitung die Stromversorgung direkt ohne zusätzliche Vorgänge wieder her.

Dauerhafte Fehler: Nachdem der fehlerhafte Abschnitt isoliert wurde, werden nicht fehlerhafte Bereiche auf die folgenden Arten wiederhergestellt:

• Nicht gestörter Bereich auf der Einspeiseseite: Die Stromversorgung wird direkt nach dem zweiten Wiedereinschalten des automatischen Wiedereinschalters wiederhergestellt;

• Nicht gestörter Bereich auf der Lastseite: Der Kupplungsschalter erkennt den Spannungsausfall auf einer Seite und schließt nach einer Verzögerung (die Verzögerung muss größer als die Fehlerisolierungszeit sein, um ein Einschalten auf den Fehlerpunkt zu vermeiden), wodurch die Versorgung durch Umschaltung auf die benachbarte Leitung wiederhergestellt wird.

V. Vergleich der technischen Merkmale und Anwendungsszenarien

Als zentrale intelligente Einheit für die Fehlerbehandlung im Verteilnetz arbeitet der Wiedereinschaltregler in Abstimmung mit Abschnittsautomaten, anderen Wiedereinschaltern oder dem Leitsystem, um einen vollautomatisierten geschlossenen Kreislauf von "Fehlererkennung → Artbestimmung → präzise Isolierung → Versorgungswiederherstellung" zu realisieren. Mit der Entwicklung intelligenter Verteilnetze werden Wiedereinschaltregler zunehmend tief in FTUs und Leitsysteme integriert, wodurch die Fehlerbehandlungszeit von der "Stundenebene" auf die "Minutenebene" oder sogar die "Sekundenebene" komprimiert wird, was die Versorgungszuverlässigkeit erheblich verbessert.

In Zukunft müssen sich Wiedereinschaltregler mit der großflächigen Integration dezentraler Energieressourcen an adaptive Wiedereinschaltstrategien anpassen, die mit der dezentralen Erzeugung koordiniert sind, um die Risiken eines asynchronen Zuschaltens zu vermeiden. Gleichzeitig wird durch die Kombination von 5G-Kommunikation, digitalen Zwillingen und anderen Technologien die Selbstheilungsfähigkeit von Verteilnetzen bei Fehlern weiter verbessert. Darüber hinaus kann eine adaptive integrierte FA durch Nullspannungs-/Nullstromkriterien eine Erdschlussabschnittsauswahl und -isolierung erreichen, was den Nachteil ausgleicht, dass die herkömmliche Spannungs-Zeit-FA keine Erdschlussbehandlungsfähigkeit besitzt.

Bearbeitet von: Garca