Koordiniertes Anwendungsschema für Wiedereinschalter und Falltyp-Sectionalizer

1. Zusammenfassung

Diese Lösung schlägt eine Fehlerisolierungsarchitektur vor, die auf dem koordinierten Zusammenspiel von automatischen Wiedereinschaltern und Abtrennschaltern in Freileitungsbauweise basiert und das Merkmal „lokale Steuerung ohne Kommunikation“ aufweist. Sie eignet sich besonders für ländliche und vorstädtische Abzweige in 15-kV-Freileitungs-Verteilnetzen in Entwicklungsländern und überseeischen Regionen – Gebiete, in denen die SCADA-Infrastruktur schwach ausgeprägt ist, die Wartungskosten für die Kommunikation hoch sind und die Verbesserung der Versorgungszuverlässigkeit das vorrangige Ziel ist.

Der Vorschlag stützt sich auf zwei etablierte Quellen: Erstens zeigt der Fachartikel „Application of Automatic Segmenters in Distribution Network Automation“ (Journal of Huangshi Institute of Technology, 2005) die Kosteneffizienz und die Vorteile der einfachen Implementierung der lokalen Steuerung (Kombination von Wiedereinschaltern mit Segmentierern) gegenüber der Fernsteuerung auf. Zweitens verfügt der feldbewährte dreiphasige elektromechanische Segmentierer RDK-15/300 (Handbuch V2.1, 2026) über programmierbare Zählung, USB/DIP-Konfiguration und Eigenversorgung aus dem Leiterstrom.

• Keine Kommunikationsinfrastruktur erforderlich – vollständig autonome Steuerung vor Ort;
• Der fehlerhafte Abschnitt wird automatisch isoliert, während die nicht fehlerhaften Abschnitte eine kontinuierliche Stromversorgung aufrechterhalten.
• Geringe Investitions- sowie Betriebs- und Wartungskosten, wartungsfrei und schnelle Inbetriebnahme;
• Entspricht den IEC/ANSI-Praktiken zur Wiedereinschalter-Koordination (das Auslösen folgt einer langsam wirkenden Kennlinie und die Unterbrechungszeit beträgt > 0,5 s).

2. Systemkonzept und Funktionsprinzip

2.1 Vergleich zwischen lokaler Steuerung und Fernsteuerung

Es gibt zwei technische Ansätze für die Automatisierung von Verteilnetzen. Die Fernsteuerung basiert auf dem koordinierten Zusammenspiel eines Leitsystems, Umspannwerksystemen, Kommunikationssystemen und Überwachungsterminals und erreicht einen hohen Automatisierungsgrad. Dieser Ansatz erfordert jedoch einen erheblichen Wartungsaufwand für das Kommunikationssystem und verursacht hohe Systemkosten, was ihn weniger geeignet für mittelgroße und kleine städtische Verteilnetze macht – insbesondere für ländliche Stromnetze. Im Gegensatz dazu nutzt die lokale Steuerung automatisierte Schaltgeräte, die Fehler umgehend erkennen und automatisch nach vordefinierten Abläufen schalten, wodurch der fehlerhafte Abschnitt schnell isoliert wird, während eine unterbrechungsfreie Stromversorgung der nicht fehlerhaften Bereiche gewährleistet bleibt. Dieser Ansatz erfordert keine Kommunikationsinfrastruktur, ist einfach zu implementieren, benötigt geringe Investitionen, liefert hervorragende Ergebnisse und lässt sich leicht verbreiten.

2.2 Aufgaben der Geräte

Der Abzweigschalter ist eine Trenneinrichtung und keine Schutzeinrichtung: Er unterbricht niemals Fehlerströme, sondern fällt nur unter lastfreien Bedingungen ab, nachdem er durch den vorgeschalteten automatischen Wiedereinschalter stromlos gemacht wurde (Spannungsverlust). Dieses Merkmal macht seinen Mechanismus leicht, kostengünstig und wartungsfrei.

2.3 Typen und Aufbau von Abzweigschaltern

Abzweigschalter werden in zwei Typen unterteilt: Strom-Zeit und Spannung-Zeit. Der elektromechanische Abzweigschalter RDK-15/300 gehört zum Stromzähltyp: Sein integrierter Mikrocontroller erfasst Fehlerstromereignisse. Wenn der voreingestellte Zählzyklus (1, 2, 3 oder 4 Mal) abgeschlossen ist und die Leitungsspannung auf null abfällt, gibt das Gerät ein Erregersignal aus, das den Elektromagnetantrieb betätigt, die Auslöseverriegelung löst und die leitenden Komponenten abfallen lässt, wodurch der fehlerhafte Abschnitt isoliert wird. Die Speicherzeit definiert die Dauer, für die die Zählung aufrechterhalten wird; die Rücksetzzeit (30 bis 300 Sekunden) ermöglicht es dem Gerät, nach der Beseitigung eines transienten Fehlers in seinen Ausgangszustand vor dem Fehler zurückzukehren.

Der Steuerkern implementiert die Fehlerstromerkennung, Unterspannungserkennung und Zähllogik; die dreiphasige Verriegelung wird durch mechanische Verriegelungen gewährleistet. Verwendung bei erforderlicher drahtloser Verbindung. Die drahtlose Synchronisation mit niedrigem Stromverbrauch (wie das nRF401-Modul) stellt sicher, dass die dreiphasigen Abzweigschalter gleichzeitig abfallen.

2.4 Synchronisationszeit

Fehlerauftreten → Vorgeschalteter Wiedereinschalter löst aus (entweder schnelle oder langsame Kennlinie) → Der Zähler für alle Abzweigschalter, die Fehlerstrom führen, wird um eins erhöht → Leitungsspannung fällt ab → Abzweigschalter, deren Zähler den voreingestellten Wert erreichen, lösen im lastfreien Zustand aus → Der Wiedereinschalter schließt wieder, stellt die Stromversorgung der nicht fehlerhaften Abschnitte wieder her, während der isolierte Abschnitt stromlos bleibt. Im Falle eines transienten Fehlers werden alle Zähler nach Ablauf ihrer Speicherzeit zurückgesetzt, und die Leitung kehrt ohne weitere Maßnahmen in den Normalbetrieb zurück.

Hardware-Highlights: Das Steuerungssystem wird von einem Stromwandler (I1, I2A, I2B) zur Abtastung, einem Gleichrichter und einer Spannungsstabilisierungsschaltung mit Strom versorgt und von Thyristor-Elektronikschaltern (SR1, SR2) angesteuert. Der Interrupt-Behandlungsprozess umfasst einen externen Interrupt INT0 (der die Fehlerzählung erhöht und den Timer T1 startet), einen seriellen Empfangsinterrupt (der eingehende Befehle verarbeitet) und einen T1-Timer-Interrupt (der ein 1-Sekunden-Flag setzt). Das Auslösesteuerungsmodul triggert den Antrieb, um den Leistungsschalter zu öffnen, und setzt ein Öffnungs-Flag, wenn entweder „die Anzahl der Fehlerströme den Sollwert erreicht“ oder „ein Auslösebefehl empfangen wird“, vorausgesetzt, dass „die Leitungsspannung abgefallen ist“. Die typische Speicherverzögerung beträgt 15 Sekunden, und die Zustandswiederherstellung dauert 30 Sekunden.

3. Technische Auslegungsgrundlage

3.1 Empfohlene Geräteparameter (Klasse RDK-15/300)

3.2 Einhaltung der Einstellvorschriften (verbindliche Anforderungen)

Auswahlrichtlinien: Für Kundenzuleitungen wird im Allgemeinen eine Einfachzählereinstellung empfohlen – die meisten Fehler in Kundenumspannwerken sind dauerhaft. Für Abzweiganschlusspunkte an Freileitungen wird eine Zwei- oder Dreifachzählereinstellung empfohlen – etwa 80 % der Fehler an Freileitungen sind vorübergehend, was die Koordination und optimale Abstimmung zwischen den Abschnittsschaltern erleichtert.

3.3 Umgebungs- und Installationsbedingungen

• Umgebungstemperatur: -40 ℃ ~ +60 ℃ (geeignet für tropische, Wüsten- und Kaltregionen);
• Höhenlage: ≤ 2000 m; Winddruck ≤ 700 Pa; Eisdicke ≤ 1 mm;
• Verschmutzungsgrad der äußeren Isolierung: Klasse IV; Schutzart der Controller-USB-Schnittstelle: IP68;
• Führen Sie die Mastmontage gemäß dem Installationsplan der Halterung durch; bedienen Sie die Hakenstange.

4. Anwendungsarchitektur

4.1 Speiseleitungskonfiguration

Typische Konfiguration: Am Umspannwerksausgang ist ein automatischer Wiedereinschalter installiert, wobei die Schutzsequenz auf 1 schnell + 3 langsam eingestellt ist. Sechs automatische Auslöse-Abschnittsschalter – F1 bis F6 – sind auf den Abzweigleitungen installiert und teilen die Leitung in sieben Segmente mit den Bezeichnungen L1 bis L7. Zählereinstellungen: F1 = 3-mal; F2, F3 und F5 = jeweils 2-mal; F4 und F6 = jeweils 1-mal.

4.2 Simulation von Fehlerszenarien

Fehlerfall am Abzweig: Ein am Abzweigungspunkt installierter Abschnittsschalter, der mit einer Einfachzählfunktion konfiguriert ist, kann kundenseitige Fehler (K1) – ob dauerhaft oder vorübergehend – isolieren, ohne die Hauptspeiseleitung zu beeinträchtigen.

5. Vorteile und Lebenszykluskosten

5.1 Zuverlässigkeitssteigerung

• Ohne Eingriff des Bedienpersonals werden Fehlerabschnitte innerhalb von Sekunden isoliert – was die SAIDI/SAIFI-Kennzahlen direkt verbessert.
• Vorübergehende Fehler (die etwa 80 % der Freileitungsfehler ausmachen) werden ausschließlich durch Wiedereinschalter beseitigt, während Abschnittsschalter automatisch zurückgesetzt werden.
• Der dauerhafte Fehler wird auf den kleinsten Abschnitt begrenzt, und die überwiegende Mehrheit der Benutzer bleibt mit Strom versorgt.

5.2 Kostenvergleich mit Fernsteuerungslösungen

• Keine SCADA-Leitstelle, keine Kommunikationsverbindungen und keine Terminalwartung – die Investition beträgt nur einen Bruchteil dessen, was für Fernsteuerungslösungen erforderlich ist.
• Der Abschnittsschalter ist wartungsfrei (eigenversorgend, batterielos, SF6-frei und benötigt keine Hilfsstromversorgung);
• Er wird auf dem Standardmast installiert und ist schnell einsatzbereit; lokales Personal kann die Inbetriebnahme nach einer kurzen Einweisung mit einem einfachen USB-Konfigurationstool abschließen.

5.3 Inbetriebnahme und Betrieb

• Einstellung des Zählwerts und des Strombereichs über DIP-Schalter oder Konfiguration über USB (Standard: admin/123, kann geändert werden);
• Ereignisprotokoll: Bis zu 100 Einträge (Auslösung/automatische Rücksetzung/manuelle Rücksetzung, Auslösestrom, maximaler/minimaler Strom); exportierbar nach Excel.
• Die Wartungssoftware bietet Funktionen zur Auslöseprüfung, Echtzeit-Statusanzeige und Nachrichtenüberwachung.
• Die wasserdichte Abdichtung des Moduls ist entscheidend für die Lebensdauer des Geräts – Parameteränderungen müssen von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden.

6. Liste für den internationalen Einsatz

• Normenkonformität: Wiedereinschalter müssen der IEC 62271-111 entsprechen (oder, falls zutreffend, der ANSI C37.60); Abschnittsschalter mit zugehöriger Logik müssen den Schutzrelais der Klasse IEC 60255 entsprechen; das Systemdesign muss den Netzvorschriften des Zielversorgungsunternehmens entsprechen.
• Spannung/Frequenz: 15-kV-Klasse, verfügbar in 50 oder 60 Hz – vorbehaltlich der Bestätigung durch das Zielnetz (falls eine 11/20/22/33-kV-Variante erforderlich ist, sind weitere Abstimmungen erforderlich);
• Umweltprüfung: Bestätigung des Umgebungstemperaturbereichs vor Ort, des Verschmutzungsgrades, der Höhe und der Vereisungsbedingungen.
• Sternpunkt/Erdung: Bestätigung des Erdungsverfahrens des Systems (direkte Erdung, Impedanzerdung oder isolierter Sternpunkt) und der Koordination der Fehlerstromauslöseeinstellung für Erdschlüsse.
• Zubehörkonfiguration: Lasttrennfähiger Hakenstab, Leitungsklemmensatz für Arbeiten unter Spannung, Ersatz-DIP-Modul, USB-Testkabel und Treiberpaket;
• Schulung und Dokumentation: Englisches Handbuch + Kurzanleitung für das Konfigurationstool; Inbetriebnahme vor Ort durch geschultes Personal;
• Ersatzteilstrategie: Reservierung von Abschnittsschaltern und vollständigen Installationshaltern im Verhältnis von 10 %, um einen schnellen Austausch zu unterstützen.

7. Referenzen

• Xu Lufei, Pi Daneng und Wang Zaiming: „Einsatz automatischer Abschnittsschalter in der Automatisierung von Verteilnetzen“, Journal of Huangshi Institute of Technology, Bd. 21, Nr. 6, Dezember 2005 (Artikel-ID 1008-8245(2005)06-0016-03).
• Rockwill Group: „Benutzerhandbuch für den dreiphasigen mechanisch-elektronischen Abschnittsschalter RDK-15/300“, V2.1.0, Juni 2026.
• Xu Layuan und Gao Yimei: „Entwurf und technische Anwendungen von unbemannten Umspannwerken in ländlichen Stromnetzen“, China Electric Power Press, 1999.