Schutz von Leitungen oder Speiseleitungen

Da die Länge einer elektrischen Energieübertragungsleitung in der Regel groß genug ist und sie durch die offene Atmosphäre verläuft, ist die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers in der elektrischen Energieübertragungsleitung viel höher als bei elektrischen Transformatoren und Synchronmaschinen. Deshalb erfordert eine Übertragungsleitung viel mehr Schutzmaßnahmen als ein Transformer und eine Synchronmaschine.
Leitungsschutz sollte einige spezielle Merkmale aufweisen, wie z.B.:

1. Bei einem Fehler soll nur der Stromschutzschalter, der dem Fehlerpunkt am nächsten ist, ausgelöst werden.

2. Falls der Stromschutzschalter, der dem Fehlerpunkt am nächsten ist, nicht auslöst, wird der nächstgelegene Stromschutzschalter als Rückfalleinrichtung ausgelöst.

3. Die Betriebszeit des Relais, das mit dem Leitungsschutz verbunden ist, sollte so kurz wie möglich sein, um unnötiges Auslösen von Stromschutzschaltern in anderen gesunden Teilen des Energiesystems zu vermeiden.

Diese oben genannten Anforderungen machen den Schutz der Übertragungsleitung sehr unterschiedlich vom Schutz des Transformers und anderer Ausrüstungen des Energiesystems. Die drei Hauptmethoden des Schutzes der Übertragungsleitung sind:

1. Zeitgestaffelter Überstromschutz.

2. Differenzialschutz.

3. Entfernungsschutz.

Zeitgestaffelter Überstromschutz

Dies kann auch einfach als Überstromschutz für elektrische Energieübertragungsleitungen bezeichnet werden. Lassen Sie uns verschiedene Schemata des zeitgestaffelten Überstromschutzes besprechen.

Schutz eines radialen Speisers

In einem radialen Speiser fließt die Energie nur in eine Richtung, nämlich von der Quelle zur Last. Diese Art von Speisern kann leicht durch Verwendung von entweder festzeitigen Relais oder inverse Zeitrelais geschützt werden.

Leitungsschutz durch festzeitiges Relais

Dieses Schutzschema ist sehr einfach. Hier wird die gesamte Leitung in verschiedene Abschnitte unterteilt und jeder Abschnitt wird mit einem festzeitigen Relais versehen. Das Relais, das dem Ende der Leitung am nächsten ist, hat die kürzeste Zeiteinstellung, während die Zeiteinstellungen der anderen Relais sukzessive erhöht werden, in Richtung der Quelle.
Nehmen wir zum Beispiel an, es gibt eine Quelle am Punkt A, in der unten dargestellten Abbildung

Am Punkt D ist der Stromschutzschalter CB-3 mit einer festen Relaiszeiteinstellung von 0,5 Sekunden installiert. Sukzessive wird am Punkt C ein weiterer Stromschutzschalter CB-2 mit einer festen Relaiszeiteinstellung von 1 Sekunde installiert. Der nächste Stromschutzschalter CB-1 wird am Punkt B installiert, der der Punkt A am nächsten ist. Am Punkt B ist das Relais auf eine Zeiteinstellung von 1,5 Sekunden eingestellt.
Nun nehmen wir an, dass ein Fehler am Punkt F auftritt. Aufgrund dieses Fehlers fließt der fehlerhafte Strom durch alle Stromtransformatoren oder ST, die in der Leitung verbunden sind. Da jedoch die Zeiteinstellung des Relais am Punkt D minimal ist, wird der mit diesem Relais verbundene CB-3 als Erster ausgelöst, um die fehlerhafte Zone vom Rest der Leitung zu isolieren. Falls der CB-3 aus irgendeinem Grund nicht auslöst, wird das nächste höher eingestellte Relais aktiviert, um den zugehörigen CB auszulösen. In diesem Fall würde CB-2 auslösen. Wenn auch CB-2 nicht auslöst, würde der nächste Stromschutzschalter, also CB-1, auslösen, um einen größeren Teil der Leitung zu isolieren.

Vorteile des Schutzes durch festzeitiges Relais

Der Hauptvorteil dieses Schemas ist die Einfachheit. Der zweite wichtige Vorteil ist, dass bei einem Fehler nur der nächstgelegene CB in Richtung der Quelle vom Fehlerpunkt aus ausgelöst wird, um eine bestimmte Position der Leitung zu isolieren.

Nachteile des Schutzes durch festzeitiges Relais

Wenn die Anzahl der Abschnitte in der Leitung sehr groß ist, wäre die Zeiteinstellung des Relais, das der Quelle am nächsten ist, sehr lang. Daher würde bei einem Fehler in der Nähe der Quelle viel Zeit vergehen, bis dieser isoliert wird. Dies könnte schwerwiegende destruktive Auswirkungen auf das System haben.

Überstromschutz der Leitung durch inverses Relais

Der Nachteil, den wir gerade beim zeitgestaffelten Überstromschutz der Übertragungsleitung besprochen haben, kann leicht durch die Verwendung von inversen Zeitrelais überwunden werden. Bei einem inversen Relais ist die Betriebszeit umgekehrt proportional zum Fehlerstrom.

In der obigen Abbildung ist die Gesamtzeiteinstellung des Relais am Punkt D minimal und diese Zeiteinstellung wird sukzessive für die Relais erhöht, die den Punkten in Richtung des Punktes A zugeordnet sind.
Bei einem Fehler am Punkt F wird offensichtlich CB-3 am Punkt D ausgelöst. Falls CB-3 nicht öffnet, wird CB-2 betätigt, da die Gesamtzeiteinstellung in diesem Relais am Punkt C höher ist.
Obwohl die Zeiteinstellung des Relais, das der Quelle am nächsten ist, maximal ist, wird es trotzdem in kürzerer Zeit auslösen, wenn ein großer Fehler in der Nähe der Quelle auftritt, da die Betriebszeit des Relais umgekehrt proportional zum Fehlerstrom ist.

Überstromschutz paralleler Speiser

Um die Stabilität des Systems zu gewährleisten, muss eine Last von der Quelle durch zwei oder mehr parallele Speiser versorgt werden. Wenn ein Fehler in einem der Speiser auftritt, sollte nur der fehlerhafte Speiser vom System getrennt werden, um die Versorgungskontinuität von der Quelle zur Last aufrechtzuerhalten. Diese Anforderung macht den Schutz paralleler Speiser etwas komplexer als den einfachen nicht gerichteten Überstromschutz der Leitung, wie im Fall radialer Speiser. Der Schutz paralleler Speiser erfordert die Verwendung gerichteter Relais und die Zeiteinstellung des Relais für selektives Auslösen.

Es gibt zwei parallel von der Quelle zur Last verbundene Speiser. Beide Speiser haben nicht gerichtete Überstromrelais am Quellenende. Diese Relais sollten inverse Zeitrelais sein. Auch beide Speiser haben gerichtete Relais oder Rückwärtsleistungsrelais am Lastende. Die hier verwendeten Rückwärtsleistungsrelais sollten sofortig arbeiten. Das bedeutet, diese Relais sollten sofort auslösen, sobald die Leistung in dem Speiser umgekehrt wird. Die normale Richtung der Leistung ist von der Quelle zur Last.
Nehmen wir nun an, dass ein Fehler am Punkt F auftritt, sagen wir, der Fehlerstrom beträgt If. Dieser Fehler wird zwei parallele Wege von der Quelle erhalten, einer durch den Stromschutzschalter A nur und der andere über CB-B, Speiser-2, CB-Q, Lastbus und CB-P. Dies ist in der unten dargestellten Abbildung klar zu sehen, wobei IA und IB die von Speiser-1 und Speiser-2 jeweils geteilten Fehlerströme sind.

Gemäß dem Kirchhoffschen Strömesatz gilt IA + IB = If.

Nun fließt IA durch CB-A, IB fließt durch CB-P. Da die Flussrichtung von CB-P umgekehrt ist, wird es sofort auslösen. Aber CB-Q wird nicht auslösen, da der Stromfluss (Leistung) in diesem Schutzschalter nicht umgekehrt wird. Sobald CB-P ausgelöst wird, hörte der Fehlerstrom IB auf, durch den Speiser zu fließen, und daher gibt es keine Frage nach weiterem Auslösen des inversen Zeitüberstromrelais. IA fließt weiter, auch wenn CB-P ausgelöst wird. Dann löst wegen des Überstroms IA CB-A aus. Auf diese Weise wird der fehlerhafte Speiser vom System isoliert.

Differenzialschutz mit Pilotleitung

Dies ist einfach ein Differenzialschutzschema, das auf Speiser angewendet wird. Es gibt mehrere Differenzialschutzschemata für den Leitungsschutz, aber das Mess-Preis-Spannungsausgleichssystem und das Translay-Schema sind am weitesten verbreitet.

Mertz-Preis-Ausgleichssystem

Das Arbeitsprinzip des Mertz-Preis-Ausgleichssystems ist recht einfach. In diesem Schema des Leitungsschutzes ist an jedem der beiden Enden der Leitung ein identischer ST angeschlossen. Die Polarität der STs ist gleich. Die Sekundärseite dieser Stromtransformatoren und die Betriebsspulen von zwei schnellen Relais bilden eine geschlossene Schleife, wie in der unten dargestellten Abbildung gezeigt. In der Schleife wird eine Pilotleitung verwendet, um sowohl die Sekundärseiten der STs als auch die Spulen der Relais zu verbinden, wie gezeigt.

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