Grundlagen des Schutzes durch Relais: Arten von Leitungsstörungen und grundlegende Schutzschemata

1. Arten von Störungen in Stromleitungen

Phasen-zu-Phasen-Störungen:

• Dreiphasenspannungsschlag

• Zweiphasenspannungsschlag

Erdschlüsse:

• Einsphasenerdschluss

• Zweiphasenerdschluss

• Dreiphasenerdschluss

2. Definition von Relaisschutzgeräten
Wenn eine Abnormität oder Störung in einem Bauteil eines Stromnetzes auftritt, sind Relaisschutzgeräte diejenigen, die das defekte oder abnorme Bauteil schnell und selektiv vom System isolieren können, um den fortlaufenden normalen Betrieb der verbleibenden gesunden Ausrüstung zu gewährleisten.

Beispiele hierfür sind: Überstromschutz, Distanzschutz, Nullfolgenstromschutz und Hochfrequenzschutz.

• Hauptschutz: Schutz, der die grundlegenden Anforderungen an die Systemstabilität und die Gerätesicherheit bei Kurzschlüssen erfüllt. Er schaltet als Erstes den Schaltkreis aus und räumt selektiv Störungen im geschützten Gerät oder der gesamten Leitung.

• Sicherungsschutz: Schutz, der die Störung beseitigt, wenn der Hauptschutz oder der Schaltkreis nicht funktioniert.

• Hilfsschutz: Einfacher Schutz, der hinzugefügt wird, um Mängel im Hauptschutz und Sicherungsschutz auszugleichen.

3. Rolle des Relaisschutzes in Übertragungsleitungen
Während des Betriebs können Übertragungsleitungen durch starke Winde, Eis und Schnee, Blitzschläge, externe Beschädigungen, Isolierstoffversagen oder Verschmutzungsfunkenbildung Störungen erfahren. In solchen Fällen kann das Relaisschutzgerät schnell und selektiv handeln und den Leitungsschaltkreis (Schalter) ausschalten.

Ist die Störung vorübergehend, schließt der Schalter nach dem Verschwinden der Störung erfolgreich wieder, und die sichere Energieversorgung wird wiederhergestellt. Ist die Störung dauerhaft, misslingt das Wiederschließen, und die defekte Leitung wird schnell isoliert, um die ununterbrochene Energieversorgung der gesunden Leitungen sicherzustellen.

4. Überstromschutzgeräte
Überstromschutzgeräte werden basierend auf dem signifikanten Anstieg des Stroms während einer Leitungsstörung entwickelt. Wenn der Störungsstrom die Schutzvorgabe (Ausschaltstrom) erreicht, beginnt das Gerät mit der Operation. Sobald die Zeitverzögerungsvorgabe erreicht ist, schaltet der Leitungsschaltkreis aus.

Gängige Arten sind:

• Instantaner Überstromschutz: Einfach, zuverlässig und schnell, schützt jedoch nur einen Teil (in der Regel 80–85%) der gleichen Leitung.

• Zeitverzögertes Überstromschutz: Funktioniert mit kurzer Zeitverzögerung, schützt die gesamte Länge der Leitung und koordiniert sich mit dem instantanen Schutz der nächsten Leitung.

• Überstromschutz: Eingestellt, um den maximalen Laststrom zu vermeiden. Es schützt die gesamte Länge der Leitung und die gesamte Länge der nächsten Leitung und dient als Sicherungsschutz.

• Richtungsabhängiger Überstromschutz: Fügt ein Leistungsrichtungselement zum Überstromschutz hinzu. Es arbeitet nur, wenn die Fehlerleistung vom Bus zur Leitung fließt, um Fehlfunktionen bei Störungen in entgegengesetzter Richtung zu verhindern.

5. Distanzschutzgeräte
Distanzschutz reagiert auf den Impedanzwert (oder die Entfernung) zwischen dem Störpunkt und dem Schutzinstallationspunkt. Er hat ausgezeichnete Richtungseigenschaften und wird weit verbreitet in Hochspannungsringnetzen eingesetzt. Ein dreistufiger Distanzschutz wird häufig verwendet:

• Zone I: Instantane Funktion, schützt 80%–85% der Leitungslänge.

• Zone II: Schützt die gesamte Leitungslänge und erstreckt sich in einen Teil der nächsten Leitung (in der Regel Zone I der benachbarten Leitung).

• Zone III: Schützt die gesamte Länge dieser Leitung und der nächsten Leitung und dient als Sicherung für Zonen I und II.

6. Nullfolgenstromschutzgeräte
In direkt geerdeten Neutralpunktsystemen (auch bekannt als Hoch-Erdschlussstromsysteme) produziert ein Einsphasenerdschluss einen signifikanten Nullfolgenstrom. Schutzgeräte, die diesen Strom nutzen, werden Nullfolgenstromschutzgeräte genannt. Eine dreistufige Konfiguration wird häufig verwendet:

• Stufe I: Instantaner Nullfolgenstromschutz, der 70%–80% der Leitungslänge abdeckt.

• Stufe II: Zeitverzögerter Nullfolgenstromschutz, der die gesamte Leitungslänge und einen Teil der nächsten Leitung abdeckt.

• Stufe III: Nullfolgenüberstromschutz, der die gesamte Leitung abdeckt und als Sicherung für die nächste Leitung dient.

7. Hochfrequenzschutzgeräte
Hochfrequenzschutz konvertiert den Phasenwinkel (oder die Leistungsrichtung) der Ströme an beiden Enden einer Leitung in Hochfrequenzsignale, die über einen Hochfrequenzkanal an das gegenüberliegende Ende übertragen werden. Das System vergleicht den Stromphasenwinkel oder die Leistungsrichtung an beiden Enden.

Dieser Schutz reagiert nur auf Störungen innerhalb des geschützten Leitungsbereichs und erfordert keine Koordination mit den nachgeschalteten Leitungen. Er arbeitet ohne Zeitverzögerung, was eine schnelle Beseitigung von Störungen entlang der geschützten Leitung ermöglicht.

Basierend auf den Arbeitsprinzipien wird der Hochfrequenzschutz in folgende Kategorien unterteilt:

• Blockierender Typ (Richtungsvergleich): Vergleicht die Leistungsrichtung an beiden Enden.

• Phasenvergleichstyp: Vergleicht die Stromphasenwinkel an beiden Enden.

8. Automatische Wiederanschlussgeräte
Ein automatisches Wiederanschlussgerät ist ein Gerät, das den Schaltkreis automatisch wieder schließt, nachdem er ausgetriggert wurde.

Funktion:

• Bei vorübergehenden Störungen schließt das Gerät, nachdem die Störung verschwunden ist, den Schalter schnell wieder, um die normale Energieversorgung wiederherzustellen.

• Bei dauerhaften Störungen misslingt der Wiederanschluss, der Schalter triggert erneut, und die defekte Leitung wird isoliert, um die fortlaufende Energieversorgung der gesunden Leitungen sicherzustellen.

9. Leitungsfehlerrekorder
Ein Gerät, das die Wellenformen von Strom und Spannung vor und während eines Leitungsfehlers automatisch aufzeichnet, zusammen mit der Zeitangabe und dem Status des Schaltkreises.

Durch die Analyse der aufgezeichneten Wellenformen kann der Störungstyp genau bestimmt und die ungefähre Störungsposition berechnet werden. Dies bietet kritische Daten für die Störungsanalyse, die Fehlerbehebung und die Wiederherstellung der normalen Energieversorgung.