Automatische Abschaltungseinrichtung für Niederspannungssicherungen basierend auf Zeitrelais

Um eine sichere und stabile Netzoperation zu gewährleisten und Schäden an elektrischen Geräten durch Laststromspitzen bei der Wiederherstellung der Stromversorgung zu vermeiden, müssen alle an Verteilungstransformatoren angeschlossenen Lasten vor der Energiezufuhr getrennt werden.

Daher sind Niederspannungssicherungen mit einer Unterspannungsabwurffunktion ausgestattet: Wenn ein Transformator aufgrund von Wartungsarbeiten oder Leitungsschäden entlastet wird, führt die Spannungsunterbrechung am Niederspannungsbügel dazu, dass der Verzweigungsautomat automatisch ausfällt. Nach der Wiederenergieversorgung des Transformators, da Niederspannungssicherungen in der Regel keine automatische Wiederverschlussfunktion haben, muss der Automat manuell vor Ort geschlossen werden, um die Stromversorgung wiederherzustellen. Aufgrund der Lage des Automats, des Verkehrs und der Wetterbedingungen dauert diese manuelle Operation beträchtlich lange – im Durchschnitt 33 Minuten –, was zu lang anhaltenden Ausfällen und einem erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Stromversorgung führt.

Um dieses Problem zu lösen, wurde ein automatisches Wiederverschlussgerät für Niederspannungssicherungen basierend auf einem Zeitrelais entwickelt. Die Niederspannungsausgangsspannung des Transformators speist das Relaiskern. Nach der Energiezufuhr des Transformators wird das Zeitrelaiskern gespeist, und nach einer vorgegebenen Verzögerung schließt sein Gleitschalter kurzzeitig den Verschlusskreis, wodurch die Niederspannungssicherung automatisch wieder verschaltet. Die Zeitverzögerung vermeidet den Einschaltstrom des Transformators und stellt die Gerätesicherheit sicher. Durch geeignete Steuerlogik wird nach Überstromausfällen oder manuellem Trennen kein automatischer Wiederverschluss ermöglicht.

1. Anforderungen und Lösung

Gemäß den Vorschriften für Netzoperationen wurden spezifische Anforderungen für das automatische Übertragungsgerät mit Unterspannungsabwurf festgelegt:

• Wenn die Hochspannungsseite des Verteilungstransformators aufgrund von Wartungsarbeiten oder Fehlern entlastet wird, verliert der Transformator die Spannung und die Niederspannungssicherung fällt über den Unterspannungsabwurf aus. Nach der Wiederenergieversorgung des Transformators schließt der Automat nach einer vorgegebenen Verzögerung automatisch wieder.

• Bei einem Fehler hinter der Niederspannungssicherung fällt der Automat zuverlässig aus und darf nicht automatisch wieder verschaltet werden.

• Wenn die Niederspannungssicherung manuell geöffnet wird, darf sie nicht automatisch wieder verschaltet werden.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird eine zuverlässige Lösung vorgeschlagen, die ein Zeitrelais als Steuerkern verwendet und dessen Zeitverzögerungseigenschaften und Gleitschalter nutzt, um den automatischen Wiederverschluss zu erreichen. Das ausgewählte Zeitrelaismodell ist DS-28.

Das in dem Gerät verwendete DS-28-Zeitrelais besteht aus einem Elektromagneten, der einen Uhrwerk-Timing-Mechanismus antreibt. Der elektromagnetische Kern zieht seine Energie vom Niederspannungsausgang des Transformators, um ein ständig gespeistes Zeitrelais zu versorgen. Das Relais enthält eine Satz verzögerte Gleitschalter und einen Satz verzögerte Hauptkontakte (Endkontakte). Die interne Verdrahtung des Zeitrelais für das automatische Übertragungsgerät mit Unterspannungsabwurf ist in Abbildung 1 dargestellt. 

Um eine Überhitzung des Kerns durch eine längere Speisung zu verhindern, wurde ein thermischer Sicherheitswiderstand als externer Schutzwiderstand hinzugefügt. Im Design werden die Pole 1 und 13–3 als Auslösesignale an den Stromkreis angeschlossen, während die Pole 5 und 6, sowie 16–3 und 17, als verzögerte Gleitschalter und sofortiger normaler Kontakt dienen. Abbildung 2 zeigt die Verdrahtungsdiagramm des zeitrelaisbasierten automatischen Wiederverschlussgeräts für Niederspannungssicherungen.

2.Steuerstrategie des automatischen Übertragungsgeräts mit Unterspannungsabwurf

2.1 Transformator-Unterspannung

Wenn der Transformator Unterspannung erlebt, fällt die Niederspannungssicherung aus. Da der Niederspannungsbügel nicht gespeist wird, bleibt das Zeitrelais in seinem Anfangszustand, wobei die verzögerten Gleitschalter und verzögerten Hauptkontakte offen sind, während die sofortigen normalen Kontakte geschlossen sind.

Nach der Wiederherstellung der Leitungsspannung wird der Niederspannungsausgang des Transformators gespeist, was die Energieversorgung des Zeitrelais sicherstellt. In diesem Moment öffnen sich die sofortigen normalen Kontakte, was einen Spannungsteiler in den Kernkreis einbringt, sodass der Elektromagnet energisiert und einen langfristigen Ansatz aufrechterhält. Der Uhrwerkmotor beginnt zu arbeiten, und der verzögerte bewegliche Kontakt startet seine Bewegung in Richtung des geschlossenen Zustands.

Nach der vorgegebenen Verzögerung (in der Regel zwischen 10 bis 15 Sekunden über die Zeitjustierungskurbel auf der Zeitrelaisplatine eingestellt, um den Einschaltstrom des Transformators zu vermeiden), schließt der verzögerte Gleitschalter kurzzeitig und öffnet sich dann wieder. Diese Aktion simuliert das Drücken und Loslassen eines manuellen Verschlussknopfs, wodurch sichergestellt wird, dass der Verschlusskreis nicht kontinuierlich energisiert wird, was das manuelle Trennen verhindern oder den Automaten auf einen Fehlerpunkt verschließen könnte.

In der Regel haben Verteilungstransformatoren Kapazitäten bis zu 2000 kVA, und die Dauer des Einschaltstroms des Transformators beträgt etwa 6 bis 10 Sekunden. Um den Einfluss des Einschaltstroms des Transformators zu vermeiden, wird die Verzögerungszeit bei der Installation durch die Justierung der Zeitdrehkurbel auf der Zeitrelaisplatine auf 10 bis 15 Sekunden eingestellt. Das Verdrahtungsdiagramm für den Verschlusskreis ist in Abbildung 3 dargestellt.

Der Hauptkontakt (Endkontakt) schließt nach dem Gleitschalter und stoppt an der mechanischen Stoppvorrichtung. Solange der Niederspannungsausgang des Transformators gespeist bleibt, bleibt das Relais in diesem Zustand. Wenn der Niederspannungsausgang die Spannung verliert (d.h. der elektromagnetische Kern wird entladen), kehren alle Kontakte sofort in ihre ursprüngliche Position zurück.

2.2 Ausfall des Automats aufgrund eines Fehlers

Wenn ein Fehler in der nachgeschalteten Leitung oder im Gerät der Niederspannungssicherung auftritt, fällt der Automat aufgrund von Überstrom aus. Da der Niederspannungsausgang des Transformators weiterhin gespeist wird, bleiben die Relaiskontakte in ihrer aktuellen Position, wodurch sichergestellt wird, dass der Automat nicht automatisch wieder verschaltet.

2.3 Manueller Ausfall

Wenn die Niederspannungssicherung manuell geöffnet wird, bleibt der Niederspannungsausgang des Transformators weiterhin gespeist. Die Relaiskontakte bleiben unverändert, und der Verschlusskreis wird nicht durch das Zeitrelais beeinflusst, was verhindert, dass der Automat automatisch wieder verschaltet.

3. Funktionsprüfung des Geräts

Nach dem Zusammenbau des zeitrelaisbasierten automatischen Übertragungsgeräts mit Unterspannungsabwurf wurden umfassende Funktionsprüfungen durchgeführt. Nach erfolgreichen Prüfungen wurden standardisierte Installationsverfahren und Verdrahtungsdiagramme erstellt, begleitet von detaillierten Sicherheits- und technischen Maßnahmen. Das Gerät wurde in 10 Regionen installiert. Nach sechs Monaten Betrieb funktionierte das Gerät sowohl bei geplanten Wartungsabschaltungen als auch bei fehlerbedingten Ausfällen zuverlässig und korrekt. Die durchschnittliche Wiederherstellungszeit sank von 33 Minuten vor der Installation auf 10–15 Sekunden.

Feldtestergebnisse bestätigen, dass das zeitrelaisbasierte automatische Übertragungsgerät mit Unterspannungsabwurf für Niederspannungssicherungen allen Anforderungen entspricht.

4. Schlussfolgerung

Das vorgeschlagene automatische Übertragungsgerät mit Unterspannungsabwurf für Niederspannungssicherungen nutzt den verzögerten Gleitschalter des Zeitrelais, um eine Reihe von Problemen zu lösen, die durch die Installation von Unterspannungsabwurfs-Spulen verursacht werden. Es ermöglicht es Niederspannungssicherungen, nach Unterspannungsereignissen automatisch wieder zu verschalten. Das Gerät funktioniert zuverlässig bei normalen Stromausfällen und bleibt bei unnormalen Bedingungen inaktiv. Mit einem einfachen Prinzip, bequemer Verdrahtung und niedrigem Kosten hat sich das Gerät in Feldtests als sicher und zuverlässig zur Wiederherstellung der Stromversorgung nach Unterspannungs-Ausfällen erwiesen, indem es die Verschlusszeit des Automats von 33 Minuten auf 10–15 Sekunden reduziert. Dies verbessert erheblich die Effizienz der Netzbetreiber und die Zuverlässigkeit der Stromversorgung und zeigt einen hohen praktischen Wert in realen Anwendungen.