Anwendung der Fehlersuchtechnologie für 15kV-Außenluft-Vakuumschaltanlagen mit automatischem Wiederschließen

Laut Statistiken sind die meisten Störungen an Freileitungen vorübergehend, während dauerhafte Störungen weniger als 10% ausmachen. Derzeit werden in Mittelspannungsnetzen (MS) häufig 15 kV Außenluftvakuumschaltanlagen mit automatischen Wiederzuschaltern in Kombination mit Abschnittsschaltern eingesetzt. Dieses Setup ermöglicht eine schnelle Wiederherstellung der Stromversorgung nach vorübergehenden Störungen und isoliert defekte Leitungsteile bei dauerhaften Störungen. Daher ist es entscheidend, den Betriebsstatus der automatischen Wiederzuschalter-Controller zu überwachen, um deren Zuverlässigkeit zu erhöhen.

1. Übersicht über technologische Forschungen (in- und ausländisch)

1.1 Klassifizierung von automatischen Wiederzuschaltern
Automatische Wiederzuschalter fallen in zwei Hauptkategorien: stromgesteuert und spannungsgesteuert. Stromgesteuerte Wiederzuschalter erkennen Fehlerströme, schalten entsprechend ab und schließen automatisch wieder—typischerweise wird ein bis drei Wiederzuschaltversuche durchgeführt. Sie fungieren sowohl als Schutzgeräte als auch als Wiederzuschalter. Die Fehlersuche erfolgt, indem sukzessive Abschnitte ausgehend vom am weitesten entfernten Segment eliminiert werden, bis der fehlerhafte Abschnitt identifiziert ist. Allerdings setzt diese Methode das Netz mehrfach dem Fehlerstrom aus, was erheblichen Stress verursacht. Je mehr Leitungabschnitte vorhanden sind, desto mehr Wiederzuschaltversuche sind erforderlich und desto länger dauert die gesamte Wiederherstellungszeit. Daher sind solche Systeme in der Regel auf maximal drei Abschnitte begrenzt und eignen sich am besten für Verzweigungen oder Strangspeisungen.

Spannungsgesteuerte Wiederzuschalter hingegen schalten ab, wenn die Spannung fällt, und schließen nach einer vorgegebenen Verzögerung wieder, sobald die Spannung wiederhergestellt ist. In diesem Schema muss der Umspannwerks-Ausgangsschalter zwei Wiederzuschaltversuche durchführen, um die Fehlersuche und -behebung abzuschließen: Beim ersten Wiederzuschaltversuch wird der fehlerhafte Abschnitt basierend auf der Anzahl der geschlossenen Abschnittsschalter identifiziert, danach werden die Schalter in der Nähe des Fehlers gesperrt, um ihn zu isolieren; beim zweiten Wiederzuschaltversuch wird die Energieversorgung der nichtfehlerhaften Abschnitte wiederhergestellt. Da der Überstromkurzzeitschutz auf den Umspannwerks-Ausgangsschalter angewiesen ist, ist dieser Ansatz weniger geeignet für lange Speisungen. Mit zunehmender Systemkapazität hat sich jedoch diese Einschränkung allmählich verringert. Spannungsgesteuerte Wiederzuschalter sind daher für kurze Strang- oder Ringnetze geeignet und ermöglichen grundlegende Automatisierungsfunktionen.

1.2 Probleme mit herkömmlichen Prüfverfahren
Aufgrund von Herstellungstoleranzen und mechanischen Verschleiß durch langjährige Betrieb können automatische Wiederzuschalter Ausfälle oder Fehlfunktionen erleiden. Aktuelle Prüfverfahren beruhen hauptsächlich auf manuellen Prüfgeräten, was hohe Investitionskosten mit sich bringt.

1.3 Aktueller Forschungsstand und Entwicklungsrichtungen (in- und ausländisch)
Für 15 kV MS-Außenluftvakuumschaltanlagen mit automatischen Wiederzuschaltern setzen chinesische Praktiken hauptsächlich auf offline, periodische Wartungsansätze, einschließlich Isolationswiderstandsprüfungen, Prüfungen des Isolationswiderstands der Steuerungsschaltkreise und Wechselspannungs-Widerstandsprüfungen. Diese herkömmlichen Methoden haben mehrere Nachteile: Die Prüfausrüstung ist groß und schwer transportabel; die Prüfung erfordert oft Arbeiten in luftiger Höhe, was Sicherheitsrisiken birgt; und der Prozess verbraucht erhebliche Arbeitskräfte und Ressourcen. Integrierte, umfassende Diagnosesysteme sind in der tatsächlichen Feldarbeit selten implementiert.

Bedeutende Fortschritte wurden in der Controller-Diagnose für 15 kV MS-Außenluftvakuumschaltanlagen mit automatischen Wiederzuschaltern erzielt. Moderne automatische Analysatoren werden nun weit verbreitet eingesetzt. Diese Geräte verbinden sich über einfache, standardisierte Schnittstellen—unterstützen „Plug-and-Play“-Kompatibilität für Wiederzuschalter verschiedener Hersteller. Indem kontrollierte Stromsignale in den Wiederzuschalter-Controller eingespeist werden, misst der Analyzer wichtige Reaktionen wie Zeit-Strom-Kennlinien (TCC) und Steuersequenzen. Er bietet präzise Kontrolle über Wellenform, Timing und Amplitude der eingespeisten Ströme und erfasst die Reaktion des Controllers genau—mit einer Zeitauflösung im Mikrosekundenbereich. Das System kann einen vollständigen Testzyklus komplett automatisiert durchführen und Textergebnisse sofort anzeigen, einschließlich Ausschaltbefehle, Wiederzuschaltaktionen, Rücksetzen, Sperrereignisse und zugehörige Zeitstempelprotokolle.

Die aktuelle Forschung zur intelligenten Fehlersuche konzentriert sich auf drei Hauptrichtungen:

• Integrierte intelligente Fehlersuchetechnologien;

• Netzwerkintegrierte intelligente Diagnosesysteme;

•  Adaptive intelligente Diagnosearchitekturen.

2. Fehlersuchetechnologie für 15 kV MS-Außenluftvakuumschaltanlagen mit automatischen Wiederzuschaltern

Das Fehlersuchesystem für 15 kV MS-Außenluftvakuumschaltanlagen mit automatischen Wiederzuschaltern ist speziell entwickelt, um die Leistung von Wiederzuschalter-Controllern in Mittelspannungs-Freileitungen zu bewerten. Nachdem die „Schaltanlageneinheit“ mit dem Wiederzuschalter-Controller verbunden ist, verwendet das System Software, um verschiedene simulierte Fehlerströme in den Controller einzuspeisen und entsprechende Öffnen/Schließen-Operationen gemäß der Logik des Controllers auszulösen. Das System erfasst die Reaktion des Controllers auf diese simulierten Stromänderungen und analysiert mithilfe von Software, ob der Controller korrekt Fehlerbedingungen erkennt und entsprechend den Spezifikationen angemessene Steueraktionen ausführt.

Dieses Diagnosesystem unterstützt eine breite Palette von Fehlerszenarioprüfungen und ermöglicht die vollautomatische Erkennung von Controllerfehlern. Es verbindet sich über universelle oder angepasste Schnittstellen mit verschiedenen Wiederzuschaltermodellen, und alle Steuer- und Prüffunktionen werden über spezialisierte Analysesoftware ausgeführt. Die wichtigsten Merkmale des Systems sind:

• Hochpräziser Stromquelle: Das System verwendet eine hochgenaue, hochauflösende und zuverlässige Stromquelle, um realistische Simulationen von Fehlerströmen sicherzustellen. Die Softwaresteuerung ermöglicht eine umfassende Anpassung der Stromparameter, einschließlich Wellenform, Amplitude, Anstiegszeit, Dauer und Abfallzeit, und bietet eine Echtzeitvisualisierung der Stromwellenformen und -stärken für verbesserte analytische Fähigkeiten.

• Universelles Schnittstellendesign: Eine standardisierte Schnittstelle ermöglicht echtes „Plug-and-Play“-Betreiben im Feld und fördert nahtloses Signal- und Datentransfer.

• Integrierte TCC-Kurven-Datenbank: Die Ampere-Sekunden-Charakteristik (d.h. Zeit-Strom-Charakteristik oder TCC-Kurve) definiert das inverse Verhältnis zwischen Auslösezeit und Fehlerstromstärke, einschließlich sowohl schneller als auch langsamer TCC-Kurven. Die Analyse-Software enthält mehrere standardmäßige TCC-Kurvenbibliotheken, wie Cooper, IEEE (US) und IEC-Normen, die eine bequeme Vergleichs- und Diagnosebewertung ermöglichen.

• Automatische Testdatenanalyse: Das System interpretiert automatisch die Rückmeldungen des Wiederzuschalters und zeigt sofort Analyseergebnisse an – einschließlich grafischer Darstellungen und Berichte –, die Details zu Auslösen, Wiederschaltvorgängen, Sperrungen und anderen Betriebsereignissen enthalten.

3. Fazit

Die Fehlersuchtechnologie für 15 kV mittelspannungsfreie Außenluft-Vakuums-Wiederzuschalter kann verschiedene Anomalien effektiv identifizieren, darunter:

• Fehler beim Sofortwiederschalten;

• Abweichungen von Standard-TCC-Kurven;

• Fehlfunktion der Überstromschutzvorrichtung;

• Unregelmäßigkeiten im Wiederschaltintervall;

• Fehler in den Schließsperrmechanismen.

Diese Technologie stellt einen wichtigen Wandel von traditioneller geplanter Wartung hin zu fortschrittlicher zustandsbasierter Wartung für Wiederzuschalter dar. Durch die Ermöglichung einer umfassenden Analyse und Diagnose der Steuerungseinheit wird die technische Leistungsfähigkeit der Zustandsüberwachung von Wiederzuschaltern erheblich verbessert und spielt eine entscheidende Rolle bei der Verhinderung von Verteilnetzausfällen und der Gewährleistung der Netzverlässlichkeit.