Speiseleitungs-Schutzlösung mit mikroprozessorbasierten Relais für moderne intelligente Verteilnetze

1. Einführung und Kernherausforderungen​
   Die zunehmende Integration verteilter Energiequellen (DERs) (wie Photovoltaik- und Windenergie) in Verteilnetze, gepaart mit steigenden Anforderungen der Nutzer an die Versorgungssicherheit und -sicherheit, stellt erhebliche Herausforderungen für traditionelle Speiserschutzkonzepte dar. Diese Lösung ist darauf ausgelegt, die folgenden drei Kernherausforderungen zu bewältigen:

• ​Bogenlichtgefahr:​​ Interne Kurzschlüsse in Geräten wie Schaltanlagen können hochdestruktive Bogenlichter auslösen, die die Sicherheit von Geräten und Personen bedrohen und eine extrem schnelle Reaktion des Schutzsystems erfordern.
• ​Hochimpedanzige Erdfehler:​​ Insbesondere Einphasen-Erdschlüsse, die in ländlichen Gebieten oder Regionen mit hoher Bodenwiderstandswertigkeit auftreten, sind durch einen geringen Fehlerstrom schwer zuverlässig mit traditionellen Nullfolgenüberstromschutzen zu erkennen, was das Risiko eines Fehlschlags des Schutzes erhöht.
• ​Auswirkungen der Integration verteilter Energiequellen (DERs):​​ Die Integration von DERs verändert die Stromflussrichtung und die Kurzschlussstromcharakteristiken in Verteilnetzen, was potenziell zu Fehlfunktionen des Schutzes (Fehlzustände) oder Fehlschläge führen kann und das Risiko unbeabsichtigter Inselbetriebsbedingungen einführt.

Diese Lösung, basierend auf fortschrittlichen mikroprozessorbasierten Schutzrelais und der Integration mehrerer innovativer Algorithmen, bietet umfassenden, schnellen und zuverlässigen Speiserschutz für moderne Verteilnetze.

​2. Lösungsdetails​
Unser Speiserschutzrelais verwendet ein modulares Design und integriert die folgenden Kernschutzfunktionen, um die genannten Herausforderungen zu bewältigen.

​2.1 Mehrband-Bogenlichtschutz (AFP)-Modul​

• ​Technisches Prinzip:​​ Verwendet eine proprietäre Mehrband-Detektionstechnologie, die gleichzeitig die Lichtintensität (mittels dedizierter Bogenlichtsensorik) und die Änderungsrate des Stroms (di/dt) überwacht. Ein Fehler wird erst dann als Bogenlicht bestätigt, wenn beide Bedingungen – "intensives Bogenlichtsignal" UND "hochgeschwindiges Überstrommerkmal (>10 kA/ms)" – erfüllt sind (logische UND-Operation). Dieses Doppelkriterium verhindert effektiv Fehlfunktionen durch externe Lichtquellen oder Schaltüberströme.
• ​Leistungsvorteile:​​ Zeichnet sich durch extrem schnelle Reaktionszeiten aus, die darauf ausgelegt sind, die Bogenlichtenergie zu minimieren.
• ​Anwendungsfall:​​ Nach der Installation im mittelspannungsbasierten Verteilsystem eines großen Datenzentrums erreichte dieses Modul eine Gesamtfehlerbehebzeit von weniger als 4 Millisekunden, was eine Geschwindigkeitssteigerung von über dreimal im Vergleich zu traditionellen nur-strombasierten Schutzkonzepten darstellt und das Risiko von Geräteschäden erheblich reduziert.

​2.2 Hochsensibler Niedrigstrom-Erdschluss-Schutzmodul​

• ​Technisches Prinzip:​​ Verwendet die Nullfolgenadmittanzmethode. Diese Methode beinhaltet die Echtzeit-Messung des Systems Nullfolgenspannung (3U₀) und Nullfolgenstrom (3I₀), um den entsprechenden Admittanzwert zu berechnen. Dieser Algorithmus ist relativ unempfindlich gegenüber Variationen des kapazitiven Erdschlussstroms des Systems, unterscheidet effektiv zwischen normalen kapazitiven Strömen und fehlerinduzierten Widerstandsströmen und identifiziert somit hochimpedanzige Erdschlüsse mit Widerstands-Werten bis zu 1 kΩ oder höher präzise.
• ​Leistungsvorteile:​​ Löst das Problem der mangelnden Empfindlichkeit traditioneller Schutzkonzepte bei Fehlern durch hohe Übergangswiderstände, reduziert erheblich das Risiko von elektrischen Schlägen und Bränden.
• ​Anwendungsfall:​​ In einem Pilotprojekt innerhalb eines ländlichen Netzes (gekennzeichnet durch hohen kapazitiven Erdschlussstrom und ungleichmäßige Leitungsisolationsniveaus) führte die Anwendung dieser Technologie die Gesamterkennungsrate von Erdschlüssen von 65% mit traditionellen Konzepten auf 92% an, was die Versorgungssicherheit erheblich verbesserte.

​2.3 Adaptiver Anti-Inselbildungsschutzmodul​

• ​Technisches Prinzip:​​ Um das Inselrisiko, das durch die Integration von DERs eingeführt wird, zu bewältigen, kombiniert dieses Modul passive und aktive Detektionsmethoden.
• ​Passive Überwachung:​​ Überwacht kontinuierlich abnorme Parameter am Punkt gemeinsamer Kopplung (PCC), wie Spannungsfrequenzabweichung (Δf > 0,5 Hz) und Phasenwinkelsprung (Δφ > 10°).
• ​Aktive Bestimmung:​​ Wenn passive Überwachungsindikatoren über festgelegte Grenzwerte hinausgehen, werden aktive Methoden wie Aktive Frequenzverschiebung eingesetzt, um eine Inselbedingung schnell zu bestätigen.
• ​Leistungsvorteile:​​ Stellt sicher, dass DERs innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums (< 200 ms, im Einklang mit den Netzcodeanforderungen) nach dem Auftreten einer Inselbildung schnell getrennt werden, um Gefahren für Netzausrüstung und Wartungspersonal durch unbeabsichtigten Inselbetrieb zu vermeiden.
• ​Anwendungsfall:​​ Validiert in einem Mikrogrid-Projekt mit mehreren PV-Anlagen, erreichte dieses Anti-Inselbildungsmodul eine Genauigkeitsrate von 99,7%. Es verhindert effektiv Inselbildungen und minimiert gleichzeitig unnötige Ausfälle durch normale Netzstörungen, was die Nutzung von verteilten Energiequellen verbessert.

​3. Zusammenfassung der Kernwerte​
Diese mikroprozessorbasierte Schutzlösung, die durch die Integration mehrerer intelligenter Algorithmen, erreicht:

• ​Erhöhte Sicherheit:​​ Maximiert den Schutz von Personen und Ausrüstung durch millisekundengenauen Bogenlichtschutz und ultrahochsensiblen Erdschluss-Schutz.
• ​Hohe Zuverlässigkeit:​​ Bewältigt effektiv die Komplexitäten, die durch die Integration von DERs eingeführt werden, indem sie Inselbedingungen und hochimpedanzige Fehler präzise identifiziert und Schutz-„Blindstellen“ eliminiert.
• ​Schnelle Wiederherstellung:​​ Ermöglicht eine schnelle Fehlerbehebung, fördert eine schnelle Selbstheilung des Netzes, reduziert die Ausfallzeiten und verbessert die Versorgungssicherheit.