Leitungsschutzrelais Mikrocomputerbasierte Leitungsschutzlösung

1. Zusammenfassung und Hintergrund​
   Mit der zunehmenden Komplexität von Stromnetzstrukturen - insbesondere der Entwicklung von UHVDC-Übertragung, der großflächigen Integration erneuerbarer Energien und mehreren parallelen Übertragungsleitungen - haben die Anforderungen an den Schutz von Übertragungsleitungen ein beispielloseres Niveau erreicht. Die zentrale Herausforderung besteht darin, zwei kritische Anforderungen auszugleichen: das extrem schnelle Reagieren von Schutzeinrichtungen bei Störungen, um die Systemstabilität aufrechtzuerhalten, und gleichzeitig eine starke Selektivität, um unnötiges Auslösen und Störaufschaukelung zu vermeiden. Dieser Widerspruch tritt besonders in komplexen Netzkonfigurationen wie parallelen Doppelkreislinien auf, wo traditionelle einseitige Schutzprinzipien erhebliche Grenzen aufweisen.

Diese Lösung nutzt fortschrittliche Mikrocomputerschutztechnologie, indem drei Kernmodule integriert werden: Frequenzänderungsabstandsschutz, zweiseitige Laufzeitortung und adaptive Wiedereinschaltstrategien. Ziel ist es, die Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und Intelligenz des Leitungsschutzes umfassend zu verbessern und damit einen wesentlichen Beitrag zum Aufbau eines robusten und intelligenten Netzes zu leisten.

​2. Analyse der Kernherausforderungen​

• ​Konflikt zwischen Geschwindigkeit und Selektivität: Traditionelle Schutzschemata erfordern oft verzögerte Aktionen, um Selektivität sicherzustellen, was im Widerspruch zur Notwendigkeit einer schnellen Störungsbehebung zur Aufrechterhaltung der Systemstabilität steht.
• ​Genaue Fehlerortung in parallelen Doppelkreislinien: Die gegenseitige Induktion zwischen Doppelkreislinien kompliziert die Störungskennzeichen, verringert die Genauigkeit traditioneller Fehlerortungsmethoden erheblich und behindert die Fehleridentifikation und die Wiederherstellung der Energieversorgung.
• ​Unsicherheit durch die Integration erneuerbarer Energien: Die Integration von Wind- und Solarkraftwerken ändert die Kurzschlussstrompegel und -kennzeichen, was potenziell zu Fehlfunktionen oder Ausfällen des Schutzes führen kann. Darüber hinaus stellen ihre Fluktuationen die Erfolgsrate adaptiver Wiedereinschaltstrategien heraus.

​3. Kerntechnologien der Lösung​

​3.1 Frequenzänderungsabstandsschutz (ΔZ-Schutz)​​

• ​Technisches Prinzip: Diese Technologie wird während des normalen Betriebs des Systems nicht durch Lastströme beeinflusst. Sie berechnet die Fehlerimpedanz nur mit den Frequenzänderungen von Spannung und Strom, die beim Auftreten einer Störung erzeugt werden. Mit hohen Startschwellen ist sie grundsätzlich gerichtet, hochselektiv und unempfindlich gegenüber Systemoszillationen und Übergangsresistiven.
• ​Leistungsvorteile:
• Ultra-hohe Geschwindigkeit: Extrem schnelle Reaktion, typischerweise mit Reaktionszeiten von weniger als 10 ms.
• Hochgradige Zuverlässigkeit: Vermeidet effektiv Fehlfunktionen aufgrund von Laststrombeeinflussungen.
• ​Anwendungsfall: In einer ±800kV UHVDC-Übertragungsleitung reduzierte diese Technologie die gesamte Störungsbehebungszeit (Schutzauslösung + Auslösen des Schalters) für nahe Enden auf weniger als 80 ms, was die transiente Stabilität des UHVDC-Systems erheblich verbesserte.

​3.2 Zweiseitige Laufzeitortung​

• ​Technisches Prinzip: Eine Störung erzeugt Laufzeitschwingungen, die sich in Richtung beider Enden der Leitung ausbreiten. Mit hochgenauen GPS/BDS-synchronisierten Uhren erfassen die Schutzeinrichtungen an beiden Enden präzise die Ankunftszeiten der anfänglichen Stromlaufzeitschwingungen (t1 und t2). Der Fehlerort wird genau mit der Formel L = (v * Δt) / 2 berechnet, wobei v die Wellengeschwindigkeit und Δt = |t1 - t2| ist.
• ​Leistungsvorteile:
• Ultra-hohe Genauigkeit: Die Fehlerortung wird weitgehend nicht durch gegenseitige Induktion der Leitung, den Betriebsmodus des Systems, Übergangsresistive oder Sättigung von Transformatoren beeinflusst.
• Parameterunabhängig: Basiert nicht auf Leitungsimpedanzparametern, was Fehler durch ungenaue Parameter in traditionellen impedanzbasierten Methoden eliminiert.
• ​Anwendungsfall: Bei einer 500kV-Doppelkreisleitung auf demselben Mast wurde der Fehlerortungsfehler auf weniger als 200 Meter reduziert, was eine Genauigkeitsverbesserung von über 80% im Vergleich zu traditionellen einseitigen impedanzbasierten Methoden darstellt. Dies erleichtert erheblich die schnelle Fehleridentifikation und Wartung.

​3.3 Adaptive Wiedereinschaltstrategie​

• ​Technisches Prinzip: Die mikrocomputerbasierte Schutzeinrichtung unterscheidet intelligente Fehlerarten (transient oder permanent):
1. ​Transiente Fehler: Nach dem Auslösen stellt sich die dielektrische Festigkeit der Leitung selbst wieder her. Die Einrichtung erkennt die Isolierwiederherstellung und gibt umgehend einen Wiedereinschaltbefehl.
2. ​Permanente Fehler: Die Einrichtung erkennt den anhaltenden Fehler und blockiert die Wiedereinschaltung, um sekundäre Schalterauslösungen zu verhindern und die Gerätesicherheit zu gewährleisten.
   Darüber hinaus passt die Strategie die Totzeit der Wiedereinschaltung dynamisch an die aktuellen Systembedingungen (z. B. Anteil der Erzeugung aus erneuerbaren Energien) an, um den Systemwiederherstellungscharakteristiken gerecht zu werden.
• ​Leistungsvorteile:

• Erhöhte Erfolgsrate: Vermeidet Wiedereinschaltungen bei permanenten Fehlern, was die Erfolgsrate der Wiedereinschaltung und die Versorgungssicherheit erheblich verbessert.
• Verringerte Auswirkungen: Verhindert unnötige sekundäre Belastungen des Systems und schützt die Geräte.

• ​Anwendungsfall: Bei einer wichtigen Ausgangsleitung eines Windparks stieg die Erfolgsrate der Wiedereinschaltung von 72% auf 93%, was die Abtrennungen von Windturbinen aufgrund transienter Leitungsfehler effektiv reduzierte.

​4. Zusammenfassung des Lösungswerts​
Diese integrierte mikrocomputerbasierte Schutzlösung bietet Kunden durch die synergistische Anwendung ihrer drei Schlüsseltechnologien einen zentralen Mehrwert:

1. ​Verbesserte Systemstabilität: Ultra-hohe Geschwindigkeit des Schutzes isoliert Störungen schnell und sichert kritische Zeit, um die Netzstabilität aufrechtzuerhalten.
2. ​Verbesserte Versorgungssicherheit: Intelligente adaptive Wiedereinschaltung maximiert die Wiederherstellung der Energieversorgung, reduziert die Ausfallzeit und -verluste.
3. ​Erhöhte Betriebswirtschaftlichkeit: Hochgenaue Fehlerortung transformiert die Wartung von "Leitungsstreifenkontrolle" in "Punktprüfung", was die Kosten und Zeitaufwand erheblich reduziert.
4. ​Anpassungsfähigkeit an neue Energiesysteme: Die hervorragende Leistung macht sie besonders geeignet für komplexe moderne Netzszenerien, einschließlich UHVDC, Integration erneuerbarer Energien und Mehrkreislinien.