Distanzschutzrelais

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Das Distanzschutzrelais ist ein Schutz für elektrotechnische Betriebsmittel, wie zum Beispiel Generatoren und Transformatoren, sowie für Kabel oder Freileitungen in Netzen, in denen kleine Ausschaltzeiten gefordert sind.

Um in einem Netz optimale Selektivität bei gleichzeitig stabiler Versorgungssicherheit zu gewährleisten, ist die Ermittlung des Fehlerortes genauso wichtig wie die Ermittlung der Fehlerart. Mit welchen Mitteln der Fehlerort bestimmt werden kann, ist abhängig von der Art des Netzes. Im vermaschten Netz kann nur durch Impedanzvergleich mit Richtungsentscheid eine Fehlerortung erreicht werden. Dies erfolgt mit entfernungsabhängigen Impedanzrelais, allgemein als Distanzschutzrelais bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

1 Geschichte
2 Funktionsweise
- 2.1 Distanzmessung
- 2.2 Einsatzgrenzen des Distanzschutzes
3 Quellen

[Bearbeiten] Geschichte

Im Jahre 1923 wurden in Deutschland erstmalig Distanzschutzrelais eingesetzt. Die Vorteile dieses Relais machten sich im Zuge der ständigen Vergrößerung und der damit verbundenen Vermaschung der Netze sehr schnell bemerkbar.
Die ständige Weiterentwicklung der Distanzschutzrelais führte zu verschiedenen Auslösekennlinien. Relais mit stetiger Auslösekennline wurden durch Relais mit gebrochener Kennlinie abgelöst. Spätere Distanzschutzrelais hatten fast ausnahmslos in einer Richtung wirkende Stufenkennlinie. Der heutige digitale Schutz kann mit den jeweiligen Stufenkennlinien in jede Richtung variieren. Als Begriffsbestimmung für den Distanzschutz gilt:

Es ist ein widerstands- und energierichtungsabhängiger Zeitstaffelschutz, dessen Kommandozeit mit größer werdender Entfernung zwischen Relaiseinbauort und Fehlerstelle stufig ansteigt.

Der Vorteil des Distanzschutzrelais liegt im Wegfall der Verlegung von Steuer- und Messleitungen zur gegenüberliegenden Seite des zu schützenden Betriebsmittels. Das Relais bietet eine optimale Betriebssicherheit und stellt für Hochspannungsnetze die technisch beste Lösung dar.
Die Stufenkennlinien moderner Distanzschutzrelais unterscheidet man in:

Hauptschutz
Reserveschutz

Die erste Stufe der Kennlinie bildet den Hauptschutz, mit dem eine schnelle und selektive Abschaltung im Fehlerfall auf fast der gesamten Strecke der zu schützenden Leitung erreicht wird. Die weiteren Stufen bilden für alle hinter der zu schützenden Leitung liegenden Betriebsmittel den Reserveschutz.

[Bearbeiten] Funktionsweise

Welche Art der Anregung zum Einsatz kommt, ist abhängig vom Impedanzverhältnis am Einbauort des Relais. Das Impedanzverhältnis ist der Quotient der Quellenimpedanz am Einspeiseort und der Kurzschlussimpedanz am Fehlerort.

Art der Anregung	Impedanzverhalten	Kriterien	Einstellungen
Überstrom	$Z_{Q} \ll Z_{K}$	$I_{K} \gg I_{B}$	$I\ge2,0I_{n}$
Erdschluss		$U_{E}\gg0$	$I E = 0,8 I n$ $U E = 0,2 U n$
Unterspannung	$Z Q > Z K$	$U K < U B$	$I_{F}\ge0,7I_{n}$ $U_{F}\le0,6U_{n}$
Unterimpedanz	$Z Q < Z K$	$\phi_{K}\not=\phi_{L}$	$φ = φ L$ $Z > Z 3$

$Z Q$ Quellenimpedanz
$Z K$ Kurzschlussimpedanz
$Z Q / Z K$ Impedanzverhältnis

Aus der Tendenz des Impedanzverhälnisses kann die Art der Anregung entnommen werden. Die Überstromanregung ist grundsätzlich in einem Distanzschutzrelais angeordnet, während Unterspannungs- und Unterimpedanzanregung je nach Bauart zusätzlich verwendet werden. Die Erdschlussanregung findet nur Verwendung in Netzen mit nichtwirksamer Sternpunktbehandlung. Heutige Distanzschutzrelais verfügen über Anregeglieder für jeden Leiter einschließlich Neutralleiter. Beim Einsatz der Anregearten ist je nach Anlagenkonfiguration zu überlegen, wie viele und welche Anregearten zum Einsatz kommen. Bei zu vielen gleichzeitig aktivierten Anregearten kann es zum Fehlverhalten des Schutzes kommen.

[Bearbeiten] Distanzmessung

Die Entfernung zwischen Relaiseinbauort und Fehlerstelle muss vom Relais gemessen werden. Diese Distanz ist grundsätzlich abhängig vom Leiterquerschnitt, Art und Anordnung der Leiter im Netzsystem und von der Länge der Leitung. Aus diesen Faktoren ergibt sich die Leitungsimpedanz, die am Relais eingestellt wird. Tritt nun im Netz ein Fehler auf (z. B. Kurzschluss), kommt es zur Erhöhung der Leitungsimpedanz auf Grund des an der Fehlerstelle entstehenden Lichtbogenwiderstandes. Die nun vom Relais gemessene Impedanz nennt man Kurzschlussimpedanz und ist die geometrische Addition der Leitungsimpedanz und des Lichtbogenwiderstandes. Das Messglied im Relais vergleicht die Kurzschlußimpedanz (richtiger Schleifenimpedanz, weil jetzt die Kurzschlussschleife zu betrachten ist) mit der eingestellten Leitungsimpedanz. Durch die Auslösekennlinien des Relais können somit Zeitstaffelungen in mehreren Stufen in Abhängigkeit der Fehlerentfernung eingestellt werden. Bei auftretenden Fehlern, die im Schutzbereich des Distanzschutzelais liegen, z.B. beim dreipoligen Kurzschluss mit Erdberührung werden dem Relais über Stromwandler die Leiterströme und der Leiter-Erde (Unsymmetriestrom) zugeführt und von einer Auswahlschaltung erfaßt. Zeitgleich werden von der Auswahlschaltung über Spannungswandler die Leiter-Leiter Spannung und die Leiter-Erde Spannung erfaßt. Je nach Lage der Fehlerstelle und deren Richtung vergleicht nun das Relais die Kurzschlussimpedanz mit den nach der Stufenkennlinie eingestellten Werten. In Abhängigkeit der Fehlerart, der Entfernung des Fehlers vom Einbauort des Relais, der Übersetzungsverhältnisse der Strom- und Spannungswandler und der Richtung des Kurzschlussstromes wird das im Relais integrierte Zeitglied über Mess- und Richtungsglieder aktiviert. Nach Ablauf des Zeitgliedes in der jeweiligen voreingestellten Zeitstufe oder mit Erreichen einer festgelegten Endzeit kommt es zur Abschaltung des Leistungsschalters und der fehlerbehaftete Abzweig wird selektiv aus dem Netz herausgetrennt. Bei einem Relaistyp mit einer dreistufigen Kennlinie sind auch drei Stufenzeiten einstellbar. Weiterhin sind Einstellungen für die Endzeit und die Grenzzeit notwendig. Hierbei kann die Endzeit wahlweise richtungsabhängig oder richtungsunabhängig eingestellt werden. Die Grenzzeit ist immer richtungsunabhängig. Die Einstellbarkeit der Zeiten von 0 bis 10s hat sich in der Praxis als ausreichend erwiesen.

[Bearbeiten] Einsatzgrenzen des Distanzschutzes

Dem Einsatz des Distanzschutzes sind technisch bedingte Grenzen gesetzt. Diese sind abhängig von der Art des Relais (elektromechanisch, statisch oder digital), von der Art der Leitung und seiner Leitungsimpedanz und dem Übersetzungsverhältnis der Stromwandler. Die maximale Leitungslänge wird durch die maximal meßbare primäre Leitungsimpedanz bestimmt.

[Bearbeiten] Quellen

H. Koettnitz / G. Winkler / K. Weßnigk: Grundlagen elektrischer Betriebsvorgänge in Elektroenergiesystemen. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig

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Kategorien: Energietechnik | Schalter