Schutzkonzeption für Verteilungsnetze - Dezentrale

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Schutzkonzeption für Verteilungsnetze - Dezentrale Energieerzeugungsanlagen-

Anwendertagung 2013 „OMICRONcamp“

Dipl.‐Ing. Klaus HinzVDE Region Nordhinzk@t‐online.de

Dipl.‐Ing. Walter SchossigVDE Thüringen

info@walter‐schossig.de

Gliederung

Grundlagen

Einführung

Anforderungen an das Verhalten der Erzeugungsanlagen

Probleme der Inselnetzbildung

Schutzkonzeption für den Anschluss von Erzeugungsanlagen am Hoch- und Höchstspannungsnetz

Schutzkonzeption für den Anschluss von Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz

Fallbeispiele für

Planungs- und Inbetriebsetzungsfehler

Schutzeinstellungen

Ulm, 11. bis 13. Juni 2013 OMICRONcamp Hinz, K / Schossig, W 2

Grundlagen

EEG-Erzeugungsanlagen am Hoch- und HöchstspannungsnetzVDN-Leitfaden für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen auf Basis erneuerbarer Energien an das Hoch- und Höchstspannungsnetz in Ergänzung zu den NetzCodes, August 2004Entwurf liegt vor: VDE-AR-N 4120 Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz

Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am MittelspannungsnetzBDEW-Richtlinie für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, Ausgabe Juni 2008Angekündigt: VDE-AR-N 4110 Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz

Regelungen und Übergangsfristen für bestimmte Anforderungenin Ergänzung zur BDEW-Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz, Februar 2011 und Januar 2013

FNN-Leitfaden zum Einsatz von Schutzsystemen in elektrischen Netzen Ausgabe September 2009

OMICRONcamp Hinz, K / Schossig, W 3Ulm, 11. bis 13. Juni 2013

Adresse: http://www.vde.com/de/fnn/arbeitsgebiete/tab/seiten/ae-ms.aspx

Grundlagen


Einführung

Erzeugungsanlagen müssen sich aktiv an der Spannungs- und Frequenzhaltung beteiligen

o Lieferung von Blindleistung (TransmissionCode)

die in Folge eines Fehlers im Netz ausgefallene Einspeiseleistung muss für Anlagen am HS- und MS-Netz begrenzt werden

o eine schnelle Entkupplung der EZA bei Fehlern im Netz darf nicht mehr unselektiv erfolgen

o Erzeugungsanlagen müssen im Fehlerfall Blindstrom zur Spannungsstützung einspeisen

o Kurzschlussströme liefern

Geändertes Schutzkonzept für den Anschluss von Erzeugungsanlagen

OMICRONcamp Hinz, K / Schossig, W 5Ulm, 11. bis 13. Juni 2013

Einführung


[E8]


Um sich an der Spannungshaltung beteiligen zu können, müssen Erzeugungsanlagen technisch in der Lage sein:

sich bei Fehlern im Netz nicht vom Netz zu trennen, während eines Netzfehlers die Netzspannung durch Einspeisung

eines Blindstromes in das Netz zu stützen, nach Fehlerklärung dem Netz nicht mehr induktive Blindleistung zu

entnehmen als vor dem Fehler.

Anforderungen gelten für alle Arten von Kurzschlüssen (1-, 2- und 3-polige Kurzschlüsse).

Anlagen werden nach TransmissionCode unterschieden in:

Typ 1: Direktgekuppelte Synchrongeneratoren Typ 2: Alle anderen Erzeugungseinheiten (Asynchrongeneratoren,

über Wechselrichter gekuppelte Synchrongeneratoren, Photovoltaikanlagen)

7Ulm, 11. bis 13. Juni 2013 OMICRONcamp Hinz, K / Schossig, W


0150 1.500

100%

70%

Zeit in ms

Zeitpunkt eines Störungseintritts

700

unterer Wert desSpannungsbandes

3.000

15%

45%

Grenzkurve Spannungsverlauf

U/Uc

Grenzkurve für den Spannungsverlauf am Netzanschlusspunkt für eine Erzeugungsanlage vom Typ 1

Oberhalb der roten Linie dürfen sich die Anlagen nicht vom Netz trennen


Anforderungen an das Verhalten der EEG-Erzeugungsanlagen

100%

0150 1.500

70%

Zeit in ms

Zeitpunkt eines Störungseintritts

700

unterer Wert desSpannungsbandes

3.000

15%

45%

Grenzlinie 1 Grenzlinie 2

Unterhalb der blauen Kennlinie bestehen keine Anforderungen hinsichtlich des Verbleibens am Netz.

30%

Grenzkurven Spannungsverlauf

U/Uc

Grenzkurven für den Spannungsverlauf am Netzanschlusspunkt für eine Erzeugungsanlage vom Typ 2

Oberhalb Grenzlinie 1 darf keine Trennung vom Netz erfolgen

Oberhalb Grenzlinie 2 und unterhalb Grenzlinie 1 sollen EZA den Fehler durchfahren ohne sich vom Netz zu trennen.

Kurzzeitige Netztrennung ist erlaubt, wenn spätestens nach 2 s resynchronisiert werden kann.



Zulässiger Auslösebereich von Spannungsschutzeinrichtungen am Netzanschlusspunkt


Inselnetzbildung

Wenn sich die Erzeugungsanlagen bei Spannungseinbrüchen nicht mehr schnell vom Netz trennen sollen, muss mit Inselnetzbildungen gerechnet werden.

Inselnetzbildung kann z.B. durch eine Schutzauslösung oder eine AWE entstehen.

Erkennen von Fehlern im Netz des EVU und im Netz der EZA durch Unterspannung(Anlagen vom Typ 2 liefern nur Kurzschlussströme im Nennstrombereich)

Schutz unausgeglichener Wirkleistungsbilanz durch Frequenzsteigerungs- und -rückgangsrelais

Schutz vor unzulässiger Über- und Unterspannung durch Über- und Unterspannungsrelais

Damit werden Einrichtungen erforderlich zum:


Inselnetzbildung

Auslösung des Transformators führt zur Inselnetzbildung


Schutzkonzeption für den Anschluss von Erzeugungsanlagen am Hochspannungsnetz

Verhalten der Spannungsregler im Inselbetrieb

wenn geregelte MS-Spannung zu groß wird, erhöht Regler A Übersetzung des Transformators

Zusätzlicher Spannungsschutz

Spannung im HS-Netz steigt weiter an



Zusammenwirken der Schutzeinrichtungen



Zusammenwirken der Schutzeinrichtungen nach VDE AR N 4120 (noch Entwurf)


Nur noch eine Auslösestufe, keine Auslösung EZE


Windumspannwerk Einschleifung -Leitungsschutz-

In Netzen, die mit Vergleichsschutz-einrichtungen betrieben werden, müssen Windumspannwerke eingeschleift werden und in die Vergleichsschutzsysteme einbezogen werden.


F


Windumspannwerk Stichanschluss –Leitungsschutz-

G

SKC

SKAIKA+ IKC IKA

IKC

IKB A

C

BM

Relais A:

ZK = ZA‐M + ZM‐F (IKA + IKC) / IKARelais B:

ZK = ZB‐FRelais C:

ZK = ZC‐M + ZM‐F (IKA + IKC) /IKC

SKB



G

SKC

SKA

IKC IKA = 0

IKC

IKB

Relais A:

Ausgelöst

Relais B:

Ausgelöst

Relais C:

ZK = ZC-M + ZM-F

A

C

BM

Relais C verfügt über

SpannungsgesteuerteStromanregung

Windumspannwerk Stichanschluss –Leitungsschutz-

SKB



SKB

40MVA

500MVA

500MVA

G

SKC

SKAIKA+ IKC IKA=2,6kA

IKC =200A

IKB =2,6kAA

C

BM

Relais A:

ZK = ZA-M + ZM-F (IKA + IKC) / IKA

Relais C:

ZK = ZC-M + ZM-F (IKA + IKC) / IKC

ZK = ZA-M + ZM-F (2,6kA + 0,2kA) / 2,6kA

ZK = ZA-M + ZM-F*1,08

ZK = ZC-M + ZM-F (2,6kA + 0,2kA) / 0,2kA

ZK = ZC-M + ZM-F*14

Windumspannwerk Stichanschluss - Bewertung Messfehler Distanzschutz-


F


Stichanschluss mehrerer EZA- Schaltermitnahmeschaltung oder Vergleichsschutzeinrichtungen notwendig

SKA

A B

G

SKC

C

G

SKD

D

Z< Z<

1 1

SKB


Schutzkonzeption für Umspannwerke zum Anschluss von Erzeugungsanlagen ans HS-Netz

Beispiel für NOSPE-Netz:



Anschluss an UW- Sammelschiene





Distanzschutz mit U/I‐Anregung

Fehler 2: Auslösung des HS-LS bei Fehler in Richtung

Transformator (Reserveschutz)

Fehler 1: Auslösung des MS-LS für Einspeisung aus

EEG-Anlagen ; Keine Auslösung des HS-LS, da sonst

Netzkunden spannungslos bei erfolgreicher AWE

Anforderungen des Netzes

Ausfall der EZE hat keinen Einfluss auf Systemsicherheit schnelle Netztrennung für AWE nötig Kurzschlussstrom der EZE liegt im Nennstrombereich

(Anlagen Typ 2)

2

1



Ausfall der EZE hat keinen Einfluss auf Systemsicherheit schnelle Netztrennung für AWE nötig Kurzschlussstrom der EZE liegt im Nennstrombereich

(Anlagen Typ 2)

Anforderungen des Netzes

Distanzschutz mit U/I‐Anregung im MS‐Abgang zur EZAdurch Kennlinie in Vorwärtsrichtung:

Fehler 1: Hauptschutz für Anschlussanlage der EZA

4

13

2


durch Kennlinie in Rückwärtsrichtung:

Fehler 2: Hauptschutz bei SS-Fehlern

Fehler 3: Reserveschutz für Abzweigschutz

Fehler 4: Reserveschutz für Trafo- und 110-kV-Leitungsschutzschutz


Z< Z< Z<Z<

UW A UW B

G G

Netztransformator

Kundentransformatoren

Erzeugungseinheiten

110-kV-Leitung

Erzeugungsanlage

Umspannwerk C

MS

NS NS

Anforderungen des Netzes:• Schutz gegen Überspannungen• Spannungsqualität sicherstellen

Überspannungsschutzrelais

U>> -Schutz am Netzanschlusspunkt- Hauptschutz gegen Überspannungen- Reserveschutz für U>>-Schutz an den EZE

U> -Schutz am Netzanschlusspunkt- Überwachung Spannungsqualität- Reserveschutz für U>> -Schutz

U>> -Schutz an den EZE- Hauptschutz gegen Überspannungen



Z< Z< Z<Z<

UW A UW B

G G

Netztransformator


Erzeugungseinheiten

110-kV-Leitung

Erzeugungsanlage

Umspannwerk C

MS

NS NS

Anforderungen des Netzes:• Schutz gegen Unterspannung• Reserveauslösung, wenn Anregung für Distanzschutz

nicht gegeben ist

Die Spannung 0,45 x UNS an der Erzeugungsanlage entspricht ca. 0,3 x UC am Netzanschlusspunkt.

Unterspannungsschutzrelais U<< - Schutz an EZA - Hauptschutz stromschwache Fehler- Pausenzeit im HS-Netz höher einstellenU< - Schutz an EZA - Reserveschutz für Kurzschlussschutz

in der EZA- Reserveschutz für U<<- Schutz- Sicherstellung Netztrennung bei

Unterspannung Vermeidung längerer Inselnetzbildung

U< - Schutz am Netzanschlusspunkt - Reserveschutz für U< -Schutz an den EZE,

Sicherstellung Netztrennung - höhere Empfindlichkeit als der

Distanzschutz (nur U< -Kriterium)



Z< Z< Z<Z<

UW A UW B

G G

Netztransformator


Erzeugungseinheiten

110-kV-Leitung

Erzeugungsanlage

Umspannwerk C

MS

NS NS

Wirkleistungsreduktion bei ÜberfrequenzBild 1

PfNetz

Leistungsreduktion

Netzfrequenz

PM Momentane verfügbare Leistung

P

Hz50fHz50,2P20P Netz

M

Hz50

fHz50,2P20P NetzM

fNetz50,2 Hz

PP=40% PM pro Hz

Bei f Netz ≤ 47,5 Hz und fNetz ≥ 51,5 Hz Trennung vom Netz

bei 50,2 Hz ≤ fNetz ≤ 51,5 Hz

Im Bereich 47,5 Hz ≤ f Netz ≤ 50,2 Hz keine Einschränkung

fNetz

Anforderungen des Netzes- Schutz gegen Über- und Unterfrequenz

Frequenzschutzschutzrelaisf>-Schutz und f<-Schutz• Zur Einhaltung der zulässigen

Netzfrequenz • Inselnetzerkennung



Z< Z< Z<Z<

UW A UW B

G G

Netztransformator


Erzeugungseinheiten

110-kV-Leitung

Erzeugungsanlage

Umspannwerk C

MS

NS NS

Anforderungen- Überwachung des systemgerechten

Verhaltens im Nachfehlerfall

Blindleistungs-Unterspannungs-Schutz -Q-U-Schutz


Auslösebereich


Anschluss im MS-Netz - ohne Blindstromeinspeisung im Fehlerfall



Anschluss im MS-Netz - mit Blindstromeinspeisung im Fehlerfall


Überstromrichtungszeitschutz mit integrierter Netzentkupplung


[Scho-Ns]

REF310

Woodward

Digitaler Überstromrichtungszeitschutza) REF615, ABBb) P132C, Schneider Electric Energyc) DSRE6-1, Sprecher Automationd) MRA4, Woodwarde) 7SJ80, Siemens

[Scho-Ns]

Distanzschutzmit integrierter Netzentkupplung


[Scho-Ns]

Digitaler Distanzschutza) REF630, ABBb) P430C, Schneider Electric Energyc) DD6-1, Sprecher Automationd) 7SA84, Siemens

[Scho-Ns]

34

Fallbeispiele für‐ Planungs‐ und Inbetriebsetzungsfehler und‐ Schutzeinstellungen

Ansprechen f >-Schutzbei Inbetriebnahme PV-Anlage


170 V 300 V

PV i.B.

PV a.B.


Abgestimmter Kreis, an dem keine Anschlüsse vorgenommen werden dürfen

373737

Z< Q→ U<

Id

K

L

Tr 101

Z< Q→ U<

Id

K

L

Tr 102

110-kV-Ltg

So wurde die Anlage mit Herstellerbescheinigung und angeblicher Prüfung übergeben

SchutzkonzeptionBeispiel einer Anlage, wie sie nie ans Netz gehen dürfte

Ulm, 11.-13. Juni 2013 OMICRONcamp Hinz, K. / Schossig, W.

‐ = +?Auslesen der Leistung kann durch Vorzeichenumkehr zu Fehlern führen

Einsatz von Prüf-Steckern oder-Klemmenleisten


Wenn die Funktion der Schutzeinrichtung oder die Auslösung der Schaltgeräte eine Hilfsspannung erfordert, muss eine von der Netzspannung unabhängige Hilfsenergieversorgung (z.B. Batterie, Kondensator, Wandlerstrom) vorhanden sein. [E8]

Unzulässige Hilfsenergieversorgung bei einer 11-MW-PV-Anlage

Unzulässige Lösung

Standardlösungen für Schutz und Überwachung von DZE


Vorgabe eines PV-Anlagen-Errichters


SEZA = 3,12 MVA, IEZA = 172 A

Einstellvorschlag:I> = 300 A I>> = 860 AAuslösung: ↔ ungerichtet, t = 0 sAnzeige: → gerichtet PV‐Anlage

Vorgabe eines Zertifizierers


PV‐Anlage: 1994 kWpTrafo: 2 MVA

Einstellvorschlag:I> = 1,6 InomEZAI>> = 5 InomTrAuslösung: ↔ ungerichtet, t = 0 sAnzeige: → gerichtet PV‐Anlage

Kurzschlussschutz bei PV-Anlagen


EinstellvorschlagÜberstromzeitschutz in MS-PV-Anlagen:

I> = 1,6 InomEZA mit crossblocking leiterübergreifend, t = 0 sI>> = 5 InomTr ohne crossblocking, t = 0 s

Auslösung: ↔ ungerichtetAnzeige: → gerichtet vorwärts (Richtung EZA)


Staffelung zur selektiver Fehlererfassung angeschlossener Einspeiser im MS‐Netz

t

Einstellung Distanzrelais in SSt B, Abg. C:X1 = 0,85 XBC

X2 = 1,2 XBE

t1 = 0 s (bei kurzer Leitung 0,3 s)

t2 = 0,3 s

t3 = 0,6 s

BA ZI >0,3 sI >>0 s

WKA

I >0,3 sI >>0 s

WKA

C D E

SchutzkonzepteBeispiele für Schutzkonzepte

Einstellung Distanzrelais in SSt C, Abg. WKA:

I>>einstellen auf:

Anmerkung: bei langen Leitungen Vorimpedanz berücksichtigen

∗ 100%

Notwendiger Ersatz des Überstromzeitschutzes durch Richtungs- bzw. Distanzschutz für Typ 1 Anlagen


G‐T15 =J01

=J05

=J02

Distanzschutz als Anlagen- und Reserveschutz


0,85 RLast RLast 1,25 RLtg.+2

= 30°

ZLast= 11 , = 0 bis 27° Lastbereich

R/

X/

ZLtg.= 16,5 , Ltg.= 50°

1,1XLtg.

fAV Z l/km

1,6 InomTr

2 InomTr

Reichweite der I> - Anregung

1 8 16

1 6 12

1,8 4 8

1,8 2,5 5

1,8 16,5 33 *)

SK"=5 GVA110-kV-Netz

1200-600/1A 400-200/1A

95 mm² Al/St

UmomTr=110/21/21 kV

STr=31,5/20/20(40/25/25) MVA

UZ=8%

95 m

m² Al/S

t

*) bei IA = 320 A

G

≧

Anregung bei

Literaturverzeichnis


[E2] Leitfaden zum Einsatz von Schutzsystemen in elektrischen Netzen. VDE-FNN / VEÖ. Ausg. September 2009 und Anhang für die Schweiz. VSE/AES. Ausgabe: 17.11.2011. http://www.vde.de/de/infocenter/seiten/details.aspx?eslshopitemid=0a2decea-9c27-4541-aa57-6b75845f7602 und http://www.strom.ch/uploads/media/Leitfaden_Schutzsysteme_Anhang_CH_01.pdfhttp://www.vde.de/de/fnn/dokumente/documents/tab_mittelspannung_bdew2008-05-29.pdf

[E8] Technische Richtlinie Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. Richtlinie für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz. Ausgabe Juni 2008, bdew, http://www.vde.de/de/fnn/dokumente/documents/rl_ea-am-ms-netz_bdew2008-06.pdfErgänzungen http://www.vde.de/de/fnn/dokumente/documents/bdew_rl_ea-am-ms-netz_2008-06_ergaenzung_2009-01.pdf und www.vde.com/de/fnn/dokumente/documents/bdew-msrl_ergaenzung4_2013-01.pdf

[E32] Kretzschmar,G.; Krös,W.; Schossig,W.; Wolf,R.: Prüfstecksysteme für Schutzeinrichtungen. Technische Spezifikation, Ausgabe 03/2007. VDE Bezirksverein Dresden, AK Relais- und Schutztechnik, AG Hochspannungsschutz, AG Mittelspannungsschutz. http://www.vde.com/de/fg/ETG/Arbeitsgebiete/sua/Aktuelles/Oeffentlich/Seiten/Pruefstecksysteme.aspx

[E37] Hinz,K.; Schossig,W.: Schutzkonzepte für 110-kV-/MS-Anlagen der Verteilnetzbetreiber. „OMICRONcamp“ Anwendertagung, Teil 1, 2010, Teil 2, 2011 und Teil 3, 2012.http://www.omicron.at/de/support/customer/papers/awt2010/http://www.omicron.at/de/support/customer/papers/awt2011/#c19936http://www.omicron.at/de/support/customer/papers/awt2012


[G10] Einsatz des Blindleistungsrichtungsschutzes mit dem Multifunktionsschutz 7SJ (Q/U-Schutz). Applikation 7SJ zur Realisierung der bdew-Richtlinie. Siemens, Ausgabestand: 30.03.2010

[G11] Q-U-Schutz. MICOMPx3x. Applikationshilfe, AREVA, Ausgabe C, April 2010[P35] Schossig,T.; Albert,M,; Stenner,M.: Dezentrale Einspeisungen – Schutztechnik und Prüfkonzept. np

50(2011)9,14-18, www.omicron.at[P101] Schossig,T.: Dezentrale Einspeisungen – Aspekte der Schutz- und Prüftechnik. OMICRON

Anwendertagung 2012 www.omicron.at[P102] Albert,M.:Empfehlungen zur effizienten Prüfung des Q-U-Schutzes. OMICRON Anwendertagung 2012

www.omicron.at[P103] Baumeister,J.; Albwert,M.: Netzentkupplungsschutz – Mehr als Q-U-Schutz. . OMICRON

Anwendertagung 2012 www.omicron.at[P104] Albert,M.; Brennecke,M.; Kalverkamp,F.; Luxenburger,R.; Schossig,T.: Schutzgeräte an dezentralen

Einspeisungen. Aktuelle Aspekte der Prüftechnik und der technischen Richtlinien. np 51(2012)9,8-17[P105] Keil,T.: Netzschutz in stromrichtergespeisten Verteilungsnetzen. VDE-Kongress 2010, 08.-09.11.2010,

Leipzig[TC] TransmissionCode 2007 Netz- und Systemregeln der deutschen Übertragungsnetzbetreiber. Vers. 1.1,

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nung 2008. bdew, Ausgabe Juni 2008 [ENTSO‐LFC] https://www.entsoe.eu/major‐projects/network‐code‐development/load‐frequency‐control‐reserves/https://www.vde.com/de/fnn/dokumente/documents/bdew‐msrl_ergaenzung4_2013‐01.pdf

[Scho-Ns] Schossig,W.; Schossig,T.: Netzschutztechnik. EW Medien und Kongresse GmbH, Frankfurt a.M. / VDE Verlag, Berlin, 4. Auflage April 2013

[Wind E.ON] Windreport 2005. E.ON Netz, ENE 05/2005

Literaturverzeichnis (Fortsetzung)

Documents

Schutzkonzeption für Verteilungsnetze - Dezentrale