Nov 14, 2019
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Distanzschutz

NSE Powersave - Viel Funktion auf kleinem Raum

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ERZlich Willkommen liebe Freunde der Schutz- und Leittechnik. Ihr lest einen Gastbeitrag von Stefan Kämpfer (Phoenix Contact Deutschland GmbH).

NSE Powersafe - Viel Funktion auf kleinem Raum

Im Schaltschrank oder -kasten ist der Platz meist begrenzt. Deshalb hat die NSE AG als Tochtergesellschaft von Phoenix Contact vielfältige Funktionen in einem kompakten Gehäuse vereint. Mit Powersave steht jetzt das erste gerichtete wandlerstromversorgte Schutzgerät mit Distanzschutz zur Verfügung.

Wandlerstromgespeister Schutz ist fast so alt wie die Schutztechnik selbst. Nach der Erfindung des Stromwandlers im Jahre 1898, der die Nutzung von Sekundärrelais ermöglichte, wurden deren Funktion sowie die Betätigung des Hilfsauslösers (Aus-Spule des Leistungsschalters) durch eine Hilfsenergie sichergestellt [1]. Jedoch kam schon 1908 mit dem sogenannten Cleveland-Schutz eine Wandlerstromauslösung für den selektiven Kurzschlussschutz auf den Markt, der den Wandlerstrom direkt auf die Auslösespule gab [1]. Seitdem sind Ausprägungen dieser Technologie stetig weiterentwickelt und eingesetzt worden. Die Anwendungen erstrecken sich dabei von einfachen UMZ-Relais (unabhängiger Maximalstromzeitschutz) bis zur Realisierung komplexerer Schutzfunktionen.

Die Verwendung von wandlerstromgespeisten Schutzgeräten hat nicht zuletzt wegen der wachsenden Komplexität moderner Energienetze nichts von ihrer Aktualität eingebüßt. Die Geräte werden immer dann genutzt, wenn keine Hilfsspannung vorhanden ist oder eine Unabhängigkeit von dieser gewünscht respektive gefordert wird. Weit verbreitet sind einfache Geräte ohne Spannungsmessfunktion, die einen ungerichteten Überstromzeitschutz bereitstellen. Über eine Zeitstaffelung in der Sekundärverteilung lassen sich so auf der Mittelspannungsebene Selektivitätskonzepte mit wenig Aufwand umsetzen und beispielsweise lange Mittelspannungsabgänge effizient schützen. In den betreffenden Schaltstationen wird die Energie sowohl für den Betrieb des Schutzrelais als auch zur Auslösung des Leistungsschalters über die Auslösespule (Wandlerstromauslöser) aus den Stromwandlern bezogen.

Wirtschaftlichere Lösung mit geringerem Installationsaufwand

Insbesondere bei höheren Schutzfunktionen – wie dem gerichteten Überstromzeitschutz und Distanzschutz – kommen oft modulare Konzepte zum Einsatz. Diese verwenden Zusatzgeräte, um die Wandlerstromspeisung zu realisieren. Zum Beispiel beliefert ein Stromversorgungsmodul das Schutzgerät mit Energie, die aus den Spannungs- ebenso wie den Stromwandlern stammt. Die Energie zur Betätigung der Auslösespule kann entweder aus einem externen Kondensator oder den Stromwandlern zur Verfügung gestellt werden. Zu diesem Zweck wird ein Anpasswandler genutzt. Des Weiteren setzen die Anwender häufig ein Fallklappenrelais ein, damit sich eine von der Versorgungsspannung unabhängige Anzeige der Auslösung und/oder Anregung umsetzen lässt.    

Mit dem Schutzgerät Powersave bietet Phoenix Contact ein hochintegriertes Konzept, das die oben angeführten zusätzlichen Komponenten in einem Gehäuse vereint. So können einfachere und wirtschaftlichere Anlagenlösungen mit geringerem Installationsaufwand realisiert werden (Bild 1).

Bild 1: Schematische Darstellung des Gerätekonzepts von Powersave

Die Versorgung des Geräts erfolgt dualpowered, das heißt sowohl aus dem Hilfsspannungseingang als auch den Stromwandlern. Der Hilfsspannungseingang ist als Weitbereichsversorgung ausgelegt und lässt sich somit ebenfalls mit dem Spannungswandler betreiben. Ein externes Versorgungsmodul wird daher nicht mehr benötigt. Darüber hinaus umfasst Powersave optional einen Auslösekondensator mit Spannungen bis 300 V DC, der die Auslöseenergie zur Betätigung der Auslösespule bereitstellt. Neben der Hilfsspannung wird der Kondensator aus den Stromwandlern geladen. Die Kapazität ist auf drei Auslösungen des Leistungsschalters ausgelegt und wird automatisch zyklisch geprüft. Ein weiterer Anpasswandler ist deshalb nicht erforderlich. Ein zusätzlicher Kondensator mit Spannungen bis 48 V DC liefert die Meldespannung für weitere potentialfreie Hilfskontakte. Das beschriebene integrierte Powermanagement ermöglicht also den autonomen Betrieb sowie die Auslösung des Leistungsschalters ohne unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) (Bild 2).

Bild 2: Innenleben von Powersave mit Powermanagement, Auutonomer Betrieb und Auslösung des LS ohne USV

Um die Anregung und Auslösung im spannungslosen Zustand anzeigen zu können, beinhaltet Powersave zwei mechanische Stellungsmelder, die das Fallklappenrelais ersetzen.

Energiearmer Betrieb sowie schnelle Kurzschlussmeldung

Powersave ist im Hinblick auf einen energiearmen Betrieb entwickelt worden, der allein durch die Stromwandlerspeisung ab 20 Prozent des Wandlernennstroms aufrechterhalten werden kann. Dabei erfolgt die Speisung aus allen drei Phasen, was den Betrieb selbst bei einem kompensierten Erdschluss sicherstellt. Außerdem wird nach dem Einschalten in weniger als 90 Millisekunden ein Kurzschluss ab der Wandlerstromversorgung detektiert. Im spannungslosen Zustand kann ferner eine Versorgung über die USB-Schnittstelle stattfinden, sodass sich direkt nach einem Netzfehler ohne Zuschaltung der Anlage vor Ort Daten und Störschriebe zur Fehleranalyse aus dem Gerät abrufen lassen.

Gestatten die Platzverhältnisse – wie beispielsweise in Kompaktstationen der Sekundärverteilung – keinen Einsatz von Stromwandlern, lässt sich Powersave auch an resistive Spannungssensoren anschließen und mit der Speisung aus den Stromwandlern kombinieren.  Die auf das Powermanagement ausgerichtete Hardwareplattform erschließt auf begrenztem Raum trotzdem sämtliche typgeprüften Schutzfunktionen der Produktfamilie Save, sofern diese durch die vorhandenen Messeingänge umgesetzt werden können. Die Funktionen reichen vom ungerichteten über den gerichteten Überstrom- und Erdschlussschutz bis zum Distanzschutz. Zusatzfunktionen wie Frequenzschutz, Über- und Unterspannung sowie Fehlerortung und Feldsteuerung sind ebenfalls möglich. Die auf Softwaremodulen basierende Flexibilität erlaubt die vielfältige Nutzung für unterschiedliche Anwendungsfälle sowie die Realisierung komplexer Schutzfunktionen in Stationen ohne Hilfsenergie (Bild 3).

Bild 3: Powersave für Stationen ohne Hilfsenergie


Autonome Auslösung des Leistungsschalters in dezentralen und Kundenanlagen

Da bei der Einbindung dezentraler Anlagen in das Mittelspannungsnetz oftmals kompakte Stationen verwendet werden, eröffnet der Einsatz von Powersave aufgrund der geringen Baugröße und hohen Funktionsdichte Vorteile. Für diesen Anwendungsfall können darüber hinaus der Blindleistungsrichtungs-Unterspannungsschutz (Q-U), der mehrstufige Unterfrequenz-Lastabwurf (UFLA) und der Distanzschutz in einem Gerät zusammengefasst werden. Durch die Wandlerversorgung und den Kondensator-Energieblock lassen sich die Stationen gegebenenfalls ohne oder mit einer reduzierten USV auslegen.

Damit Kundenstationen in das Netz integriert werden können, fordert der Netzbetreiber meist eine Unabhängigkeit von Fremdversorgungen. Die Kombination aus Wandlerstromspeisung und Auslösekondensator bietet hier eine zuverlässige autonome Auslösung der Leistungsschutzschalter ab dem Schutzgerät, die nicht aus einer bestehenden Hilfsspannung resultiert. Die zusätzliche Speisung aus den Spannungswandlern schafft jedoch Redundanz. Powersave eignet sich zudem als Reserveschutz beispielsweise in Schwerpunktstationen, der unabhängig von der unter Umständen nicht redundant ausgeführten Hilfsspannungsversorgung arbeitet. So lässt sich ein vollredundanter Distanz-Backup-Schutz umsetzen.

HERZliche Grüsse

OmicronOmicron