Is-Begrenzer

Lösungen für den sicheren Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Mittel- und Niederspannungsnetz

Im Zuge der Energiewende hat die Bundesregierung beschlossen, bis zum Jahr 2021 die in Deutschland derzeit noch betriebenen Kernkraftwerke der Reihe nach abzuschalten. Mit der Abschaltung des Atomkraftwerks (AKW) Grafenrheinfeld am 27. Juni 2015 sind in Deutschland nur noch acht AKW am Netz. Gemäß Atomgesetz werden die drei jüngsten Reaktoren spätestens im Jahr 2022 abgeschaltet, die anderen spätestens 2017, 2019 und 2021. Weitere Informationen sind im Internet abrufbar unter www.bmub.bund.de.

Damit verbunden ist eine rasante Erhöhung von Eigenstrom-Erzeugeranlagen, die an deutschen Netzen betrieben werden. Zeitgleich steigt der Bedarf an IT-Infrastrukturen mit hoch verfügbarem Anspruch an die Elektroenergieversorgung. Dies sind Gründe dafür, dass immer mehr dauerhaft oder zeitweise am Netz parallelbetriebene Ersatzstromaggregate zum Einsatz kommen.

Im Spannungsfeld zwischen der Versorgungssicherheit und der Betriebssicherheit reagieren die Versorgungsnetzbetreiber mit erhöhten Forderungen bezüglich zulässiger Beiträge an Kurzschlussleistung, welche vom Verbrauchsnetz der Kunden an das Versorgungsnetz bei Netzfehler zurückgespeist werden. Nicht zuletzt die  Technische Richtlinie für Erzeugungsanlagen am  Mittelspannungsnetz des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. (BDEW) verpflichtet die Anschlussnehmer, das Gespräch mit dem Versorgungsnetzbetreiber über die zulässige Höhe der Kurzschlussleistung, ausgehend vom Verbrauchsnetz des Kunden, zu suchen.

Vorrangig im unteren Spannungsbereich bis 10kV-betriebene Versorgungsnetze haben hierzu eine geringe Toleranzgrenze, welche die Anschlussnehmer zur Umsetzung von kurzschlussstrombegrenzenden Maßnahmen bei Betrieb von rotierenden, elektrischen Maschinen direkt gekoppelt am Versorgungsnetz zwingt.

Quellen: www.bmub.bund.de
BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.

Kurzschluss in Mittelspannungsnetzen

Als Kurzschluss bezeichnet man eine Fehlerart, bei der ein spannungsführender Leiter mit mindestens einem weiteren Leiter niederohmig verbunden ist. Die dabei auftretenden Ströme sind abhängig von der Anzahl der miteinander verbundenen Leiter und bei Fehlern mit Erdberührung auch von der Sternpunktbehandlung des Netzes. Bei den hier betrachteten Mittelspannungsnetzen treten die höchsten Kurzschlussströme – mit den stärksten mechanischen und thermischen Beanspruchungen der Betriebsmittel – beim dreipoligen „satten“ Kurzschluss auf.

Quelle:  Elektrische Energieversorgung, Autoren: Klaus Heueck und Klaus Dieter Dettmann, Ausgabe: 1984

Höhe des Kurzschlussstromes

Der zeitliche Verlauf des Kurzschlussstromes ist abhängig von der Art der kurzschlussstromerzeugenden Betriebsmittel, der Impedanz zwischen diesen und dem Kurzschlussort sowie vom Zeitpunkt des Kurzschlusseintritts.

Bei Generatoren unterscheidet man zwischen generatorfernem und generatornahem Kurzschluss. Während beim generatorfernen Kurzschluss der Wechselstromanteil des Kurzschlussstromes konstant bleibt, entsteht beim generatornahen Kurzschluss ein abklingender Wechselstromanteil. Diesem Kurzschlussstrom überlagert sich ein Gleichstromanteil, dessen Höhe vom Zeitpunkt des Kurzschlusseintritts abhängt. Der höchste Wert des Kurzschlussstromes, der sogenannte Stoßkurzschlussstrom ip, wird erreicht, wenn der Kurzschluss im Nulldurchgang der Spannung auftritt.

Neben den Generatoren tragen auch Asynchronmotoren einen Anteil zum Kurzschlussstrom bei.

Mittelspannungsnetze mit Generatoren und Motoren

Die Hauptanteile des Kurzschlussstromes in einem Mittelspannungsnetz werden über den  speisenden HS/MS-Transformator geliefert. Dieser Wert ist abhängig von der Kurzschlussleistung des überlagerten Netzes und der Kurzschlussspannung des Transformators. Bei diesem Kurzschlussstrom handelt es sich um einen generatorfernen Kurzschluss. Befinden sich in diesem Mittelspannungsnetz, beziehungsweise in dem daraus versorgten Niederspannungsnetz, Generatoren und Motoren, dann erhöhen diese im Kurzschlussfall den auftretenden Kurzschlussstrom. Während die Motoren nach einigen Perioden keinen Kurzschlussstrombeitrag mehr liefern, klingt der Generatorstrom auf den Dauerkurzschlussstrom ab. Nach mehreren Hundert Millisekunden besteht der Kurzschlussstrom im Wesentlichen aus dem Anteil über den Transformator. Die höchste Belastung der Betriebsmittel tritt somit zu dem Zeitpunkt auf, an dem die Kurzschlussstromanteile noch nicht deutlich abgeklungen sind. Hinsichtlich der mechanischen Belastung ist dies der Zeitpunkt des Maximalwerts des Kurzschlussstromes, dem sogenannten Stoßkurzschlussstrom ip nach 10ms.

Dimensionierung der Betriebsmittel eines EVU

Die Dimensionierung der Betriebsmittel eines Netzbetreibers, zum Beispiel der Mittelspannungs-Schaltanlagen, richtet sich sowohl nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten, als auch nach netztechnischen Gegebenheiten. In der Vergangenheit orientierte sich die Auslegung hinsichtlich der Kurzschlussfestigkeit an den Strömen, die stark von dem einspeisenden Transformator  beeinflusst waren. Bei steigenden Lasten wurden die Transformatoren ausgetauscht, wobei mit der Nennscheinleistung auch die Kurzschlussspannung erhöht wurde, sodass sich die Kurzschlussströme nicht erhöhten. Kundeneigene Eigenerzeugungsanlagen oder Kunden mit einer Vielzahl an Motoren waren die Ausnahme

Beispiel Netzdienste Rhein-Main in Frankfurt am Main

Mit wachsender Anzahl an Betriebsmitteln in Kundenanlagen, die im Kurzschlussfall Kurzschlussströme einspeisen, musste eine Lösung gefunden werden, um das Problem in den Griff zu bekommen. Da praktisch alle Kunden einen generatornahen (abklingenden) Kurzschlussstrom einspeisen, soll der kritische Wert, sprich der Stoßkurzschlussstrom, begrenzt werden.

Die Vorgaben an die Kunden sollen nachvollziehbar und diskriminierungsfrei sein:

  • Die Summe der Kurzschlussleistung aus Kundenanlagen und HS/MS-Transformator muss kleiner sein als der zulässige Wert der Betriebsmittel.

  • Jeder Kunde darf einen bestimmten Anteil einspeisen (SKKunde). Dieser Anteil ist proportional zu seiner bestellten Leistung (SKunde).

  • Die Summe aller Leistungen entspricht der Nennscheinleistung des einspeisenden HS/MS-Transformators (STrafo).

Die Begrenzung der Kurzschlussströme dient dem Schutz von Kundenanlagen, die im Nahbereich von Umspannwerken aus dem 10kV-Netz versorgt werden. Im Nahbereich (einige 100 Meter) von Umspannwerken ist der Kurzschlussstromanteil des Netztransformators, der den überwiegenden Anteil des Kurzschlussstromes darstellt, nur unwesentlich abgeklungen.

Ältere Schaltanlagen besitzen folgende Kurzschlussstromfestigkeiten:
Ik=17,3kA,   Ip=45kA
Ik=17,3kA entspricht 300MVA Kurzschlussleistung 
SKAnlage = Ik x 10kV x √3
Das Verhältnis von Ik zu Ip ist ungefähr 2,5:    Ip=Ik x 1,8x √2  ≈ 2,5 x Ik

Wegen des linearen Zusammenhangs von Ip und Sk wird der Einfachheit halber nur noch mit Leistungen (MVA) gearbeitet.

SKKunde ≤  (SKAnlage – SKTrafo) x SKunde/STrafo

Würde ein Kunde mehr Kurzschlussleistung einspeisen als ihm zugestanden wird, muss er kurzschlussstrombegrenzende Maßnahmen durchführen.

Besonders kritisch im Hinblick auf zulässige Kurzschlussströme aus Kundenanlagen sind 10kV-Mittelspannungsnetze, die direkt aus der 110kV-Ebene gespeist werden.

Die Differenz zwischen dem zulässigen Kurzschlusswert der Schaltanlage (300MVA) und der Kurzschlussleistung über den HS/MS-Trafo (250MVA) beträgt nur etwa 50MVA. Bei einem Standardtransformator mit einer Nennscheinleistung von 40MVA ist die zulässige Kurzschlussleistung (300MVA – 250MVA)/40MVA = 1,25MVA pro 1MVA bestellter Leistung.

In der 20kV-Ebene ist die Differenz zwischen dem zulässigen Kurzschlusswert der Schaltanlage (500MVA) und der Kurzschlussleistung über den HS/MS-Trafo (250MVA) etwa 250MVA. Bei einem Standardtransformator mit einer Nennscheinleistung von 40MVA ist die zulässige Kurzschlussleistung jetzt schon bei deutlich höheren (500MVA – 250MVA)/40MVA = 6,25MVA pro 1MVA bestellter Leistung.

Lösungen zur Begrenzung des Kurzschlussstromes

Seit vielen Jahren arbeitet die Scholl Energie- und Steuerungstechnik GmbH mit dem Planungsbüro VOSS On Technische Planung GmbH & Co. KG an Projekten zur Begrenzung von Kurzschlussströmen zusammen.

Die Implementierung derartiger Maßnahmen in einem Projekt oder in eine in Betrieb befindliche Versorgungsanlage stellt den Anlagenbetreiber vor eine Herausforderung, die in vielen Projekten durch die R+S solutions GmbH im Spannungsfeld zwischen der Versorgungssicherheit für die Kundenanlage und den Forderungen des Netzbetreibers erfolgreich gelöst werden konnten. Um zu einer sicheren Lösung zu gelangen, ist die Erarbeitung einer detaillierten Netzstudie des jeweiligen Kundennetzes unerlässlich.

Aufbauend auf den dort gewonnenen Erkenntnissen, kann dann eine technische Lösung abgebildet werden, die den sicheren Betrieb der Anlage sowohl unter Maßgabe der Versorgungssicherheit als auch unter der Maßgabe zur Begrenzung der Kurzschlussströme gewährleistet werden kann.

Wenn der vom Kunden ausgehende Kurzschlussanteil zum Versorgungsnetz nicht durch Maßnahmen wie dem Einsatz einer Lastbank für den monatlichen Lasttest der Generatoren oder dem Betrieb der rotierenden Maschinen über Wechselrichter gewährleistet werden kann, ist im Regelfall der Einsatz eines Is-Begrenzers des Herstellers ABB AG erforderlich.

Die herausragende Technologie der Firma ABB AG gewährleistet zum einem die rasche Unterbrechung des Fehlerstromes und damit die Begrenzung des Kurzschlussstromes vor Erreichen des Scheitelwertes, und zum anderen gewährleistet diese durch hohe Qualität die Betriebssicherheit des Systems.

Das Diagramm in der Bildergalerie zeigt die rasche Begrenzung des Kurzschlussstromes anhand der orangefarbenen Kurve durch den Is-Begrenzer.

Wenn der Strom über den Is-Begrenzer voreingestellte Einstellwerte (für Augenblickswert und Steilheit) erreicht, so wird mittels eines pyrotechnischen Momentzünders der Hauptstrompfad im IS‑Begrenzer Einsatz geöffnet. Der Strom kommutiert auf eine parallele Sicherung, die dann den Kurzschlussstrom vor Erreichen des ersten Peak-Wertens begrenzt. Somit ist gewährleistet, dass der Scheitelwert des Stromes auf ein Minimum in weniger als 10 ms begrenzt wird.

Die sichere analoge Auswerte-Elektronik der Firma ABB AG gewährleistet dabei nur eine Stromkreisunterbrechung bei einem Fehler im ausgewählten Schutzbereich.

Die Scholl Energie- und Steuerungstechnik GmbH ist in der Lage, diese herausragende Technologie mit den dafür notwendigen Konzepten zur Implementierung in neue Projekte oder bestehende Infrastrukturen sicher anzuwenden.

Co-Autoren: ABB AG, Planungsbüro VOSS On Technische Planung GmbH & Co. KG

Weitere Informationen zum Is-Begrenzer finden Sie hier.

Is-Begrenzer-Funktion: Kurzschlussausschaltung

Is-Begrenzer