Ein Vergleich der in modernen Stromnetzen eingesetzten Schutzkonzepte

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Wahl des Schutzkonzepts beginnt mit den Fehlergrößen, die ein Relais unter schwachen, ohmschen und Mehrquellenbedingungen tatsächlich misst.
• Differential-, Abstands- und Überstromschutz lösen jeweils ein anderes Messproblem, sodass ihre Schwachstellen bei unterschiedlichen nichtidealen Fehlersituationen zutage treten.
• Die Verwendung eines einzigen Systemmodells zur Simulation derselben Störung über mehrere Schutzschemata hinweg bietet eine klarere Grundlage für die Auswahl des Leitungsschutzes als isolierte Einstellstudien.

Schutzkonzepte sollten unter denselben Fehlerbedingungen verglichen werden, da sich Einstellungen, die auf dem Papier sinnvoll erscheinen, oft ganz anders verhalten, sobald sich die Quellstärke, der Fehlerwiderstand und die Topologie ändern.

In Lehrbuchzusammenfassungen zum Schutz von Stromnetzen wird oft nicht auf Sonderfälle eingegangen. Dadurch entsteht eine Lücke zwischen dem Verständnis eines Relaisprinzips und dem Wissen darüber, welches Schutzschema auch dann noch auslöst, wenn die Quellleistung sinkt, die Fernspeisung zunimmt oder der Fehler hinter einem Widerstand liegt. Eine Überprüfung der Versorgungssicherheit erfasste im Jahr 2023 1.697 Ausfälle in der Übertragungsnetze im gesamten Großstromnetz, was zeigt, wie eng die Qualität des Schutzes und die Netzverfügbarkeit miteinander verbunden sind.

Eine fundierte Auswahl beginnt damit, dass man untersucht, was das Relais bei einem nicht idealen Fehler misst, und anschließend dasselbe Ereignis anhand verschiedener Konzepte testet. Dadurch wird die Schutz- und Leittechnik moderner Stromnetze zu einem technischen Vergleich, der Kompromisse aufzeigt, die aus den Einstellblättern allein nicht ersichtlich sind.

Der Schutz des Stromnetzes isoliert Fehler, bevor die Stabilität beeinträchtigt wird

Der Schutz von Stromnetzen erkennt abnormale Strom- oder Spannungswerte, lokalisiert den betroffenen Bereich und löst genau die Mindestanzahl an Leistungsschaltern aus, die zur Beseitigung des Fehlers erforderlich ist. Ein guter Schutz reagiert schnell, gewährleistet die Sicherheit bei fehlerfreien Betriebszuständen und erhält die Versorgung in den intakten Teilen des Netzes aufrecht.

Ein Busfehler verdeutlicht dies. Ist die Zone korrekt eingestellt, schalten die Relais nur den Bus und die angeschlossenen Leistungsschalter ab, während benachbarte Abzweige in Betrieb bleiben. Das ist Selektivität in der Praxis. Sie beurteilen dabei Geschwindigkeit, Sicherheit, Zuverlässigkeit und den Umfang, in dem intakte Anlagenteile abgeschaltet werden.

Auch der Schutz steht in engem Zusammenhang mit der Stabilität. Eine langsame Abschaltung auf einer stark ausgelasteten Übertragungsstrecke verstärkt die Spannungseinbrüche und belastet die Erzeuger, während eine unnötige Abschaltung Kapazitäten außer Betrieb setzt, die gar nicht von einem Fehler betroffen waren. Aus diesem Grund betrachten Ingenieure den Schutz als eine Systemfunktion. Das Relaisprinzip ist zwar wichtig, doch die Schutzzone und die zu erwartenden Fehlerbedingungen sind noch wichtiger.

Die Auswahl des Schutzes beginnt mit dem Fehlerstromverhalten

Die Auswahl des Schutzes beginnt mit dem Strom, dem ein Relais bei minimalen und maximalen Fehlerströmen tatsächlich ausgesetzt ist. Die Netzstärke, der Fehlerwiderstand, die Erdung, die Fernspeisung und die Wechselrichtergrenzwerte beeinflussen alle die Ansprechschwelle, die Auslösecharakteristik und die Zeitabläufe. Werden diese Eingangsgrößen nur geschätzt, kommt es selbst bei einem vertrauten Schutzkonzept zu Fehlfunktionen.

Sie benötigen ein Fehlerbild, das das von Ihnen zu schützende Netz widerspiegelt. Eine 230-kV-Leitung mit zwei starken Anschlüssen weist ein anderes Stromprofil auf als eine Zuleitung, die über ein schwaches Netz und mehrere Wechselrichter-Anlagen gespeist wird. Das Relais reagiert nicht auf Annahmen, die Sie nicht modelliert haben. Deshalb beginnen Studien mit Betriebsfällen.

• Schätzen Sie den minimalen und maximalen Fehlerstrom an jedem geschützten Anschluss.
• Prüfen Sie, wie sich die Erdung auf den Nullstromstrom und die Nullspannung auswirkt.
• Berücksichtigen Sie die Fehlerfestigkeit bei Phasen- und Erdungsfehlern.
• Modell einer Fernzuführung, die die gemessene Reichweite und Richtung verändert.
• Testen Sie Ausfälle von Energiequellen, die den Strombeeitrag schwächen.

Anhand dieser fünf Prüfungen können Sie feststellen, welche Messwerte auch dann noch zuverlässig sind, wenn das System von den Nennbedingungen abweicht.

„Sicherheit ist eng mit Stabilität verbunden.“

Der Überstromschutz funktioniert am besten bei vorhersehbarer Stromquellenstärke

Der Überstromschutz eignet sich für Stromkreise, in denen sich der Fehlerstrom auf kontrollierte und vorhersehbare Weise ändert. Er ist einfach, kostengünstig und lässt sich in Radialsystemen leicht abstufen. Seine Grenzen treten zutage, sobald mehrere Quellen, variable Erzeugung oder große Schwankungen des verfügbaren Fehlerstroms ins Spiel kommen.

Ein radialer Abzweig, der von einem Umspannwerktransformator gespeist wird, veranschaulicht, wo Überstromschutz gut funktioniert. Zeitlich aufeinander abgestimmte Phasen- und Erdungselemente können nachgeschaltete Fehler nacheinander isolieren, wobei das nächstgelegene Gerät zuerst auslöst und der vorgeschaltete Leistungsschalter als Reserve dient. Sie können die Ansprechschwelle und die Verzögerungszeit zuverlässig einstellen, solange die Quellstärke innerhalb eines engen Bereichs bleibt.

Probleme treten auf, wenn an dieser Zuleitung eine dezentrale Erzeugungsanlage oder eine zweite Quelle angeschlossen wird. Ein Fehler am entfernten Ende kann weniger Strom erzeugen als ein Motorstart in der Nähe des Umspannwerks, während eine umgekehrte Einspeisung die Lastverteilung stören kann. Auch das Anlaufen unter Kaltlast und der Transformator-Einschaltstrom müssen begrenzt werden. Eine Überstromschutzeinrichtung ist nach wie vor geeignet, jedoch nur, wenn die Stromstärke ein zuverlässiges Signal bleibt.

Der Differenzstromschutz reagiert auf eine Stromasymmetrie an den Anschlüssen

Bei der Differenzstromschutzschaltung wird der in einen definierten Bereich eintretende Strom mit dem aus diesem Bereich austretenden Strom verglichen. Übersteigt die Abweichung die Begrenzungslogik, löst die Schaltung bei einem internen Fehler aus und begrenzt bei externen Fehlern den Strom. Es handelt sich um eine der selektivsten Schutzarten, die es gibt.

Ein Transformator, eine Sammelschiene oder eine kurze Übertragungsleitung verdeutlichen, warum Differentialschaltungen so geschätzt werden. Ein Wicklungsfehler innerhalb einer Transformatorzone führt zu einem deutlichen Stromungleichgewicht, selbst wenn eine schwache Quelle den Fehlerstrom begrenzt. Das Relais benötigt keine Entfernungsschätzung. Es benötigt genaue Anschlussströme und eine zuverlässige Unterdrückung bei externen Fehlern.

Die Genauigkeit unterliegt bestimmten Bedingungen. Die Sättigung des Stromwandlers bei einem starken Durchgangsfehler kann eine interne Fehlanpassung vortäuschen, und der Magnetisierungsstromstoß kann einem Fehler ähneln, sofern keine Begrenzung erfolgt. Lange Leitungen führen zudem zu einer erhöhten Abhängigkeit von der Kommunikation. Der Differentialschutz ist am wirksamsten, wenn die Zone frei ist und die Messkette gut verwaltet wird.

Der Distanzschutz reagiert auf eine scheinbare Impedanzverschiebung

Der Hauptunterschied zwischen Differential- und Abstandsschutz besteht darin, dass beim Differentialschutz die Grenzströme innerhalb einer definierten Zone verglichen werden, während beim Abstandsschutz die Impedanz von einem Anschluss zum Fehlerort geschätzt wird. Der Abstandsschutz eignet sich für Übertragungsleitungen, da sich der Fehlerort anhand lokaler Spannungs- und Strommessungen ohne Vergleich der Anschlussströme ermitteln lässt.

Eine lange Freileitung ist der Standardfall. Zone 1 kann den größten Teil der geschützten Leitung für eine schnelle Auslösung abdecken, während sich Zone 2 und Zone 3 mit einer Zeitverzögerung als Absicherung nach außen erstrecken. Dadurch kommt dem Abstandsschutz in Übertragungsnetzen eine praktische Bedeutung zu. Da die Impedanz als Näherungswert für die Position verwendet wird, spielen verzerrte Spannungs-Strom-Beziehungen eine Rolle.

Erdschlüsse mit hohem Widerstand können weiter entfernt auftreten, als sie tatsächlich sind; eine Fernspeisung kann die scheinbare Reichweite verringern, und eine hohe Last kann den Arbeitspunkt in Richtung einer Auslösegrenze verschieben. Leistungsschwankungen und Serienkompensation erhöhen die Komplexität zusätzlich. Der Entfernungsschutz bleibt zwar nützlich, doch müssen seine Reichweiteneinstellungen bei nicht lehrbuchmäßigen Fehlern sorgfältig geprüft werden.

Moderne Stromversorgungssysteme stützen sich auf adaptive Schutz- und Regelungssysteme.

Moderne Stromnetze benötigen Schutzsysteme, die Topologieänderungen, durch Wechselrichter begrenzte Fehlerströme und sich im Normalbetrieb ändernde Betriebszustände berücksichtigen. Statische Einstellungen spielen zwar nach wie vor eine Rolle, decken jedoch allein nicht mehr alle denkbaren Zustände ab. Schutzsysteme müssen nun widerspiegeln, wie sich das gesteuerte Netz tatsächlich verhält.

Ein Mikronetz, das in der einen Stunde netzgebunden und in der nächsten im Inselbetrieb läuft, verdeutlicht das Problem. Der Fehlerstrom aus Wechselrichter-basierten Anlagen wird häufig durch eine Steuerlogik begrenzt und geformt, sodass ein Überstromschutzelement, das auf der Netzseite funktionierte, nach dem Übergang in den Inselbetrieb unwirksam werden kann. Erneuerbare Energien deckten im Jahr 2023 30 % des weltweiten Strombedarfs, was erklärt, warum sich Schutzstudien mittlerweile verstärkt mit dem Verhalten nicht-synchroner Quellen befassen.

Adaptive Logik, richtungsabhängige Überwachung, negative Sequenzgrößen und modusspezifische Einstellungen tragen dazu bei. Der entscheidende Aspekt ist die Messintegrität in jedem Betriebszustand. Schutz und Regelung treffen nun dort aufeinander, wo das Relais einen Fehler anhand des Umrichterverhaltens, der Schaltzustände und der Netzwerkneukonfiguration interpretieren muss.

Die Simulations Tests e sollte einen Fehler in jedem Schema nachstellen

Die Simulations- Tests e funktioniert am besten, wenn ein identischer Fehler auf mehrere Schutzkonzepte innerhalb desselben Netzwerkmodells angewendet wird. Diese Methode macht deutlich, was jedes Relaisprinzip tatsächlich misst und wie es im Fehlerfall versagt. Separate Fallbeispiele verbergen Kompromisse, die offensichtlich werden, wenn die Störung konstant bleibt.

Ein nützlicher Testfall kann einen einleitigen Erdschluss 80 % der Länge einer Übertragungsleitung entfernt mit einem Fehlerwiderstand von 40 Ohm und einer schwachen Fernspeisung simulieren. Der Überstromschutz kann unterreagieren, der Abstandsschutz kann eine zusätzliche Scheinimpedanz erkennen, und der Differentialschutz kann den internen Fehler dennoch identifizieren, sofern die Messungen an den Anschlüssen konsistent bleiben. Sie vergleichen dabei Empfindlichkeit, Selektivität und Sicherheit unter einer einzigen Störung.

SPS SOFTWARE eignet sich für diese Art von Studien, da Ingenieure Differential-, Distanz- und Überstromschutzkonzepte in einem bearbeitbaren Modell zusammenführen und denselben Fehler für jedes Konzept simulieren können. Dadurch werden die Kompromisse sowohl für Studierende als auch für praktizierende Ingenieure sichtbar. Ein Konzept wird erst dann überzeugend, wenn man gesehen hat, wie es sich verhält, wenn der Fehler ungünstig, ohmsch, weit entfernt oder schwach gespeist ist.

Die Wahl des Schutzes für Übertragungsleitungen beginnt mit der Anschlusstopologie

Die Wahl des Schutzkonzepts für eine Übertragungsleitung hängt in erster Linie davon ab, wie viele Anschlüsse die Leitung speisen und wie klar der Schutzbereich abgegrenzt werden kann. Leitungen mit zwei Anschlüssen, abgezweigte Leitungen, Kabel und Korridore mit schwachen Quellen liefern dem Relais nicht dieselben Anhaltspunkte. Bei einer guten Schemauswahl wird zunächst die physikalische Struktur berücksichtigt, bevor die Einstellungen im Detail festgelegt werden.

Eine zweipolige Freileitung mit starken Stromquellen an beiden Enden ermöglicht häufig den Einsatz von Differenzstromschutz oder gut abgestimmten Abstandsschutzsystemen. Eine Abzweigleitung mit mehreren Einspeisungen erfordert Konzepte, die über verzweigte Strompfade hinweg selektiv bleiben. Kurze Kabel begünstigen den Differenzstromschutz, da der Schutzbereich kompakt ist und interne Fehler unverzüglich beseitigt werden sollten.

Dieses Urteilsvermögen ist nützlicher als das Auswendiglernen eines Relaiskatalogs. Ingenieure erzielen einen besseren Schutz, wenn sie Schaltpläne anhand desselben nicht-idealen Fehlers vergleichen und die Messwerte entscheiden lassen. SPS SOFTWARE ist ein wichtiger Bestandteil dieses Arbeitsablaufs, da dasselbe Netzmodell aufzeigen kann, warum ein Schaltplan den Fehler sauber beseitigt, während ein anderer zögert oder den Fehler übersieht. Eine klare Modellierung ersetzt das ingenieurtechnische Urteilsvermögen nicht. Sie schärft es vielmehr.

„Ein System wird erst dann überzeugend, wenn man gesehen hat, wie es sich verhält, wenn der Fehler heikel, widerstandsbehaftet, weit entfernt oder nur schwach gespeist ist.“