Selektivitätsverfahren

Unterschiedliche Selektivitätsverfahren aus operativer Sicht

Selektivität (Diskriminierung) wird durch automatische Schutzeinrichtungen erreicht, wenn ein Fehler durch das Schutzgerät, das direkt vorgeschaltet ist, sofort behoben wird, während alle anderen Schutzeinrichtungen unberührt bleiben.

Zwei Bereiche können definiert werden, abhängig von den Strombereichen und Leistungsschalter-Auslösekurven:

In < I < 8÷10 x In

Überlastzone

Zone, in welcher in der Regel der Wärmeschutz für thermisch-magnetische Auslöseeinheiten und Schutz L für elektronische Auslöseeinheiten ausgelöst werden.

I ≥ 8÷10 x In

Kurzschlusszone

Zone, in welcher in der Regel der magnetische Schutz für thermisch-magnetische Auslöseeinheiten oder Schutz S, D und I für elektronische Auslöseeinheiten ausgelöst werden.

Verschiedene Selektivitätsverfahren sind diesen beiden Zonen zugeordnet.

Zeit-Strom-Selektivität

Stromselektivität

Zeitselektivität

Energieselektivität

Zonenselektivität

Zeit-Strom-Selektivität

Einführung

Praktisch betrachtet

Der Schutz gegen Überlast hat im Allgemeinen eine bestimmte Zeitcharakteristik, unabhängig davon, ob er mittels einer thermischen Auslöseeinheit oder mit Hilfe der Funktion L einer elektronischen Auslöseeinheit realisiert wird.
Eine bestimmte Zeitcharakteristik ist die Auslösecharakteristik, für die, wenn der Strom zunimmt, die Auslösezeit des Leistungsschalters abnimmt.

Wenn Schutzfunktionen mit diesen Charakteristika vorhanden sind, wird das Zeit-Strom-Selektivitätsverfahren verwendet.
Das Zeit-Strom-Selektivitätsverfahren realisiert die Auslöseselektivität durch eine Anpassung der Schutzfunktion, so dass der lastseitige Schutz im Falle eines möglichen Überstromwerts schneller ausgelöst wird als der Leistungsschalter auf der Versorgungsseite.

Bei der Festlegung der Auslösezeiten der beiden Leistungsschalter ist Folgendes zu berücksichtigen:

Toleranzen der Schwellen und Auslösezeiten;
die wirklichen Ströme, die in den Leistungsschaltern am Fließen sind.

Im Hinblick auf die Toleranzen stellt ABB die Auslösekurven seiner Auslöseeinheiten in den technischen Katalogen und in der DocWin-Software zur Verfügung. Insbesondere im Kurvenmodul von DocWin beinhalten die beiden Kurven der elektronischen und thermomagnetischen Auslöseeinheiten die Toleranzwerte. Somit wird ein Auslösen der Schutzeinheit durch zwei Kurven dargestellt, eine zeigt die höchsten Auslösezeiten (obere Kurve) und die andere die schnellsten Auslösezeiten (untere Kurve).

Für eine korrekte Analyse der Selektivität müssen die ungünstigsten Bedingungen in Betracht gezogen werden:

Der versorgungsseitige Leistungsschalter wird gemäß der zugehörigen unteren Kurve ausgelöst.

Der lastseitige Leistungsschalter wird gemäß der zugehörigen oberen Kurve ausgelöst.

In Bezug auf die realen Ströme, die im Leistungsschalter fließen:

Wenn die beiden Leistungsschalter vom selben Strom durchflossen werden, ist es ausreichend, dass keine Überlappung zwischen der Kurve des versorgungsseitigen Leistungsschalters und der Kurve des lastseitigen Leistungsschalters vorhanden ist;

Wenn die beiden Leistungsschalter von unterschiedlichen Strömen durchflossen werden, ist es notwendig, eine Reihe von signifikanten Punkten auf den Zeitstromkurven zu wählen und zu prüfen, ob die Auslösezeiten des versorgungsseitigen Schutzes immer über den entsprechenden Zeiten des lastseitigen Schutzes liegen.

Im Fall von Leistungsschaltern, die mit elektronischen Auslöseeinheiten ausgestattet sind, ist es für die korrekte Überprüfung ausreichend, zwei Stromwerte zu untersuchen, da der Trend der Kurven bei I2t=const ist:

1.05 x I1¹ des versorgungsseitigen Leistungsschalters (Wert, unter dem der versorgungsseitige Schutz nie ausgelöst wird)

1.20XI3 (or I2)² des lastseitigen Leistungsschalters (Wert, über dem der lastseitige Schutz auf jeden Fall mit den Schutzeinrichtungen gegen Kurzschluss ausgelöst wird).

1.05 x I1¹ des versorgungsseitigen Leistungsschalters
Unter Annahme, dass I_A =1.05xI1 ist, und unter Berücksichtigung der Aussagen in Bezug auf die real in den Leistungsschaltern fließende Strömen, erhält man auf der Lastseite den Strom IB.

Die Auslösezeiten der beiden Geräte werden aus den Zeit-Strom-Kurven abgelesen.

Wenn die folgende Aussage für beide in Betracht gezogenen Punkte gilt:
tA > tB
dann ist die Selektivität in der Überlastzone gewährleistet.

In der Abbildung auf der Seite wird von einer Absorption von Strom durch andere Lasten ausgegangen.

1.20XI3 (or I2) des lastseitigen Leistungsschalters
Unter Annahme, dass IB = 1.20XI3 (or I2) ist, wird der IA-Strom auf der Versorgungsseite in gleicher Weise erhalten und von den Zeit-Strom-Kurven werden die Auslösezeiten der beiden Geräte erhalten.

1.05 ist der Wert für die minimale bestimmte Nicht-Intervention, definiert in der Norm (IEC60947-2). Für einige Arten von Leistungsschaltern kann dieser Wert variieren (siehe technischen Katalog für weitere Informationen).
1.2 ist der Wert für die maximale bestimmte Intervention zum Schutz gegen Kurzschluss, definiert in der Norm (IEC60947-2). Für einige Arten von Leistungsschaltern kann dieser Wert niedriger sein (siehe technischen Katalog für weitere Informationen).

Stromselektivität

Einführung

Praktisch betrachtet

Dieser Selektivitätstyp beruht auf folgender Beobachtung: Je näher die Fehlerstelle an der Stromversorgungsquelle der Anlage liegt, umso höher ist der Kurzschlussstrom. Daher ist es möglich, die Zone auszuschließen, in welcher der Fehler auftritt, indem die sofortigen Schutzfunktionen auf verschiedene Stromwerte festgelegt werden.

Absolute Selektivität kann in der Regel nur in bestimmten Fällen erreicht werden, wenn der Fehlerstrom nicht hoch ist und ein Bauteil mit hoher Impedanz zwischen den beiden Schutzeinrichtungen angeordnet ist (Transformator, sehr langes Kabel oder ein Kabel mit reduziertem Querschnitt usw.) und folglich ein großer Unterschied zwischen den Kurzschlussstromwerten vorhanden ist.

Daher wird diese Art der Koordinierung vor allem in der letzten Stufe der Verteilung verwendet (niedrige Nennstrom- und Kurzschlussstromwerte und eine hohe Impedanz der Anschlussleitungen). In der Regel werden für diese Schutzeinstellungen die Zeit-Strom-Auslösekurven der Geräte verwendet.
Das ist an sich schnell (sofort) und leicht zu realisieren und kostengünstig.

Aber:

Der begrenzende Selektivitätsstrom ist in der Regel niedrig und somit die Selektivität oft partiell;
Die Einstellungshöhe der Schutzfunktionen gegen Überstrom steigt schnell an;
Es ist nicht möglich, eine Redundanz der Schutzfunktionen zu erreichen, die gewährleistet, dass der Fehler schnell behoben wird, wenn ein Schutz nicht funktioniert.

Diese Art von Selektivität kann auch zwischen Leistungsschaltern der gleichen Größe umgesetzt werden, die keinen zeitverzögerten Überstromschutz (S) bereitstellen.

Der Schutz gegen Kurzschluss des versorgungsseitigen Leistungsschalters A muss auf einen solchen Wert festgelegt werden, dass er nicht durch Fehler ausgelöst wird, die auf der Lastseite von Schutz B auftreten.
(Beispiel in der Abbildung I3_minA > 1kA)

Der Schutz des lastseitigen Leistungsschalters B muss auf einen solchen Wert festgelegt werden, dass er bei auftretenden Fehlern auf seiner Lastseite auslöst.
(Beispiel in der Abbildung I3_MaxB < 1kA)

Die Einstellung der Schutzfunktionen muss die realen Ströme berücksichtigen, die in den Leistungsschaltern zirkulieren.

Hinweis

Diese Selektivitätsgrenze, verbunden mit der magnetischen Schwelle des versorgungsseitigen Leistungsschalters, wird in allen Fällen überschritten, in denen Energieselektivität angewendet wird. Wenn die angegebenen Einstellungen für die Energieselektivität eingehalten werden, ist für die Kombination von Leistungsschaltern mit einem Energieselektivitätswert, der in den Koordinierungstabellen von ABB veröffentlicht wurde, die zu berücksichtigende Grenze der Selektivität diejenige, die in den Tabellen angegeben ist, und nicht diejenige, die durch die obige Formel erhalten wird.

Der begrenzende Selektivitätswert, der erhalten werden kann, ist gleich der sofortigen Auslöseschwelle des versorgungsseitigen Schutzes, abzüglich etwaiger Toleranzwerte.
Is = I3_minA

Zeitselektivität

Einführung

Praktisch betrachtet

Diese Art von Selektivität ist eine Weiterentwicklung der Stromselektivität. Für diese Art der Koordinierung wird zusätzlich zu der Auslöseschwelle eine Auslösezeit definiert: Ein bestimmter Stromwert löst den Schutz nach einer festgelegten Zeitverzögerung aus.
Somit besteht die Einstellungsstrategie darin, die Stromschwellen und Auslösezeiten graduell zu erhöhen, je näher sie sich an den Stromversorgungsquellen befinden (Einstellungsebene in direkter Korrelation zur Hierarchieebene).
Die verzögerten Auslöseschwellen müssen die Toleranzen der beiden Schutzeinrichtungen und die effektiven Ströme, die durch sie fließen, berücksichtigen.

Der Unterschied zwischen den Verzögerungen der in Reihe geschalteten Schutzfunktionen muss die Zeiten der Fehlererkennung und Freigabe des Geräts auf der Lastseite und die Trägheitszeit des Geräts auf der Versorgungsseite berücksichtigen. Wie im Fall der Stromselektivität werden die Einstellwerte durch einen Vergleich der Zeit-Strom-Auslösekurven der Schutzvorrichtungen erstellt.

Für diese Selektivitätsart gilt im Allgemeinen:

leicht zu lernen und zu realisieren;
in Bezug auf das Schutzsystem wirtschaftlich;
ermöglicht es, selbst hohe Selektivitätsgrenzwerte zu erreichen (wenn Icw hoch ist);
ermöglicht eine Redundanz der Schutzfunktionen.

Aber:

Die Auslösezeiten und Energieniveaus, welche durch die Schutzfunktionen zugelassen werden, sind hoch, vor allem jene in der Nähe zu den Quellen.

Diese Art von Selektivität kann auch zwischen Leistungsschaltern der gleichen Größe implementiert werden, die einen zeitverzögerten Überstromschutz bereitstellen.

Die Schutzfunktionen der beiden Leistungsschalter gegen Kurzschluss werden wie folgt eingestellt:

Mit den I₂ Auslöseschwellen für zeitverzögerten Kurzschluss, so dass keine Auslöseüberschneidungen entstehen, unter Berücksichtigung der Toleranzen und der realen Ströme, die in den Leistungsschaltern zirkulieren;
Mit den t₂ Auslösezeiten, so dass der lastseitige Leistungsschalter B den Fehler behebt, während der versorgungsseitige Leistungsschalter A, noch in dessen Taktphase, das Abreißen des Stroms "sieht" und folglich geschlossen bleibt.

Die erhaltene begrenzende Selektivitätsgrenze entspricht Folgendem:

Der sofortigen Auslöseschwelle des versorgungsseitigen Schutzes, wenn diese Funktion aktiviert ist, abzüglich der Toleranz (falls vorhanden):
Is = I3_minA
Dem Icw-Wert für versorgungsseitige offene Leistungsschalter, wenn die sofortige Schutzfunktion auf OFF gesetzt ist.

Hinweis
Diese Selektivitätsgrenzen werden in allen Fällen überschritten, in denen Energieselektivität realisiert wird.
Wenn die angegebenen Einstellungen für die Energieselektivität eingehalten werden, ist für die Kombination von Leistungsschaltern mit einem Energieselektivitätswert, der in den Koordinierungstabellen von ABB veröffentlicht wurde, die zu berücksichtigende Grenze der Selektivität diejenige, die in den Tabellen angegeben ist, und nicht diejenige, die durch die Überlegungen in diesem Absatz erhalten wurden.

Energieselektivität

Einführung

Praktisch betrachtet

Die Koordinierung der Energieselektivität nutzt die strombegrenzenden Eigenschaften der Kompaktleistungsschalter aus. Ein strombegrenzender Leistungsschalter ist "ein Leistungsschalter mit einer Ausschaltzeit ist, die kurz genug ist, um zu verhindern, dass der Kurzschlussstrom seinen möglichen Scheitelwert erreicht" (IEC 60947-2).
Alle ABB Kompaktleistungsschalter der Baureihe Tmax, die Sicherungsautomaten und der offene strombegrenzende Leistungsschalter E2L und E3L haben mehr oder weniger ausgeprägte Strombegrenzungseigenschaften. Unter Kurzschlussbedingungen lösen diese Leistungsschalter extrem schnell aus (Auslösezeiten im Bereich von wenigen Millisekunden), wenn es eine starke asymmetrische Komponente gibt. Somit ist es für die Koordinierungseinstellung unmöglich, die Zeit-Strom-Auslösekurven der Leistungsschalter, die mit symmetrischen sinusförmigen Wellenformen ermittelt werden, zu verwenden.

Diese Phänomene sind hauptsächlich dynamisch (also proportional zum Quadrat des momentanen Stromwerts) und stark von der Wechselwirkung zwischen den zwei in Reihe geschalteten Geräten abhängig. Daher kann der Endanwender die Energieselektivitätswerte nicht bestimmen. Die Hersteller bieten Tabellen und Programme an, mit denen die begrenzenden Stromselektivitätswerte von I_s unter Kurzschlussbedingungen für verschiedene Kombinationen von Leistungsschaltern zu ermitteln sind. Diese Werte ergeben sich durch die theoretische Integration der Ergebnisse von Tests, die in Übereinstimmung mit den Vorschriften durchgeführt wurden, siehe Anhang A von Std. IEC 60947-2.

Die Kurzschlussschutzfunktionen der beiden Leistungsschalter sollen die folgenden Bedingungen erfüllen:

Versorgungsseitige thermomagnetische Auslöseeinheit

Versorgungsseitige elektronische Auslöseeinheit

I₃=OFF

Die erhaltene begrenzende Selektivitätsgrenze Is ist diejenige, die in den Tabellen angegeben ist, die ABB seinen Kunden zur Verfügung stellt.

Zonenselektivität

Einführung

Praktisch betrachtet

Diese Art der Koordinierung ist eine Weiterentwicklung der Zeitselektivität. Die
Zonenselektivität wird durch einen Dialog zwischen den Strommessgeräten umgesetzt, der sofort nach Überschreiten des Schwellwerts Feststellung die korrekte Identifizierung des fehlerhaften Bereichs ermöglicht und die Stromversorgung zum fehlerhaften Bereich unterbricht.

Das kann auf zwei Arten realisiert werden:

Die Messgeräte senden die Informationen über den überschrittenen Schwellenwert an ein Überwachungssystem, das feststellt, welche Schutzfunktionen intervenieren müssen;
Wenn Stromwerte vorhanden sind, die ihre Einstellung überschreiten, sendet jede Schutzvorrichtung über eine direkte Verbindung oder einen Bus ein Sperrsignal an die hierarchisch höhere Schutzvorrichtung (auf der Versorgungsseite in Relation zur Leistungsfließrichtung) und überprüft vor dem Einschreiten, dass kein ähnliches Sperrsignal von der Schutzvorrichtung auf der Lastseite eingegangen ist. Somit wird nur der Schutz auf der Versorgungsseite sofort ausgelöst.

Dieser zweite Weg garantiert kürzere Auslösezeiten. Im Vergleich zu einer Koordinierung der Zeitselektivität besteht keine Notwendigkeit, die Zeitverzögerung bei Vorwärtsbewegung in Richtung der Stromversorgungsquelle zu erhöhen. Die Verzögerung kann auf die Zeit verringert werden, die benötigt wird, um das Vorhandensein eines möglichen Sperrsignals von der lastseitigen Schutzvorrichtung auszuschließen.
Diese Art der Selektivität ist für sternförmige Netzwerke und, wenn sie mit Richtungsschutz verbunden sind, auch für vermaschte Netze geeignet.

Verglichen mit der Koordinierung der Zeitselektivität erlaubt die Zonenselektivität Folgendes:

eine Reduktion der Auslösezeiten (diese können weniger als hundert Millisekunden sein);
eine Verringerung sowohl der durch den Fehler verursachten Schäden als auch der Störungen im Stromversorgungssystem;
eine Reduzierung der thermischen und dynamischen Belastungen der Anlagenkomponenten;
eine hohe Anzahl von Selektivitätsebenen.

Aber:

Sie ist sowohl teurer als auch komplexer zu realisieren.
Sie erfordert eine Hilfsspannungsversorgung.

Diese Lösung wird vor allem in Systemen mit hohen Nennstrom- und Kurzschlussstromwerten und bei hohen Anforderungen an Sicherheit und Betriebskontinuität verwendet. Beispiele für Zonenselektivität finden sich oft in primären Verteilanlagen, die in geringem Abstand zu Transformatoren und Generatoren auf der Lastseite platziert sind.

Diese Art der Selektivität kann wie folgt umgesetzt werden:

zwischen offenen Emax 2 Leistungsschalter, ausgestattet mit Ekip Touch- und Ekip Hi-Touch-Auslöseeinheiten.
Die erreichbare begrenzende Selektivitätsgrenze ist gleich dem Icw
Is = Icw

zwischen Tmax T4L, T5L und T6L Kompaktleistungsschaltern mit PR223 EF Auslöseeinheiten.
Die erreichbare begrenzende Selektivitätsgrenze ist 100 kA
Is = 100kA

Dann ist es möglich, durch das S51/P1 Kontaktmodul eine Kette der Zonenselektivität zwischen Tmax und Emax 2 zu erstellen. Es ist auch möglich, eine Selektivitätskette zu implementieren, die ABB Mittelspannungsschutzvorrichtungen enthält.

Funktionsprinzip der Zonenselektivität zwischen ABB Leistungsschaltern:

Wenn Stromwerte vorhanden sind, die ihre Einstellung überschreiten, sendet jede Schutzvorrichtung ein Sperrsignal (über eine direkte Verbindung oder einen Bus) an die hierarchisch höhere Schutzvorrichtung (auf der Versorgungsseite in Relation zur Leistungsfließrichtung) und überprüft vor dem Auslösen, dass kein ähnliches Sperrsignal von der Schutzvorrichtung auf der Lastseite eingegangen ist. Somit wird nur der Schutz auf der Versorgungsseite sofort ausgelöst.

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