Post on 21-Oct-2020
Confidential Property of Schneider Electric |
Schneider Electric GmbH
Field Service – Netzplanung
Steinheimer Straße 117
63500 Seligenstadt
Dr. Thomas Weber
Leiter Netzplanung
E-Mail: thomas.weber@schneider-electric.com
Tel.: +49 (0)6182 81 - 1237
Page 1
Kurzschlussstromberechnungen
Ludwar Elektrobau
Hausmesse
Gerolzhofen, 21.09.2016
Sebastian Rabanus
Product Application Engineer Schutztechnik
E-Mail: sebastian.rabanus@schneider-electric.com
Tel.: +49 (0)6182 81 - 1547
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 2
Kurzschlussstromberechnungen Übersicht
• Kurzschlussstromberechnungen nach VDE 0102
• Aktueller Stand der Neuauflage VDE 0102
• Hintergrund und Begriffe
• Vorgehensweise
• Kurzschlussfestigkeit von Schaltanlagen
• Bedeutung des dreipoligen maximalen Kurzschlussstroms
• Auswirkungen auf die Auslegung der Betriebsmittel
• Kurzschlussstrombegrenzungsmaßnahmen
Confidential Property of Schneider Electric | Page 2
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 3
Kurzschlussstromberechnungen nach VDE 0102 Aktueller Stand der Neuauflage VDE 0102
• VDE 0102 Teil 0 ist die deutsche Fassung der IEC 60909-0
• VDE 0102 gilt für die Berechnung von Kurzschlussströmen
• in Niederspannungs-Drehstromnetzen
• in Hochspannungs-Drehstromnetzen
• für Betriebsfrequenzen von 50 Hz und 60 Hz
• für Spannungen bis 550 kV
• VDE 0102 gilt nicht für die Berechnung von Kurzschlussströmen
• für Kurzschluss-Prüffelder
• für Anlagen auf Schiffen
• für Anlagen in Flugzeugen
Page 3
Neu:
2016
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 4
Kurzschlussstromberechnungen nach VDE 0102 Hintergrund
• Warum diese Überarbeitung der Norm ?
• IEC 60909-0:2016: „This edition includes the following significant technical
changes with resprect to the previous edition:
– Contribution of windpower station units to the short-circuit current;
– Contribution of power station units with full size converters to the short circuit current;
– New document structure. “
• Mit der neuen Ausgabe der Norm
• ist die Basis für nationale Normen geschaffen (VDE 0102),
• beginnt die Sammlung von Verbesserungsvorschlägen erneut,
• besteht u.a. Klarheit über die Anforderungen an Netzberechnungswerkzeuge
Confidential Property of Schneider
Electric
Page 4
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 5
Kurzschlussstromberechnungen nach VDE 0102
Begriffe
• Anfangs-Kurzschlusswechselstrom
• Anfangs-Kurzschlusswechselstromleistung
• Ausschaltwechselstrom
• Thermisch gleichwertiger Kurzschlussstrom
• Stoßkurzschlussstrom
• Dauerkurzschlussstrom
Confidential Property of Schneider
Electric
Page 5
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 6
Kurzschlussstromberechnungen nach VDE 0102
Begriffe
• Anfangs-Kurzschlusswechselstrom
• Anfangs-Kurzschlusswechselstromleistung
• Ausschaltwechselstrom
• Thermisch gleichwertiger Kurzschlussstrom
• Stoßkurzschlussstrom
• Dauerkurzschlussstrom
Confidential Property of Schneider
Electric
Page 6
Effektivwert des
Kurzschlussstroms im
Augenblick des
Kurzschlusseintritts
"
k22 I"
kI
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 7
Kurzschlussstromberechnungen nach VDE 0102 Begriffe
• Anfangs-Kurzschlusswechselstrom
• Anfangs-Kurzschlusswechselstromleistung
• Ausschaltwechselstrom
• Thermisch gleichwertiger Kurzschlussstrom
• Stoßkurzschlussstrom
• Dauerkurzschlussstrom
Confidential Property of Schneider
Electric
Page 7
"
kn3 IU"
kS
Produkt aus Anfangs-
Kurzschlusswechselstrom
und Netznennspannung
"
kI
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 8
Kurzschlussstromberechnungen nach VDE 0102 Begriffe
• Anfangs-Kurzschlusswechselstrom
• Anfangs-Kurzschlusswechselstromleistung
• Ausschaltwechselstrom
• Thermisch gleichwertiger Kurzschlussstrom
• Stoßkurzschlussstrom
• Dauerkurzschlussstrom
Confidential Property of Schneider
Electric
Page 8
Effektivwert eines Stroms mit
der gleichen thermischen
Wirkung und der gleichen
Dauer wie der tatsächliche
Kurzschlussstrom, der einen
Gleichstromanteil enthalten
und mit der Zeit abklingen
kann
thI
"
kI
"
kS
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 9
Kurzschlussstromberechnungen nach VDE 0102 Begriffe
• Anfangs-Kurzschlusswechselstrom
• Anfangs-Kurzschlusswechselstromleistung
• Ausschaltwechselstrom
• Thermisch gleichwertiger Kurzschlussstrom
• Stoßkurzschlussstrom
• Dauerkurzschlussstrom
Confidential Property of Schneider
Electric
Page 9
Maximal möglicher
Augenblickswert des zu
erwartenden
Kurzschlussstroms
pi
pi"kI
thI
"
kS
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 10
Kurzschlussstromberechnungen nach VDE 0102 Vorgehensweise
• Verwendung von symmetrischen Komponenten
• Anreiz: Einpolige Nachbildung des Drehstromnetzes im Mitsystems
– Voraussetzung 1: symmetrischer Aufbau des Netzes
– Voraussetzung 2: symmetrischer Betrieb des Netzes
• Anreiz: Darstellung unsymmetrischer Zustände durch „Baukasten“
– Symmetrischer Zustand: Mitsystem
– Unsymmetrischer Zustand ohne Erdberührung: Mit- und Gegensystem
– Unsymmetrischer Zustand mit Erdberührung: Mit-, Gegen- und Nullsystem
• Anreiz: Einfache Anwendbarkeit
– Einfache Bereitstellung der erforderlichen Daten der Betriebsmittel
– Berechnungen per Hand häufig möglich (in einfachen Fällen)
Confidential Property of Schneider
Electric
Page 10
w
I(1)L2 I(1)L3
I(1)L1
w
I(2)L1
I(2)L2 I(0)L1 I(0)L2 I(0)L3
I(2)L3
Mitsystem
Gegensystem
Nullsystem
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 11
Kurzschlussstromberechnungen nach VDE 0102 Vorgehensweise
• Methode der Ersatzspannungsquelle
an der Kurzschlussstelle
• Schritt 1: Vom Übersichtsbild zum Modell
– Nachbildung der Betriebsmittel
– Nachbildung als R/X-Elemente (Innenimpedanz)
– Nachbildung der Einspeisung als Quelle
– Nachbildung der Topologie
• Schritt 2: Einführung der Ersatzspannungsquelle
– Ideale Spannungsquelle im Mitsystem
– Einzige wirksame Spannungsquelle im Netz
– Einführung des Faktors c
– Ansatz ohne Leistungsfluss mit Fehlertoleranz +/- 5 %
Confidential Property of Schneider
Electric
Page 11
3
NU ~
1
1 1
NtZ
Nt NtR jX
1
1 1
TtZ
Tt TtR jX
1
1 1
tFZ
tF tFR jX ´́3kI
*
3
Nc U
1
1 1
NtZ
Nt NtR jX
1
1 1
TtZ
Tt TtR jX
1
1 1
FtZ
Ft FtR jX ´́3kI
~
Netzeinspeisung
380 kV
380/110kV
Leitung
Kurzschlussstelle
k3
n
400 kV / 110 kV
400 kV
"
k3I
"
k3I
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 12
Confidential Property of Schneider
Electric
Page 12
Kurzschlussfestigkeit von Schaltanlagen Bedeutung des dreipoligen maximalen Kurzschlussstroms
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 13
Kurzschlussfestigkeit von Schaltanlagen Bedeutung des dreipoligen maximalen Kurzschlussstroms
• Wesentliche Problemstellungen und Ansätze
• Verhältnisse bei Kurzschlusseintritt sind grundsätzlich nicht vorhersehbar
=> Abschätzung des kritischsten Zustands
• Anzahl der denkbaren Fehlerszenarien ist nicht begrenzt
=> Beschränkung auf die „wesentlichen“ Kurzschlussfälle
• Anforderungen
• Einfache Modelle der Betriebsmittel und Netzstrukturen
=> soweit möglich und technisch sinnvoll
• Berechnungsverfahren
=> einheitliche Definition und Vergleichbarkeit der Ergebnisse
Page 13
Kurzschlussströme
sind Verursacher
der stärksten
Beanspruchungen
der Betriebsmittel
in Energieversorgungsnetzen.
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 14
Kurzschlussfestigkeit von Schaltanlagen Bedeutung des dreipoligen maximalen Kurzschlussstroms
• Berechnung der maximalen und minimalen Kurzschlussströme
• zur Bemessung / Überprüfung der Bemessung von Betriebsmitteln
• zur Definition von Schutzeinstellparametern
• zur Auswahl von Sicherungsgrößen
• zur Überprüfung des Hochlaufs von Motoren
• Berechnung dreipoliger maximaler Kurzschlussströme
• Mechanische Beanspruchungen durch die Kraftwirkung des elektrischen
Stroms z.B. auf Isolatoren oder Stromschienen
• Thermische Beanspruchungen durch Wärmeentwicklung z.B. in den
Kabelsystemen, Transformatorwicklungen und Schaltanlagenräumen
Confidential Property of Schneider
Electric
Page 14
Ziel der Norm ist es,
ein allgemeines,
gut handhabbares
und kurzes
Verfahren festzulegen,
das mit
ausreichender
Genauigkeit
zu Ergebnissen
auf der
sicheren Seite
führt.
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 15
Kurzschlussfestigkeit von Schaltanlagen Bedeutung des dreipoligen maximalen Kurzschlussstroms
• Kurzschlussstromberechnungen nach VDE 0102
• Was machen wir ?
– Ermittlung der dreipoligen maximalen Kurzschlussströme
– Thermisch gleichwertige Kurzschlussströme Ith
– Stoßkurzschlussströme ip
– Ermittlung der maximal zulässigen Kurzschlussdauer
– Ermittlung der minimalen Kurzschlussströme
• Warum machen wir das ?
– Überprüfung der Kurzschlussfestigkeit der Schaltanlagen
– Überprüfung der Kurzschlussfestigkeit der Kabelsysteme
– Ermittlung von Basisgrößen für die Netzschutzanalyse
Confidential Property of Schneider Electric | Page 15
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 16
Kurzschlussfestigkeit von Schaltanlagen Bedeutung des dreipoligen maximalen Kurzschlussstroms
• Netzschutzanalyse / Selektivitätsanalyse
• Was machen wir ?
– Nachbildung der Netzschutzeinrichtungen
– Berechnung erforderlicher Kurzschlussströme
– Ermittlung der vorhandenen Selektivität
– Überprüfung der Funktion der Einstellparameter
– Erstellen von Strom-Zeit-Diagrammen
• Warum machen wir das ?
– Feststellung der vorhandenen Selektivität
– Nachweis der Selektivität
– Ermittlung von Empfehlungen für die Einstellparameter
Confidential Property of Schneider Electric | Page 16
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 17
Kurzschlussfestigkeit von Schaltanlagen Bedeutung des dreipoligen maximalen Kurzschlussstroms
• Netzschutzanalyse / Selektivitätsanalyse
• Was machen wir ?
– Nachbildung der Netzschutzeinrichtungen
– Berechnung erforderlicher Kurzschlussströme
– Ermittlung der vorhandenen Selektivität
– Überprüfung der Funktion der Einstellparameter
– Erstellen von Strom-Zeit-Diagrammen
• Warum machen wir das ?
– Feststellung der vorhandenen Selektivität
– Nachweis der Selektivität
– Ermittlung von Empfehlungen für die Einstellparameter
Confidential Property of Schneider Electric | Page 17
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 18
Kurzschlussfestigkeit von Schaltanlagen Auswirkungen auf die Auslegung der Betriebsmittel
• Transformatoren
• Einfluss der Kurzschlussspannung („hart“ / „weich“)
• Auswirkungen auf Schutzeinstellungen (stromselektiv / zeitselektiv)
• Schaltanlagen
• Berücksichtigung von Reserven
• Beachte: Überschreitung bei „kurzfristigen“ Schaltungen möglich
• Kabel
• Thermisch maximal zulässige Kurzschlussdauer
• Einfluss auf die Schutzeinstellungen
• Beachte: Auslegung nach Belastung und Kurzschlussstrom
Confidential Property of Schneider
Electric
Page 18
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 19
Kurzschlussfestigkeit von Schaltanlagen Kurzschlussstrombegrenzungsmaßnahmen
• Möglichkeiten in der Projektierungsphase
• Maßnahme 0: Anpassung der geplanten Schaltanlage
– Kurzschlussfestigkeit der Anlage gegeben
– Problem: evtl. sind unterlagerte Anlagen noch betroffen
• Maßnahme 1: Kurzschlussspannung des Transformators
– Kurzschlussfestigkeit der Anlage gegeben
– Unterlagerte Anlagen können berücksichtigt werden
– Problem: Spannungsfall im „weichen Netz“
• Maßnahme 2: Netzaufteilung
– Öffnen einer Kupplung
– Öffnen einer Vermaschung
• Möglichkeiten nach Fertigstellung
• Maßnahme 3: Kurzschlussstrombegrenzungsdrossel
– Einhaltung der Kurzschlussfestigkeit
– Problem: Spannungsfall und Verluste
• Maßnahme 4: Is-Begrenzer
– Einhaltung der Kurzschlussfestigkeit
– Problem: Kosten
– Beachte: Schutzproblematik
– Vorschlag: By-Pass-Lösung mit Drossel
Page 19 Confidential Property of Schneider Electric
Kurzschlussstromberechnungen | Dr. Thomas Weber + Sebastian Rabanus
Ludwar Elektrobau – Hausmesse 2016 | Gerolzhofen | 21. September 2016
Page 20
Kurzschlussstromberechnungen Zusammenfassung und Ausblick
• VDE 0102 als Grundlage der Kurzschlusssstromberechnung
• Neue Ausgabe 2016
• Wesentliche Neuerung im Bereich EEG
• Anforderung: Einhaltung der Kurzschlussfestigkeit
• Randbedingung der Projektierung
• Randbedingung des Betriebs
• Grundlage für die Personensicherheit
• Anforderung: Basiswerte für Netzschutzanalyse
• Minimale Kurzschlussströme
• Einhaltung der Abschaltbedingungen
• Ermittlung von Selektivität
Page 20 Confidential Property of Schneider Electric |