Die Überwachungsfunktionen

Aus Planungskompendium Energieverteilung

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Allgemeine Planungsgrundlagen – Bestimmungen – Installierte Leistung
Anschluss an das Hochspannungs-Versorgungsnetz des Netzbetreibers
Anschluss an das NS-Verteilnetz des Netzbetreibers
Auswahlhilfe HS- und NS-Verteilnetzarchitektur
Verteilsysteme in NS-Verteilnetzen
Schutz gegen elektrischen Schlag
Schutz von Stromkreisen
Schaltgeräte
Schutz bei Überspannungen und Stoßüberspannungen
Energieeffizienz in elektrischen Verteilnetzen
Blindleistungskompensation und Filterung von Oberschwingungen
Oberschwingungserfassung und - filterung
Stromversorgungen und Verbraucher besonderer Art
Solaranlagen
Wohngebäude und ähnliche Einsatzbereiche sowie besondere Orte und Bereiche
EMV-Richtlinien
Messung

Inhaltsverzeichnis


Aufgrund der besonderen Kenndaten des Generators und dessen Regelung müssen die Betriebsparameter des Ersatzstromerzeugers überwacht werden, wenn besondere Verbraucher in den Prozess integriert sind.

Das Betriebsverhalten des Generators unterscheidet sich von dem des Transformators:

  • Die von ihm gelieferte Wirkleistung wird für einen Leistungsfaktor = 0,8 optimiert.
  • Bei einem Leistungsfaktor unter 0,8 kann der Generator durch eine erhöhte Erregung einen Teil der Blindleistung liefern.

Kompensationsanlage

Bei einem nichtbelasteten Generator, der an eine Kompensationsanlage angeschlossen ist, kann es zu einer Selbsterregung des Generators kommen, wodurch sich seine Spannung erhöht.

Die zur Blindleistungskompensation verwendeten Kompenationsanlagen müssen daher abgeschaltet werden. Diese Abschaltung kann einerseits durch die Weitergabe des Ausschaltsollwertes an den Blindleistungsregler durchgeführt werden (wenn dieser an das System zur Steuerung der Netzumschaltung angeschlossen ist) oder durch Öffnen des Leistungsschalters, der die Kondensatoren versorgt.

Sind Kondensatoren weiterhin erforderlich, ist in diesem Fall keine Regelung des Relais zur Blindleistungskompensation durchzuführen (falsche und zu niedrige Einstellung).

Wiederanlauf und erneute Beschleunigung des Motors

Ein Generator kann bestenfalls im transienten Zustand einen Strom liefern, der dem 3- bis 5-Fachen seines Nennstroms entspricht.

Ein Motor nimmt ca. 6 In für 2 bis 20 s während des Anlaufs auf.

Ist die Summe der Motorleistungen hoch, erzeugt das gleichzeitige Einschalten von Verbrauchern einen hohen Einschaltstrom, der zu Beschädigungen führen kann: großer Spannungsfall aufgrund des hohen Wertes der Transienten- und Subtransienten-reaktanzen des Generators (20 % bis 30 %). Es besteht das Risiko:

  • eines Nichtanlaufens von Motoren,
  • eines Temperaturanstieges durch die längere Anlaufzeit aufgrund des Spannungsfalls,
  • einer Auslösung der thermischen Schutzeinrichtung.

Desweiteren kommt es durch den Spannungsfall zu Störungen in dem durch Ersatzstromversorgung betriebenen Netz.

Anwendung

(siehe Abb. N7)

Abb. N7Wiederanlauf ersatzstromberechtigter Motoren (ΣP > 1/3 Pn)

Ein Generator versorgt eine Anzahl von Motoren.

Kurzschlusskenndaten des Ersatzstromgenerators:

Sn = 130 kVA; Leistungsfaktor: 0,8; In = 150 A = Pn = 104 kW

x’d = 20 % (z.B.), daher Isc = 750 A.

  • Die Σ PMotoren beträgt 45 kW (45 % der Generatorleistung)

Berechnung des Spannungsfalls beim Anlauf:

PMotoren = 45 kW, In = 81 A bei cos φ = 0,8; daher ein Anlaufstrom Id = 480 A für 2 bis 20 s.

Spannungsfall an der Sammelschiene für gleichzeitige Motoranläufe:

<math>\frac {\Delta U}{U}=\left ( \frac{I_d-I_n}{I_{sc}-I_n} \right ) in\ \%\ ,</math>

∆U = 55 %

Dieser Wert ist für Motoren nicht zulässig (Anlaufstörung).

  • Die Σ PMotoren beträgt 20 kW (20 % der Generatorleistung)

Berechnung des Spannungsfalls beim Anlauf:

Σ Motoren = 20 kW, In = 36 A bei cos φ = 0,8; daher ein Anlaufstrom Id = 210 A für 2 bis 20 s.

Spannungsfall an der Sammelschiene:

<math>\frac {\Delta U}{U}=\left ( \frac{I_d-I_n}{I_{sc}-I_n} \right ) in\ \%\ ,</math>

ΔU = 10 % Dieser Wert ist hoch, jedoch zulässig (je nach Verbrauchertypen).

Hinweise zum Wiederanlauf

  • Ist Pmax des größten Motors > , <math style="vertical-align:-85%;"> \frac{1}{3}P_n,</math>ist ein Sanftanlasser in diesen Motorstromkreis einzubauen.
  • Ist die Σ PMotoren > ,<math style="vertical-align:-85%;"> \frac{1}{3}P_n,</math> muss ein kaskadierter Wiederanlauf der Motoren durch eine SPS gesteuert werden.
  • Ist die Σ PMotoren < , <math style="vertical-align:-85%;"> \frac{1}{3}P_n,</math>ist ein problemloser Wiederanlauf möglich.

Nichtlineare Verbraucher – Beispiel einer USV-Anlage

Nichtlineare Verbraucher

Die wichtigsten nichtlinearen Verbraucher sind:

  • gesättigte magnetische Kreise,
  • Entladungslampen, Leuchtstofflampen,
  • elektronische Stromrichter,
  • EDV-gestützte Systeme: PC, Computer usw.

Diese Verbraucher erzeugen Oberschwingungen. Bei einer Versorgung durch einen Ersatzstromgenerator kann es aufgrund der niedrigen Kurzschlussleistung des Generators zu hohen Spannungsverzerrungen kommen.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage (USV)

(siehe Abb. N8)

Abb. N8Kombination Ersatzstromgenerator - USV-Anlage zur Erhöhung der Versorgungssicherheit

Die Kombination aus USV-Anlage und Ersatzstromgenerator ist die beste Lösung zur Gewährleistung einer qualitativ hohen Versorgungssicherheit mit einer langfristigen eigenständigen Versorgung ersatzstromberechtigter Verbraucher bei Fehlern in der Netzversorgung des Netzbetreibers.

Die USV ist aufgrund des Eingangsgleichrichters als ein nichtlinearer Verbraucher zu betrachten. Bei Netzumschaltung müssen auch bei USV-Betrieb das Einschalten und der Anschluss des Ersatzstromgenerators möglich sein.

Leistung der USV-Anlage

Die Einschaltleistung einer USV-Anlage muss Folgendes berücksichtigen:

  • Nennleistung der nachgeschalteten Verbraucher:
Dies ist die Summe der von jeder Anwendung aufgenommenen Scheinleistungen S. Weiterhin müssen zur Vermeidung einer Überdimensionierung der Anlage die Überlastfestigkeiten auf USV-Ebene betrachtet werden (z.B.: 1,5 In für 1 Minute und 1,25 In für 10 Minuten)
  • Die Leistung zum Wiederaufladen der Batterie:
Dieser Strom ist proportional zu der für eine gegebene Leistung erforderlichen Autonomiezeit der USV-Anlage. Der Sr-Wert einer USV wird bestimmt durch:
Sr = 1,17 x Sn

Abbildung N9 legt die Einschaltströme und Schutzeinrichtungen zur Versorgung des Gleichrichters (Netz 1) und des Reservenetzes (Netz 2) fest.

Nennleistung Sn (kVA) Stromwert (A)
Netz 1 mit 3Ph-Batterie 400 V - I1 Netz 2 oder 3Ph-Anwendung 400 V - Iu
40 86 60,5
60 123 91
80 158 121
100 198 151
120 240 182
160 317 243
200 395 304
250 493 360
300 590 456
400 793 608
500 990 760
600 1180 912
800 1648 1215

Abb. N9Einschaltstrom zur Versorgung des Gleichrichters und des Ersatznetzes

Kombination Ersatzstromgenerator/USV-Anlage

  • Erneutes Einschalten des Gleichrichters bei Betrieb eines Ersatzstromgenerators:
Der Gleichrichter der USV-Anlage sollte mit einer Vorrichtung zum Sanftanlauf des Gleichrichters ausgerüstet werden, um die Kompatibilität mit dem Ersatzstromgenerator sicherzustellen (siehe Abb. N10).

Abb. N10Sanftanlauf eines USV-Gleichrichters Typ 2

  • Oberschwingungen und Spannungsverzerrung
Die gesamte Spannungsverzerrung τ wird definiert durch:
τ(%) = <math> \frac {\sqrt {\Sigma U^{\ 2}_{h}}}{U_1} </math>
wobei Uh die Oberschwingungsspannung der Ordnung h ist.
  • Dieser Wert hängt ab von:
    • den vom Gleichrichter erzeugten Oberschwingungsströmen (proportional zur Leistung Sr des Gleichrichters),
    • der subtransienten Reaktanz X”d des Generators,
    • der Leistung Sg des Generators.

Wir definieren <math>U^{'}R_{sc}\ (\%)= X^{}_d\ \frac{S_r}{S_g}</math> als die generatoreigene Kurzschlussspannung, bezogen auf die Gleichrichterleistung, d.h. t = f(U’R sc).

Anmerkung 1: Da die subtransiente Reaktanz groß ist, ist die harmonische Verzerrung, verglichen mit dem Toleranzwert (7 bis 8 %), normalerweise für eine angemessene wirtschaftliche Dimensionierung des Generators zu hoch: Eine geeignete und kostengünstige Lösung ist die Anwendung eines entsprechenden Filters.

Anmerkung 2: Die harmonische Verzerrung wirkt nicht schädigend auf den Gleichrichter, kann jedoch schädigend auf die anderen Verbraucher wirken, die parallel zum Gleichrichter versorgt werden.

Anwendung

Zur Bestimmung der Verzerrung τ bezogen auf U’Rsc wird ein Diagramm verwendet (siehe Abb. N11).

Abb. N11Diagramm zur Berechnung der harmonischen Verzerrung 3. Ordnung

Das Diagramm gibt an:

  • entweder τ als Funktion zu U’Rsc
  • oder U’Rsc als Funktion zu τ

Somit kann die Dimensionierung (Sg) des Generatorsatzes durchgeführt werden.

Beispiel: Generatordimensionierung

  • 300 kVA-USV-Anlage ohne Filter, subtransiente Reaktanz von 15 %
Die Leistung Sr des Gleichrichters beträgt Sr = 1,17 x 300 kVA = 351 kVA.
Für eine τ < 7 % gibt das Diagramm an: U’Rsc = 4 %, Leistung Sg beträgt:
<math style="vertical-align:-75%;">S_g=351 \times \frac{15}{4}\approx 1320</math>  kVA
  • 300 kVA-USV-Anlage ohne Filter, subtransiente Reaktanz von 15 %
Für eine τ = 5 % gibt die Berechnung an: U’Rcc = 12 %, Leistung Sg beträgt:
<math style="vertical-align:-75%;">S_g=351 \times \frac{15}{12}\approx 440</math>  kVA

Anmerkung: Mit einem vorgeschalteten 630 kVA-Transformator an der 300 kVA-SV-Anlage ohne Filter erhält man einen Wert von 5 %.

Folglich muss der Betrieb mit einem Ersatzstromgenerator kontinuierlich auf Oberschwingungsströme geprüft werden.

Ist die harmonische Verzerrung der Spannung zu groß, ist die Verwendung eines Filters im Netz die wirkungsvollste Lösung, um eine Verzerrung zu erhalten, die für empfindliche Verbraucher zulässig ist.