Einklang von Spannungsqualität, EMV und
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Einklang von Spannungsqualität, EMV und
ELEKTROINSTALLATION Einklang von Spannungsqualität, EMV und Personenschutz (2) NS-NETZE MIT INTEGRIERTER RUSV UND ZEP Bei der Versorgung von kontinuierlichen Fer- tigungsprozessen und Mikroprozessor-gesteuerten Anlagen müssen alle Qualitätsstörungen der versorgenden Spannung sowie mögliche EMV-Störungen ausgeschlossen sein. Den bestmöglichen Schutz gegen alle Arten von Netzstörungen bieten Niederspannungsnetze (NS-Netze) mit integrierter rotierender Diesel-USV (RUSV) und zentralem Erdungspunkt (ZEP). ZEP. In beiden NS-Teilnetzen stellt die automatische Abschaltung des einpoligen Kurzschlusses durch eine 630-A-NH-Sicherung den Worst Case bei der Sicherstellung des Personenschutzes dar. AUF EINEN BLICK SCHUTZ RUSV-Systeme bieten den bestmöglichen Schutz gegen alle Arten von ereignis- und verlaufsorientierten Störgrößen TN-SYSTEM Bei der Integration von RUSV-Systemen sollte man das NS-Netz vorzugsweise als TN-System mit ZEP ausführen Fehlerabschaltung im NS-Teilnetz mit einspeisenahem ZEP ABSCHALTBEDINGUNG Die Einhaltung der Abschaltbedingung lässt sich vergleichweise einfach berechnen Fortsetzung aus »de« 20.2014, S. 28 Gemäß DIN VDE 0100-410(VDE 0100410):2007-06 [8] ist der Schutz gegen elektrischen Schlag immer dann sichergestellt, wenn der einpolige Fehlerstrom I´´k1 größer ist als der auf die vorgeschriebene Abschaltzeit ta bezogene Abschaltstrom Ia der betreffenden Überstrom-Schutzeinrichtung. Demzufolge muss an allen Knoten des mehrfachgespeisten und zentral geerdeten NS-Netzes I´´k1 > Ia gelten. Der einpolige Fehlerstrom ist in Übereinstimmung mit DIN EN 609090(VDE 0102):2002-07 [10] zu berechnen. Nach [10] wird der kleinste einpolige Fehlerstrom berechnet mit: I"k1 = c min ⋅ 3 ⋅U nN Z1 +Z2 +Z (1) 0 Um den kleinsten einpoligen Fehlerstrom mit Hilfe von Gleichung (1) zu berechnen, müssen alle Systemparameter des auf sicheren Personenschutz zu kontrollierenden Netzgebildes bekannt sein. Das in Bild 2 dargestellte 20- / 0,4-kV-Netz mit integrierter RUSV und ZEP erfüllt die vorgenannte Anforderung. Dieses exemplarische TN-EMV-System besteht aus zwei Teilsystemen, das heißt aus einem Teilsystem mit einspeisenahem und aus einem Teilsystem mit einspeisefernem Die Stromquellen dieses NS-Teilnetzes sind der Verteilungstransformator T01 und der kontinuierlich arbeitende Motor-Generator MG des RUSV-Systems. Die Fehlerstromverteilung für den Worst Case im NS-Teilnetz mit einspeisenahem ZEP (einpoliger Kurzschluss L1-Gehäuse in NSUV1, Fehlerort F1-E) zeigt Bild 4: Sowohl der Verteilungstransformator als auch das RUSVSystem liefern einen Beitrag zum einpoligen Gesamtkurzschlussstrom. Bei der Ermittlung des einpoligen Gesamtkurzschlussstromes besteht die alleinige Herausforderung darin, die Mit-, Gegen- und Nullimpedanz der Koppeldrossel D einfach und hinreichend genau in die Kurzschlussstromberechnung einzubeziehen. Wegen des Impedanzverhältnisses R1-D << X1-D muss man nur die Kurzschlussreaktanzen X1a-D, X1b-D und X1c-D im Mitsystem berechnen. Für deren Berechnung lassen sich auf ABSCHALTSTRÖME Abschaltbedingung I"K1 > Ia Abschaltströme Ia in A bezogen auf die normativ vorgeschriebenen Abschaltzeiten ta Ausgewählte Bemessungsströme In von Siemens-NH-Sicherungen in A 80 100 160 200 250 315 400 500 630 800 1 000 1 250 5s 425 580 125 715 950 1 250 1650 2 200 2 840 3 800 5 100 7 000 9 500 13 000 18 200 1s 595 812 1 001 1 330 1 750 2 310 3 080 3 976 5 320 7 140 9 800 13 300 0,4 s 723 986 1 216 1 615 2 125 2 805 3 740 4 828 6 460 8 670 11 900 16 150 22 100 0,2 s 850 1 160 1 430 1 900 2 500 3 300 4 400 5 680 7 600 10 200 14 000 19 000 26 000 Tabelle 2: Abschaltströme Ia von Siemens-NH-Sicherungseinsätzen bezogen auf die gemäß DIN VDE 0100-410(VDE 0100-410):2007-06 [8] vorgeschriebenen Abschaltzeiten ta 34 de 21.2014 ELEKTROINSTALLATION der Grundlage der Rechenregeln nach VDE 0102 für Dreiwicklungs-Transformatoren und Kurzschlussstrom-Begrenzungsdrosseln nachfolgende Gleichungen anwenden. Es ist: 1 ⋅ (ur X-ab + ur X-ac − ur X-bc ) 2 1 = ⋅ (ur X-bc + ur X-ab − ur X-ac ) 2 1 = ⋅ (ur X-ac + ur X-bc − ur X-ab ) 2 u aX-D = ub X-D uc X-D (2) Wegen des Minusgliedes in den Gleichungen (2) kann eine der Reaktanzen X1a,b,c-D der Koppeldrossel negativ werden. X 1a,b,c-D = u a,b,c X-D / % 100 ⋅ UrD (3) 3 ⋅ IrD Die mit Gleichung (3) berechenbaren Reaktanzen gelten nicht nur im Mit-, sondern auch im Gegen- und Nullsystem [10]. Für die Berechnung aller weiteren Betriebsmittelimpedanzen des NS-Teilnetzes mit einspeisenahem ZEP können die hinreichend bekannten Gleichungen der DIN EN 60909-0(VDE 0102):2002-07 [10] verwendet werden. Die Kenntnis der galvanisch wirksamen Fehlerschleife (Bild 4) und der sie bildenden Kurzschlussimpedanzen der Betriebsmittel erlaubt die Entwicklung des komplexen Ersatzschaltbildes der Komponentensysteme für die einpolige Fehlerstromberechnung bei Fehler F1-E (Bild 5). Unter Berücksichtigung des Impedanzverhältnisses Bild 4: Stromverteilung für die automatische Fehlerabschaltung bei einem einpoligen Kurzschluss im NS-Teilnetz mit einspeisenahem ZEP (Fehler F1-E) und durch Anwendung der Rechenregeln für die Zusammenfassung komplexer Einzelwi- Z 1-Q + Z 1-K01 + Z 1-T01 + Z 1a-D >> Z 1-G + Z 1c-D Komponentensysteme R1-G R1-Q jX1-Q R1-K01 jX1-K01 R2-G jX2-Q jX1a-D jX1c-D a c jX1b-D b R2-K01 jX2-K01 jX0-Q Nullsystem (0) R0-K01 jX0-K01 jX1-K1 F1-E jX2-G R2-T01 jX2-T01 jX2a-D jX2c-D a c jX2b-D b R2-K1 jX2-K1 F1-E Z2-TNS Gegensystem (2) ≡ Mitsystem (1) Z2-E01 R0-Q R1-K1 Z1-TNS Z1-E01 Mitsystem (1) R2-Q Komplexe Widerstände jX1-G R1-T01 jX1-T01 R0-G jX0-G R0-T01 jX0-T01 jX0a-D a Z0-E01 derstände zu einem komplexen Ersatzwiderstand des Fehlerstromkreises ist eine Verein- jX0c-D jX0b-D c b R0-K1 jX0-K1 Z0-TNS F1-E R1(2)-Q jX1(2)-Q R1(2)-K01 jX1(2)-K01 R1(2)-T01 jX1(2)-T01 R0-T01 jX0-T01 jX1(2)(0)a-D jX1(2)(0)b-D jX1(2)(0)c-D R1(2)-G jX1(2)-G R0-G jX0-G R1(2)-K1 jX1(2)-K1 R0-K1 jX0-K1 R0-Q jX0-Q R0-K01 jX0-K01 0,0000144 Ω 0,0003997 Ω 0,0000038 Ω 0,0000025 Ω 0,00042 Ω 0,00382 Ω 0,00042 Ω 0,00363 Ω 0,03616 Ω 0,00516 Ω – 0,00437 Ω 0,00075 Ω 0,00498 Ω 0,00075 Ω 0,03044 Ω 0,00187 Ω 0,00348 Ω 0,0132 Ω 0,01553 Ω irrelevant Bild 5: Vollständiges komplexes Ersatzschaltbild der Betriebsmittelwiderstände und Komponentensysteme für die Berechnung des einpoligen Fehlerstromes (Fehlerort F1-E, einspeisenaher ZEP) www.elektro.net 35 ELEKTROINSTALLATION Komponentensysteme R1-E01(2) jX1-E01(2) R1-TNS jX1-TNS F1(2)-E Mitsystem (1) R2-E01(2) jX2-E01(2) Komplexe Widerstände und Fehlerstrom R1(2)-E01 jX1(2)-E01 R0-E01 jX0-E01 R1(2)-E02 jX1(2)-E02 R0-E02 jX0-E02 R1(2)-TNS jX1(2)-TNS R0-TNS jX0-TNS R0-Q jX0-Q R0-K01(2) jX0-K01(2) R2-TNS jX2-TNS I"k1 Gegensystem (2) ≡ Mitsystem (1) F1(2)-E R0-E01(2) jX0-E01(2) R0-TNS jX0-TNS F1(2)-E jX0-K01(2) R0-K01(2) cmin 3 UnN jX0-Q R0-Q " = Ik1 Nullsystem (0) cmin ⋅ 3 ⋅UnN (2 ⋅ R1-E01(2) + R0-E01(2) + 2 ⋅ R1-TNS + R0-TNS ) 2 + (2 ⋅ X 1-E01(2) + X 0-E01(2) + 2 ⋅ X 1-TNS + X 0-TNS ) 2 (4) |I"k1| Fehlerort F1-E F2-E 0,00075 Ω – 0,00577 Ω – 0,00034 Ω – 0,02091 Ω – – 0,00045 Ω – 0,00423 Ω – 0,03155 Ω – 0,04638 Ω 0,00187 Ω 0,00348 Ω 0,01320 Ω 0,01553 Ω Die Nullresistanzen und -reaktanzen des vorgelagerten 20-kV-Netzes sind wegen der Verwendung von Verteilungstransformatoren der Schaltgruppe Dyn5 irrelevant für die Berechnung des NS-seitigen einpoligen Fehlerstromes I"k1 11 336 A 7 173 A Bild 6: Vereinfachtes komplexes Ersatzschaltbild der Betriebsmittelwiderstände und Komponentensysteme für die Berechnung des einpoligen Fehlerstromes (Fehlerort F1-E und F2-E) fachung der in Bild 5 dargestellten Ersatzschaltung möglich. Die dementsprechend vereinfachte Ersatzschaltung für den zu überprüfenden Fehlerstromkreis F1-E zeigt Bild 6. Diese Ersatzschaltung zugrunde le- gend, berechnet sich der minimale einpolige Fehlerstrom nach Gleichung 4. Bei einem einpoligen Kurzschluss am Fehlerort F1-E (Bild 4) beträgt der minimale Fehlerstrom I´´k1 = 11 336 A. Zur Sicherstellung des Personenschutzes muss dieser Fehlerstrom größer als der Abschaltstrom der 630-A-NH-Sicherung sein. Ausgewählte Abschaltströme von NH-Sicherungen enthält Tabelle 2. In Verteilungsstromkreisen mit ortsfesten Betriebsmitteln ist eine vereinbarte Abschaltzeit von ta ≤ 5 s erlaubt [8]. Der auf die normativ erlaubte Abschaltzeit von ta ≤ 5 s bezogene Abschaltstrom der 630-A-NH-Sicherung beträgt Ia = 5 100 A (Tabelle 2). Wie gefordert, ist der minimale einpolige Fehlerstrom größer als dieser Abschaltstrom. Weil die Abschaltbedingung I´´k1 > Ia auch im Worst Case eingehalten wird, bietet das NSTeilnetz mit einspeisenahem ZEP einen hinreichend sicheren Personenschutz. Fehlerabschaltung im NS-Teilnetz mit einspeisefernem ZEP Bild 7: Stromverteilung für die automatische Fehlerabschaltung bei einem einpoligen Kurzschluss im NS-Teilnetz mit einspeisefernem ZEP (Fehler F2-E) 36 Einen hinreichend sicheren Personenschutz muss auch das NS-Teilnetz mit einspeisefernem ZEP bieten. Die Stromquelle dieses NSTeilnetzes ist der Verteilungstransformator T02. Die Fehlerstromverteilung für den Worst Case im NS-Teilnetz mit einspeisefernem ZEP (einpoliger Kurzschluss L1-Gehäuse in NS-UV2, Fehlerort F2-E) ist in Bild 7 dargestellt. Wie Bild 7 zeigt, fließt der einpolige Kurzschlussstrom I´´k1 nicht direkt zum Sternpunkt des einspeisenden Transformators T02 zurück. Der Fehlerstrom muss den »Umweg« über die PEN-PE-Leiterbrücke in der NS-HV1 nehmen. Dementsprechend existiert hier zusätzlich zur L1-PE-Fehlerde 21.2014 ELEKTROINSTALLATION Komponentensysteme R1-Q jX1-Q R1-K02 jX1-K02 jX2-Q SS Z1-E02 Mitsystem (1) R2-Q R1-T02 jX1-T02 Komplexe Widerstände R2-K02 jX2-K02 R0-Q jX0-Q jX1-K2 SS R2-K2 R2-T02 jX2-T02 jX2-K2 Z2-TNS Mitsystem (1) R0-K02 jX0-K02 F2-E Z1-TNS Z2-E02 Gegensystem (2) R1-K2 R0-T02 jX0-T02 R0-K12 jX0-K12 SS R0-K2 Z0-E02 Nullsystem (0) jX0-K2 F2-E cmin ! 3 !UnN F2-E Z0-TNS R1(2)-Q jX1(2)-Q R1-K02 jX1-K02 R1(2)-T02 jX1(2)-T02 R0-T02 jX0-T02 R0-K12 jX0-K12 R1(2)-K2 jX1(2)-K2 R0-K2 jX0-K2 R0-Q jX0-Q R0-K02 jX0-K02 0,0000144 Ω 0,0003997 Ω 0,0000115 Ω 0,0000076 Ω 0,00042 Ω 0,00382 Ω 0,00042 Ω 0,00363 Ω 0,03113 Ω 0,04275 Ω 0,00187 Ω 0,00348 Ω 0,01320 Ω 0,01553 Ω irrelevant Bild 8: Vollständiges komplexes Ersatzschaltbild der Betriebsmittelwiderstände und Komponentensysteme für die Berechnung des einpoligen Fehlerstromes (Fehlerort F2-E, einspeiseferner ZEP) schleife des TN-S-Stromkreiskabels K2 eine Fehlerschleife, die eine Kombination aus dem PE- und PEN-Leiter des Verbindungskabels K12 ist. Diese zusätzliche PE-PEN-Fehlerschleife erhöht ausschließlich die Impedanz des Rückleiters. Deshalb ist sie rechnerisch im Nullsystem zu berücksichtigen. Es ist: Z 0-K12 = R0-K12 + j X 0-K12 1 ' ' ⋅ lK12 ⋅ (R0-PE + R0-PEN ) 4 1 ' ' = ⋅ lK12 ⋅ ( X 0-PE ) + X 0-PEN 4 R0-K12 = X 0-K12 (5) Unter Berücksichtigung von Z0-K12 zeigt Bild 8 das vollständige komplexe Ersatzschaltbild der Betriebsmittelwiderstände und Komponentensysteme für den Fehler F2-E. Durch Anwendung der Rechenregeln für die Reihenschaltung komplexer Einzelwiderstände lässt sich dieses Ersatzschaltbild zu dem in Bild 6 dargestellten vereinfachen. Die komplexen Impedanzwerte aus dem vereinfachten Ersatzschaltbild in Gleichung (4) eingesetzt, ergeben einen minimalen einpoligen Kurzschlussstrom von I´´k1 = 7 173 A bei Fehler F2-E. Dieser stärker gedämpfte einpolige Fehlerstrom ist ebenfalls größer als der 5-sAbschaltstrom der 630-A-NH-Sicherung von Ia = 5 100 A (Tabelle 2), das heißt auch das NS-Teilnetz mit einspeisefernem ZEP bietet einen hinreichend sicheren Personenschutz. Zusammenfassung Einen bestmöglichen Schutz gegen alle Arten von ereignis- und verlaufsorientierten 38 Störgrößen der Spannungsqualität bieten RUSV-Systeme. Bei der Integration von RUSV-Systemen in die Stromversorgung ist das NS-Netz zur Vermeidung von EMV-Störungen vorzugsweise als TN-System mit ZEP auszuführen. In dezentral-mehrfachgespeisten NS-Netzen ist der ZEP für mindestens eine Stromquelle ein einspeiseferner ZEP. Für die Stromquellen mit einspeisefernem ZEP stellt der Rückleiter jeder Fehlerschleife eine, den einpoligen Kurzschlussstrom stark dämpfende, Kombination aus PE- und PENLeiter dar. Der gedämpfte einpolige Kurzschlussstrom lässt sich durch Berücksichtigung der zusätzlichen PE-PEN-Leiterimpedanz im Nullsystem berechnen. Die auf der Anwendung der symmetrischen Komponentensysteme beruhende Fehlerstromberechnung bietet eine einfache Möglichkeit, die Einhaltung der Abschaltbedingung für den Schutz gegen elektrischen Schlag zu überprüfen und so einen sicheren Personenschutz in NS-Netzen mit integrierter RUSV und ZEP zu garantieren. Literatur [1] Kiank, H. u. Fruth, W. : Planungsleitfaden für Energieverteilungsanlagen – Konzeption, Umsetzung und Betrieb von Industrienetzen. Erlangen: Verlag Publicis Publishing, 2011 [2] Piller Group GmbH, Osterode, Deutschland : www.piller.com [3] Klein, S. : Herausforderung EMV: Aufbau richtlinienkonformer Netzwerke. de 79 (2004) H. 20, S. 40-45 [4] DIN VDE 0100-100(VDE 0100100):2009-06 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 1: Allgemeine Grundsätze, Bestimmungen allgemeiner Merkmale, Begriffe. Berlin, Offenbach: VDE Verlag [5] Kiank, H. : EMV und Personenschutz in mehrfachgespeisten NS-Industrienetzen. etz 126 (2005) H. 11, S. 44-49 [6] Bender GmbH & Co. KG, Grünberg, Deutschland : www.bender-de.com [7] DIN VDE 0100-460(VDE 0100460):2002-08 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4: Schutzmaßnahmen – Kapitel 46: Trennen und Schalten. Berlin, Offenbach: VDE Verlag [8] DIN VDE 0100-410(VDE 0100410):2007-06 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag. Berlin, Offenbach: VDE Verlag [9] Siemens AG, Erlangen, Deutschland: www.siemens.de/simaris [10] DIN EN 60909-0(VDE 0102):2002-07 Kurzschlussströme in Drehstromnetzen. Berechnung der Ströme. Berlin, Offenbach: VDE Verlag. AUTOR Dr.-Ing. Hartmut Kiank VDE, ist Principal Key Expert für Stromversorgungsanlagen bei Siemens in Erlangen de 21.2014