s PSD01 Gesteuertes Schalten von Hochspannungs-Leistungsschaltern Gesteuertes Schalten Transiente Ausgleichsvorgänge beim Schalten von kapazitiven und induktiven Lasten stellen elektrodynamische und dielektrische Belastungen für die Betriebsmittel im Hochspannungsnetz dar. Gesteuertes Schalten mit dem Steuergerät PSD01 von Siemens minimiert diese Beanspruchungen. Folgende Vorteile ergeben sich beim Einsatz dieses Steuergerätes: Erhöhung der Betriebssicherheit des Netzes aufgrund reduzierter Spannungsschwankungen und geringerer Oberschwingungsbeanspruchung Verlängerung der Lebensdauer von Betriebsmitteln durch Reduzierung von Schaltüberspannungen und Inrush-Strömen Möglicher Ersatz kostenintensiver, komplexer mechanischer Zusatzeinrichtungen, wie z.B. Einschaltwiderstände Die Intensität der Ausgleichsvorgänge betrieblicher Schalthandlungen hängt von der Phasenlage zum Schaltzeitpunkt ab. Ein ungesteuerter Leistungsschalter schaltet die drei Phasen im annähernd gleichen Zeitpunkt zu oder ab. Durch den willkürlichen Schaltzeitpunkt und die Phasenverschiebung der drei Phasen zueinander ergeben sich daher zufällige Phasenlagen. Dementsprechend variieren die Ausgleichsvorgänge in den einzelnen Phasen, jedoch sind im Allgemeinen in wenigstens einer Phase ungünstige Schaltbedingungen zu erwarten. Gesteuertes Schalten ermöglicht für jeden Schalterpol einen individuellen Schaltzeitpunkt. Die Ausgleichsvorgänge werden dadurch auf ein Minimum reduziert. Bei Leistungsschaltern mit drei unabhängigen Antrieben erhält jeder Schalterpol ein individuelles Schaltkommando durch das Steuergerät. U [%] U [%] 200 200 100 100 0 0 2 1 0 20 40 Schalten einer kapazitiven Last 1 Einschaltzeitpunkt optimiert 2 Einschaltzeitpunkt nicht optimiert 2 Gesteuertes Schalten Geringe Beanspruchung der Betriebsmittel Bei ungesteuerter Einschaltung einer Kondensatorbatterie im Spannungsscheitel können sich hohe InrushStröme und Überspannungen ergeben, die ein Vielfaches der Nennwerte erreichen können. Dadurch werden die Kondensatoren mechanisch und dielektrisch stark beansprucht und altern vorzeitig. In dessen Folge können Kondensatoren beschädigt oder zerstört werden. Das Einschalten zum optimalen Einschaltzeitpunkt schont die Kondensatorbatterie und verbessert die Spannungsqualität des Netzes. 60 80 t [ms] 0 20 40 60 80 t [ms] Das ungesteuerte Einschalten einer Drosselspule mit Eisenkern oder eines Transformators in der Nähe des Spannungsnulldurchganges hat einen sehr hohen Gleichstromanteil zur Folge. Der dabei entstehende Induktionsfluss treibt den Eisenkern in die Sättigung und ruft einen Inrush-Strom hervor, der eine starke Belastung für die Transformatoren und Drosselspulen darstellt. Mit gesteuertem Schalten zum Stromnulldurchgang werden auch hier Ausgleichsvorgänge vermieden und die Betriebsmittel geschont. Beim ungesteuerten Ausschalten induktiver Lasten wie Kompensationsdrosseln oder Transformatoren kann der Leistungsschalter kleine Ströme bereits vor dem natürlichen Nulldurchgang unterbrechen. Dieser als Stromabriss bezeichnete Vorgang führt an der Induktivität zu Überspannungen. Diese können ein Durchzünden der Schaltstrecke zur Folge haben, wenn in diesem Moment der Abstand zwischen den Schalterkontakten noch nicht ausreicht, um der dielektrischen Beanspruchung standzuhalten. Dabei entstehen zwangsläufig hohe Überspannungen. Auch hier schafft gesteuertes Schalten Abhilfe. Durch Optimierung des Ausschaltzeitpunkts werden Wiederzündungen verhindert und die Überspannungen minimiert. I [%] I [%] 1000 1000 500 500 0 0 2 1 0 In den beschriebenen Fällen können bei ungesteuertem Ein oder Ausschalten erhöhte Beanspruchungen der Betriebsmittel auftreten. Einschaltwiderstände und Drosselspulen, die bisher zur Verringerung dieser Beanspruchungen eingesetzt wurden, können entfallen. Gesteuertes Schalten bietet eine wirtschaftliche Alternative. 20 40 60 80 t [ms] 0 20 40 60 80 t [ms] Schalten eines Transformators 1 Einschaltzeitpunkt optimiert 2 Einschaltzeitpunkt nicht optimiert 3 Steuergerät Die Einschaltung wird mit optimaler Phasenlage zur Spannung vorgenommen. Die Phasenlage wird in Abhängigkeit vom jeweiligen Schaltfall so gewählt, dass Ausgleichsvorgänge vermieden werden. Beim Ausschalten kleiner induktiver Ströme wird die Kontakttrennung in bezug auf den Stromverlauf so gesteuert, dass der Kontaktabstand bei der Unterbrechung ausreichend groß ist, um Wiederzündungen zu verhindern. Spannungswandler Stromwandler Messwerte (Sammelschiene/ Abzweig) Messwerte Alarme Kommandos EIN/AUS PSD01 Nulldurchgangs-Erkennung Berechnung der Eigenzeiten Berechnung der Verzögerungszeit Datenerfassung und -auswertung Sensoren - Auslöserspannung - Umgebungstemperatur - Hydraulikdruck (nur für Hydraulikantriebe) - Referenzkontakt Hilfsschalter Steuerspannung Leistungsschalter 4 Netzschutz Schaltwarte Personal Computer Inbetriebsetzung und Instandhaltung Einbindung in die Gesamtanlage Das Steuergerät PSD01 wird so in die Anlagensteuerung eingebunden, dass die aus Betriebsgründen ausgelösten Schaltbefehle verarbeitet werden. Ausschaltkommandos, die aufgrund von Kurzschlüssen durch den Netzschutz ausgelöst werden, werden direkt an die Auslöser des Leistungsschalters weitergegeben. In diesen Fällen erfolgt keine Steuerung des Schaltzeitpunktes. Auslöser EIN/AUS Kommandos Bypass - Nur in Absprache mit dem Hersteller Unter Berücksichtigung der Momentanwerte optimiert das Steuergerät PSD01 die Schalthandlungen von Leistungsschalten hinsichtlich der Phasenlage zu Strom oder Spannung. Beim gesteuerten Schalten werden die aktuellen Eigenzeiten des Leistungsschalters berücksichtigt. Schutzauslösungen werden direkt an den Leistungsschalter gegeben. Auslöser AUS (Schutz) Merkmale des Steuergerätes PSD01 Das Steuergerät PSD01 zeichnet sich durch umfangreiche Funktionen aus. Es bietet die Möglichkeit, den Ein- und Ausschaltzeitpunkt für jeden Schalterpol individuell vorzugeben und einzustellen. Mit Hilfe von 2 getrennt konfigurierbaren Parametersätzen im Steuergerät ist es möglich, einen Leistungsschalter zu steuern, der für 2 verschiedene Schaltaufgaben eingesetzt wird. Die automatische Auswahl zwischen den beiden Schaltaufgaben im Betrieb erfolgt über einen Modeeingang. Das Steuergerät PSD01 ist für den Einsatz mit allen HochspannungsLeistungsschaltern geeignet. Dazu gehören auch bereits installierte Leistungsschalter, die eine Mindeststabilität ihrer Eigenzeiten sowie bei Einschaltungen eine ausreichend steile Vorüberschlagskennlinie aufweisen. Zum Ausgleich möglicher Abweichungen in den Eigenzeiten eines Leistungsschalters bietet das Steuergerät PSD01 zwei Funktionen, um die beabsichtigte Ein- oder Ausschaltung in jedem Fall zum optimierten Zeitpunkt auszuführen: Das PSD01 kompensiert die Abhängigkeit der Ein- und Ausschalteigenzeit von der Umgebungstemperatur und der Steuerspannung. Bei hydraulisch angetriebenen Schaltern wird auch die Antriebsenergie (Hydraulikdruck) berücksichtigt. Dabei kann zwischen verschiedenen Kompensationscharakteristiken gewählt werden. Die Funktion Adaptive Steuerung ermöglicht die Selbstanpassung des Steuergerätes an veränderte Schaltereigenschaften, bspw. mit Hilfe von Referenzkontakten. Die Referenzkontakte bilden das Schließen bzw. Öffnen der Hauptschaltstrecke des Leistungsschalters nach. 5 Funktionen Um den Erfolg der gesteuerten Schaltungen und die eigenen Funktionen zu überprüfen besitzt das PSD01 umfangreiche Monitoring- und Auswertungsfunktionen: Auswertung von bis zu 4 Spannungskanälen und 3 Stromkanälen Beurteilung des erfolgreichen Ein- oder Ausschaltens ist möglich Erfassung der letzten 4 Schalthandlungen als Oszillogramm. Dabei werden die an allen Ein- und Ausgängen anliegenden Signalverläufe aufgezeichnet. Dazu gehören die Strom- und Spannungsverläufe sowie die zeitlichen Verläufe der Schaltkommandos (Eingänge von der Warte und Ausgänge an den Leistungsschalter) und der Referenzkontaktsignale. Die Oszillogramme werden in einem gepufferten Speicher abgelegt und stehen damit auch nach Spannungsunterbrechungen zur Verfügung. Komfortable grafische Auswertung sämtlicher aufgezeichneter Signalverläufe von Schalthandlungen mit Hilfe von Windowskompatibler Software. Einzelerfassung der Schaltstellungen der Schalterpole mit Überwachungsfunktion durch 4 Hilfsschaltereingänge. Erfassung der wichtigsten Daten von ungefähr 400 Ereignissen und Schaltungen durch die History-Funktion. In der History werden die Daten zyklisch und ereignisgesteuert erfasst und in einem nicht-flüchtigen Speicher abgelegt. Eingabemöglichkeit von Grenzwerten für die einzelnen Parameter (bspw. Frequenz, Spannungen, Temperatur). Wenn Grenzwerte über- bzw. unterschritten werden, wird dieses durch einen Alarm angezeigt. Ausgabe von Fehlermeldungen (Alarme), bspw. wenn eine Schaltung nicht erfolgreich verlaufen ist, kein Nulldurchgang der Referenzspannung erkannt wurde oder ein Eingangssignal ausgefallen ist. Überwachung der Sensoren, der Hardware und der Spannungsversorgungen. Erfahrung Unsere jahrelange Erfahrung beim Einsatz und der Entwicklung von Steuergeräten ist in die Entwicklung des PSD01 eingeflossen. Das Steuergerät PSD01 wurde umfangreichen elektrischen, mechanischen und Klima-Prüfungen entsprechend unterzogen. Die EMV-Prüfung gemäß IEC 61000 und IEC 60255 und die Prüfung auf geringe Störaussendung gemäß EN 55011 wurden erfolgreich absolviert. Klimaprüfungen und mechanische Prüfungen nach IEC 60068 und IEC 60255 weisen die uneingeschränkte Funktions-tüchtigkeit auch unter störenden Umwelteinflüssen nach. 6 Technische Daten Gehäuse: 42HP/3U HF-Baugruppenträger mit gelochten Abdeckblechen Schutzgrad: IP2 Höhe: 133, 35 mm (3U) Breite: 219 mm (9,5) Tiefe: 225 mm Gewicht: 4 kg (269 mm mit Haltewinkel) Umgebungsbedingungen: - 40 °C bis +70 °C Freie Luftkonvektion, nichtkondensierend Spannungsversorgung: Spannung: 42...360 Vdc Leistungsaufnahme: 15 W Netzausfallüberbrückung, verpolungssicher, kurzschluss-, leerlauf- und überlastsicher, Spannungsausfall-Überwachung Analogeingänge: 1x Temperatur 3x Öldruck 3x Reserve 4...20 mA, 24 V 4...20 mA, 24 V 4...20 mA, 24 V interne Versorgung 1x Steuerspannung 1x EIN-Auslöserspannung 1x AUS-Auslöserspannung 0...300 Vdc 0...300 Vdc 0...300 Vdc gleiche Bezugsmasse, isoliert 4x Spannungswandler 3x Stromwandler 0...212 Vac ± 12,5 Adc f 0=1 kHz, R in=2,4 MW, isoliert f0=1 kHz, R in=10 mW, isoliert, 100 A, 5 ms, I max=14 Adc Digitaleingänge: 1x MODE 1x AUX-Schließer Pol A 1x AUX-Schließer Pol B 1x AUX-Schließer Pol C 1x AUX-Öffner POL ABC 1x EIN-Kommando 1x AUS-Kommando 32...300 Vdc, Rin=20 kW, verpolungssicher, isoliert 3x Referenzkontakt 4...20 mA, 24 V Ausgänge: interne Versorgung 3x Leistungsausgänge EIN 3x Leistungsausgänge AUS 24...300 Vdc, 20 A, 2,5 s oder 25 A, 200 ms (90°C), Imax=35 A, Kurzschluss-Abschaltzeit < 10 µs 8x Relaiskontakt 1 Wechslerkontakt, Schaltleistung 2000 VA Dauerstrom 8 A, Arbeitsbereich 300 Vdc, 0,5 A 8x LED-Anzeige Kommunikationsschnittstellen: DTE/DCE-Kommunikation 2x EIA RS-232, DTE, 115000/57000 bps, serielles Modem, SUB-D9 Auflösung, Abtastrate: 10 kHz, 10 Bit, 250 ms, Sensoreingänge 1 s, 10 Bit Schaltgenauigkeit: 0,1 ms System: 16-Bit Microcontroller - C167CR, 20 MHz, RTC, 512K SRAM, 512K FLASH, Kondensator-gepuffert Anschlusstechnik: COMBICOM PHOENIX-Kontaktsystem Empfohlener Anschlussquerschnitt: 2,5 mm² Typ MSTB 2,5/..-STF, 0,2-2,5 mm², AWG 24-12 1 x 6polig, 8 x 16polig Zubehör: 1x Serielles Modemkabel 7 Für weitere Informationen Faxen Sie diese Seite bitte an folgende Nummer: Fax +49 30 386-25867 Name Position Firma Straße PLZ/Ort/Land Telefon/Telefax E-mail Bitte senden Sie mir nähere Informationen zu folgenden Themen: Produktspektrum Freiluft-Leistungsschalter Leistungschalter mit Federspeicherantrieb von 72,5 bis 420 kV (Typ 3AP1/2) Live-Tank und Dead-Tank Leistungsschalter Leistungsschalter mit Elektrohydraulikantrieb von 245 bis 550 kV (Typ 3AT2/3) Elektrohydraulischer Antrieb SF6 in der Energietechnik - Verantwortlich handeln Weitere Exemplare dieser Broschüre Bereich Power Transmission and Distribution Geschäftsgebiet Hochspannung Nonnendammallee 104 D-13629 Berlin E-mail: [email protected] http://www.ev.siemens.de/de/leistungsschalter/index.htm Siemens Aktiengesellschaft Änderungen vorbehalten Bestell-Nr. 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