Selektivität in Niederspannungsnetzen
Einleitend stellt sich die Frage nach der Bedeutung der Selektivität in elektrotechnischen Anlagen und Systemen sowie welche Auswirkungen eine unzureichende Selektivität offenbaren. Zur Erlangung der Kenntnis möglicher Auswirkungen stellt sich zunächst fest, dass Selektivität bezogen auf elektrotechnische Anlagen und Netze, die Auslösung von Kurzschluss- und Überstromschutzeinrichtungen welche in kaskadierter Schutzgeräteanordnung der Fehlerquelle unmittelbar vorgelagert - sicherstellt. Demnach muss hier die am Fehler nahe Schutzeinrichtung ansprechen. Es bedarf daher einer präzisen Koordination und Bemessung der Schutzeinrichtungen innerhalb der Planungsphase.
Aufteilung in Rubriken
Selektivität unterscheid man in die nachfolgend wichtigsten Rubriken:
- Totale Selektivität
- Vollselektivität
- Teilselektivität
- Stromselektivität
- Zeitselektivität
Unter Totale Selektivität beschreibt man Schutzeinrichtungen, welche unmittelbar vor dem Fehler angeordnet sind und bis zu ihrem Kurzschlussausschaltvermögen Icu der Schutzwirkung genügen, ohne das vorgeschalte Schutzeinrichtungen ansprechen [ Isel > Icu ].
Vollselektivität in einem Stromkreis bedeutet, dass bis zum (an der Einbaustelle definierten) maximalen Kurzschlussstrom Ikmax das unmittelbar vor dem Fehler angeordnete Schutzorgan anspricht, ohne das vorgeschalte Schutzeinrichtungen ansprechen [ Isel > I‘‘kmax ].
Als Teilselektiv werden Schutzeinrichtungen definiert, welche bis zur Selektivitätsgrenze einen bestimmten Kurzschlussstrom gewähren, ohne das vorgeschalte Schutzeinrichtungen ansprechen [ Isel < I‘‘kmax ].
Eine Stromselektivität liegt dann vor, wenn bei unterschiedlich hohen Überströmen unverzögerte Schutzeinrichtungen auslösen
[ Isel = I‘‘kmin ].
Von Zeitselektivität spricht man, wenn bei einem gleich hohen Überstrom zu unterschiedlichen Zeitpunkten die verzögerten Schutzeinrichtungen auslösen [ Isel = I‘‘kmin ].
Normative Vorgaben
Selektivität in allgemeinen kann der DIN VDE nicht entnommen werden. Einzige Ausnahme betrifft Anlagen und Einrichtungen, welche als Sicherheitsrelevant (Sicherheitszwecke), sowie Anlage und Einrichtungen mit einem hohen Maß an Verfügbarkeit wie bspw. Medizinische Einrichtungen - dienen. Eine entsprechende Nachweispflicht der korrekten Bemessung und Koordination ist für diese Anlagen unabdingbar. Diese Normen sind:
DIN VDE 0100-530 Fassung 2018-06; DIN VDE 0100-560 Fassung 2021-08; DIN VDE 0100-705 Fassung 2007-10; DIN VDE 0100-710 Fassung 2012-10; DIN EN 60947-2 (VDE 0660-101) Fassung 2018-05 und DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1) Fassung 2012-06
Selektivität und Ausfallschutz
Selektivität in elektrischen Anlagen und Netzen verhindert ungewollte Ausfälle und minimiert signifikant Schaden an Betriebsmittel. Durch die Steigerung der Versorgungssicherheit, so dass nur das für den fehlerbehafteten Stromkreis zuständige Schutzorgan angesprochen wird, führt dies nicht zum unmittelbaren, weitrechenden Ausfall der technischen Anlagen.
Üblich integrierte Schutzeinrichtungen
Schmelzsicherungen (F)
Schmelzsicherungen bestehen aus einem Schmelzleiter, welcher in einen mit Quarzsand befüllten Porzellankörper mittig positioniert ist. Die an den Schmelzleiter verbundenen Kopf- und Fußkontakte schließen bei installierter Sicherung den Stromkreis.
Erwärmt sich dieser nun durch ansteigende Stromstärke aufgrund eines Fehlers (Kurzschluss) exponentiell, oder durch eine Überlastung teils linear führt dies zur Unterbrechung des Schmelzleiters und der Stromkreis wird geöffnet. Die Dimensionierung des Schmelzleiters richtet sich nach dem Bemessungsstrom für welchen die jeweilige Sicherung konzipiert wurde.
Leitungsschutzschaltern (LSS)
Die Konzeption von Leitungsschutzschalter oder LS-Schalter besteht aus einer automatischen Auslöseeinrichtung, welche für den Überlastschutz einen thermischen Bimetall-Auslöser und für den Kurzschlussschutz eine elektromagnetische Schnellauslösung integriert hat. Beide Auslöser wirken unabhängig voneinander und führen zur Trennung des Stromkreises.
Hingegen zur Schmelzsicherung können Leitungsschutzschalter nach einer Auslösung wieder eingeschaltet werden und müssen nicht (es sei denn diese sind defekt) ersetzt werden.
Leistungsschaltern (LS)
Die Leistungsschalter sind wesentliche Bestandteile von elektrotechnischen Anlagen und dienen dem Schutz für Anlagen, Transformatoren, Generatoren, Motoren und ebenfalls als Personenschutz weisen diese Schalter Anwendung auf. Diese Leistungsschalter werden als Kompaktleistungsschalter (für Abgangsschalter, Einspeiseschalter sowie verschiedene Schaltaufgaben im Niederspannungsbereich bis 1.600 A) und als offene Leistungsschalter (für Einspeiseschalter und Abgangsschalter im üblichen Bereich von 400 bis 6.300 A) unterschieden. Leistungsschalter ohne eine Schutzfunktion finden als Lasttrennschalter (LTS) Anwendung.
Leistungsschalter trennen allpolig (ohne Neutralleiter N) im Fehlerfall den Stromkreis und erteilen differenzierte Meldungen über den jeweiligen Auslösegrund. Sind diese Schalter mit einer Motorselbstschalteinrichtung ausgestattet, können diese über nach und Fern wieder eingeschaltet werden. Die Leistungsschalter verfügen aufgrund ihrer Lasttrenneigenschaften sowie der damit zu schaltenden hohen Ströme über eine entsprechend ausgelegte Funkenlöschkammer sowie einem Stromwandler an der Einspeisung, welcher bei Überschreitung des Nennstroms sowie über den elektromechanischen Auslöser die Auslosemechanik in Betrieb setzt und den Stromkreis öffnet.
Anwendung von Selektivitätsbedingungen
Nach der Einführung in die verschiedenen üblichen Schutzeinrichtungen wird nachfolgend ein Teilbereich eines Beispielnetz von einer Gewerbeimmobilie visuell dargestellt. Es bildet sich eine Niederspannungsversorgung, gespeist von zwei Transformatoren aus dem 10 kV / 350 MVA Mittelspannungsnetz (MS-Netz). Die Transformatoren sind Oberspannungsseitig mit einer Lasttrenn-Sicherungseinrichtung mit teilbereichs-HH-Sicherungen (Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen) ausgestattet. Diese lösen bei Ansprechen über das Schlagstiftsystem den Lasttrennschalter und führt zu einer allpoligen Abschaltung.
Nach der Niederspannungshauptverteilung (NSHV) wurde eine Unterverteilung mit drei Abgangsbetriebsmitteln dargestellt. Der Verbraucher „Warmwasserdurchlauferhitzer (V3) wurde direkt an über einen NH-Lasttrennschalter (Niederspannungs-Hochleistungssicherungs-Lasttrennschalter) an der NSHV angeordnet.
Es etabliert sich zum einen ein Fehler am Verbraucher „Leuchte E1“ sowie zum anderen ein Fehler an der Zuleitung des Warmwasserdurchlauferhitzers Verbraucher (V3).
Zur einfachen Ermittlung der Selektivitätsbedingungen bedarf es innerhalb der Planungsphase die Zeit-Strom-Kennlinien der jeweilig kaskadierten Überstromschutzeinrichtungen oder Schmelzintegrale miteinander vergleichen.
Zeit-Strom-Kennlinie
Eine Zeit-Strom-Kennlinie gibt grafisch in einem Koordinatensystem die Abschaltzeit der Überstromschutzeinrichtungen bei unterschiedlichem Nennstrom an. Hierbei wird auf der horizontalen Abszissenachse (x-Achse) den Nennstrom und auf der vertikalen Ordinatenachse (y-Achse) die Abschaltzeit abgebildet.
Die Abbildung 2 stellt visuell die Zeit-Strom-Kennlinie des Leitungsschutzschalters welcher dem fehlerbehafteten Verbraucher „E1-Leuchte“ gem. Abbildung 1 vorgeschalten ist – in Farbe orange dar. Als zweite Auslösekennlinie wird der NH-Sicherungs-Lasttrennschalter NS-F3 in Farbe violett abgebildet.
Die Auslösekennlinie des Leitungsschutzschutzschalters „B16A“ unterteilt sich in zwei Zonen. Zum einen der unteren Zone der elektromagnetisch dynamischen Auslösung bei einem Kurzschluss, sowie der oberen Zone der thermischen Auslösung bei einer Überlastung.
Der Leitungsschutzschalter B16A spricht im Kurzschlussfall demnach sicher beim 5-fachen des Bemessungsstromes, in diesem Fall bei 80 A in 0,01s an. Bereits ab dem 3-fachen des Bemessungsstromes, in diesem Fall 48 A kann es zum Ansprechen des LS-Schalters führen. Der thermische Überlastschutz kann bereits gem. der Zeit-Strom-Kennlinie ab einer Überlast von 2,08 A in einer Stunde zum Ansprechen des LS-Schalters führen. Sicher bei 7,2 A in einer Stunde.
Hingegen betrachten wir auf der rechten Seite die thermische Auslösekennlinie der NH-Sicherung welche ab einer Überlastung von 11,71 A innerhalb einer Stunde zur Ausführung führen kann, und ab 17,29 A innerhalb einer Stunde zur sicheren Auslösung führt.
Beide Schutzorgane sind in diesem Fall als Vollselektiv zu betrachten.
Der Lasttrennschalter des Einspeiseschalters Q1 der UV1 fand hinsichtlich der nicht integrierten Sicherheitsfunktionen keine weiter Beachtung.
Durch eine Anpassung der Abgangsstromkreise der Unterverteilung NS-UV1 wird in Folge dessen der Dreiphasenwechselstrommotor (Verbraucher V2) am Abgangsleistungsschalter F3 demontiert und aus dem Netz getrennt. Der Betreiber führt bestens „belesen“ darauf gehend ein Austausch der Abgangssicherung NS-F03 von NH000 – 32A, auf NH 000 – 20A durch. Dieser möchte im Kurzschlussfalle die resultierenden Gefahren an der NSHV reduzieren.
Die Auswirkung dieser „belesenen“ Handlung wird in nachfolgender Abbildung 2.1 in Form der bekannten Zeit-Strom-Kennlinien illustrativ abgebildet:
Resümierend aus dem Punkt „Zeit-Strom-Kennlinie“ Absatz 3 soll eine „sichere“ Auslösung des Leitungsschutzschalters B16A am Verteiler NS-UV1 Abgang F1 7,2 A Überlast in einer Stunde gewährleistet werden, im Kurzschlussfalle bereits bei 0,01s und 80 A.
Bei Erkundung und Vergleichen der Abbildung 2.1 wird unmittelbar im mittleren Bereich eine Überschneidung der Auslösekennlinien ersichtlich. Wir wissen, dass bei 80 A der B16A Leitungsschutzschalter anspricht und unmittelbar auslöst. Durch den tausch der NH-Sicherungen von 32A auf 20 A (violette Linie) wird nun bereits ein ansprechen und sicheres Auslösen der NH 000-20A Sicherung bei 68 A in 6,029s ermittelt, voraussichtlich (voraussichtlich daher, da zwischen Ansprech- und Auslösekennlinie liegt) - noch bevor der Leitungsschutzschalter B16A zur sicheren Auslösung gezwungen wird. Die Selektivität bei Überlast kann daher als aufgehoben bezeichnet werden.
Im Falle einer Überlast am Verteiler, NS-UV1 kann es daher wie zuvor beschrieben aufgrund der Selektivitätsüberschneidung zu einer Auslösung der NH-Sicherung NH000 - 20 A führen, welche zum Ausfall des Verteilers NS-UV1 führt. Der Verbraucher V1 wird demnach ebenfalls nicht mehr versorgt (der Verteiler V2 wurde ja wie zuvor beschrieben in diesem Scenario deinstalliert).
Stromwärmeintegral-Durchlassenergiekennlinie (I²t-Wert)
Der I²t-Wert steht für den Stromwärmeintegral, demzufolge für den Wärmebetrag des unbeeinflussten Kurzschlussstroms. Sozusagen steht dies für die benötigten Energie welche zur Unterbrechung des Schmelzleiter einer Sicherung erforderlich ist (Schmelzintegral). Ferner wird ebenfalls das Ausschaltintergral, sozusagen welches zum Ausschalten der Schutzeinrichtung führt angegeben. Dieser Wert enthält die Informationen der Durchlassenergie zur Ermittlung des notwendigen Schutzes dieses Sicherungsschutzorgans.
Ebenfalls von essentieller Bedeutung liegt in der Ermittlung des Stromwärmeintegrals anhand der entsprechenden Lichtbogenbildung. => Der Gesamt-I2t-Wert beinhaltet demnach auch die Lichtbogenphase, welche nicht nur durch die Schmelzsicherung alleine, sondern ebenfalls von den Stromkreisparametern beeinflusst wird.
Eine solche Stromwärmeintegral-Durchlassenergiekennlinie bildet sich wie folgt ab:
Es bildet sich eindeutig ab, dass in dem Fall der NH-000 32A-Sicherung der I²t-Wert von 6,4 kA²s bei einer Durchlassenergie von 120 kA (Kurzschlussausschaltvermögen (Icu) deutlich niedriger als bei einem Strom von 106 A (67,42 kA²s) darstellt.
Zur Verdeutlichung nachfolgend eine Durchlassenergiekennlinie aus dem Beispielnetz (Abbildung 1) fremder Leitungsschutzschalter (LSS) mit einem Bemessungsstrom von 32 A:
Diese Abbildung 4 stellt eine Durchlassenergiekennlinie eines 32A (Auslösecharakteristik B) Leitungsschutzschalters 3 polig dar. Bei einem Stromfluss von 500 A ist ein Stromwärmeintegral-Wert (I²t-Wert) von 1,5 kA²s zu ermitteln. Das Betriebsmittel-Bemessungsschaltvermögen beträgt 6 kA und 32 kA²s.
Fazit der Stromwärmeintegral-Durchlassenergiekennlinie
Je bei Schmelzsicherungen gilt je höher der Nennstrom ansteigt, desto niedriger sinkt der Stromwärmeintegral. Bei Leitungsschutzschaltern hingegen gilt, je kleiner der Nennstrom, desto kleiner der Stromwärmeintegral.
Betrachtung und Bewertung des Fehlerscenario 2
In Abbildung 1 wird ebenfalls ein Fehler 2 an der Zuleitung des Verbrauchers V3 – Warmwasserdurchlauferhitzer in Verbrauchernähe dargestellt. Der Verbraucher wurde mit einer 63 A NH 000 Sicherung in der NSHV über einen NH-Lasttrennschalter Abgang NS-F4 abgesichert. Die Vorgelagerte Sicherung stellt die Einspeisesicherung NS-F2 NH 000 der NSHV über einen NH-Lasttrennschalter dar.
Betrachten wir zu diesem Scenario die Zeit-Strom-Kennlinie:
Ersichtlich wird in diesem Scenario, dass hier eine volle Selektivität zwischen dem NH 000 – 63 A - NH-Sicherungen im Lasttrennschalter NS-F4 und den NH 000 – 80 A Sicherungen im NH-Lastrennschalter NS-F2 erreicht wird. Die Kurzschlussauslösegrenze der Sicherung NH 000 – 63 A - Sicherung liegt 1,3 kA, der Sicherung NH 000 – 80 A bei 1,6 kA. Eine sichere Auslösung erfolgt bereits nach einer Stunde bei einer „geringen“ Überlast von 29,2 A Überlast bei der 63 A NH 000 - Sicherung. Bei der NH 000 – 80 A - Sicherung liegt die sichere Überlastauslösung nach einer Stunde bei 46,9 A, demnach über dem 1,5-fachen des Bemessungsnennstromes.
Bei Reduzierung der Sicherungskenngröße in der NSHV an den Einspeise–NH-Sicherungen NS-F2 kann keine ausreichende Selektivität mehr ermittelt werden, ehe es nicht zur Reduzierung der Absicherungskenngröße des Abgangs NSHV NS-F4, in Folge einer Geräteanpassung (Reduktion der Anschlussleistung) führt.
Anwendung einer Netzplanungssoftware zur Selektivitätskoordinierung
Gerne kommt bei Fachplanungsingenieuren bei der Netzplanung eine Softwaregestützte Berechnung und Dimensionierung zum Einsatz. Das in Abbildung 1 erstellte Beispielnetz wurde zur Verdeutlichung einer solchen Softwaregestützten Planung in das Netzplanungsprogramm von Siemens „SIMARIS-Design“ integriert und in nachfolgender Abbildung 6 visuell dargestellt.
Diese Software verfügt, wie viele andere über die Funktion der Automatschen Dimensionierung der Betriebsmittel. ACHTUNG nicht immer kann das Berechnungsergebnis der Software mit den manuell erstellten Berechnungen von Hand, gerade im Bereich der Kurzschlussstromberechnung kongruieren. Daher bedarf es prinzipiell der kritischen Bewertung und Kontrolle jedem softwareermittelten Ergebnisse - zur Bestätigung der korrekten Berechnung.
Resümee
Die Bemessung und Koordination der Selektivitätsbedingungen sollten in jeder elektrischen Anlage und Netzen und nicht nur in den Anlagen für Sicherheitseinrichtungen und medizinische Einrichtungen Anwendung finden. Durch Integration der korrekten Selektivität werden Schäden an Anlagen und Einrichtungen, welche durch plötzliche Ausfälle resultieren signifikant reduziert. Selektivität wie im oberen Abschnitt erläutert bedeutet, dass nur das dem Fehler vorgeschaltete Schutzorgan anspricht und den Stromkreis unterbricht, so dass benachbarte Stromkreise nicht beeinträchtigt werden.
Anhand der Zeit-Strom-Kennlinien, welche für alle Typen von Schutzeinrichtungen, wie bspw. Leistungsschaltern, Leitungsschutzschaltern, Schmelzsicherungen, etc. von den Herstellern zur Verfügung gestellt werden kann die Selektivität der Kaskadierten Schutzeinrichtungen ermittelt und Koordiniert werden. Je umfangreicher das kaskadierte Netz aufgebaut ist, je wichtigere ist eine geeignete Selektivitätskoordination um wie zuvor beschrieben in einem Störfall (Fehlerfall) nur der vom Störfall betroffene Stromkreis ausgelöst wird.
Die Bewertung der jeweiligen Betriebsmittel-Stromwärmeintegralwerte anhand der Durchlassenergiekennlinie, zur Ermittlung des für den unbeeinflussten Kurzschlussstrom benötigte Wärmebetragswert - des unbeeinflussten Kurzschlussstrom (Schmelzintergral & Ausschaltintegral).
Bei einer softwaregestützten Planung empfiehlt der Autor die softwareerrechneten Ergebnisse kritisch zu Bewertung und händisch rechnerisch zu kontrollieren.
Weitere Methoden finden in diesem Beitrag keine Beachtung.
Literaturverzeichnis
- DIN VDE 0100-530 Fassung 2018-06
- DIN VDE 0100-560 Fassung 2021-08
- DIN VDE 0100-705 Fassung 2007-10
- DIN VDE 0100-710 Fassung 2012-10
- DIN EN 60947-2 (VDE 0660-101) Fassung 2018-05
- DIN EN 61439-1 (VDE 0660-600-1) Fassung 2012-06
Grafiken sind mittels AutoCAD, SIMARIS curves und SIMARIS design erstellt
