Um die Stabilität zu gewährleisten und Schäden an der Anlage zu vermeiden, benötigen moderne Stromnetze eine zuverlässige und selektive Fehlerisolierung. Eine der wirksamsten und am häufigsten eingesetzten Schutzeinrichtungen für Übertragungsleitungen ist das Distanzrelais.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Überstromrelais, die bei jedem Zustand auslösen, der zu einem übermäßigen Strom führt, und dabei weder Geschwindigkeit noch Genauigkeit bieten, messen Distanzrelais die Impedanz zwischen dem Relais und dem Fehlerpunkt und sorgen so für Geschwindigkeit und Genauigkeit des Schutzschemas.
Was ist ein Distanzrelais?
Distanzrelaisschutz ist Teil des Relaisschutzes in Stromversorgungssystemen, der Fehler anhand der Entfernung zwischen Relais und Fehlerpunkten erkennt und isoliert. Im Gegensatz zu Überstromrelais, die nur auf die Stromstärke reagieren, misst ein Distanzrelais die Impedanz der Leitung, die je nach Entfernung zum Fehlerpunkt variiert. Unterschreitet die gemessene Impedanz einen für eine bestimmte Zone festgelegten Wert, zeigt dies den Fehler an, der normalerweise die Auslösung des Relais auslöst.
Der Begriff „Impedanzrelais“ wird oft synonym für Distanzrelais verwendet, da die Grundidee auf der Messung der Leitungsimpedanzen beruht. Daher eignet sich dieser Relaistyp zum Schutz von Übertragungsleitungen, bei denen schnelles Arbeiten und genaue Fehlerortung unerlässlich sind.
Diese Geräte werden in Hochspannungs-Umspannwerken von Distanzschutzrelais installiert, die lange Leitungen vor den Auswirkungen von Kurzschlüssen, Leitungs-Erdschlüssen und anderen anormalen Bedingungen schützen sollen.
Wenn Sie sich also nach Distanzrelais erkundigen: Dabei handelt es sich um intelligente Fehlererkennungsgeräte, die die Zuverlässigkeit und Selektivität beim Schutz moderner Stromversorgungssysteme verbessern.
Distanzrelais-Diagramm
Ein Diagramm eines Distanzrelais beschreibt die Funktionsweise des Relais basierend auf der Impedanzmessung in einem Stromnetz. Der allgemeine Aufbau zeigt die Relaiseinheit, Spannungs- und Stromwandler (VT und CT) sowie eine Übertragungsleitung.
Eine grundlegende Beschreibung eines Distanzrelaisdiagramms lautet wie folgt:
• CTs und VTs: Führen Sie Messungen von Leitungsstrom und -spannung durch.
• Relaiseinheit: Sie berechnet die Impedanz Z=V / I
• Impedanzzonen: Definierte Bereiche, die bestimmen, ob ein Fehler im Auslösebereich liegt.
• Auslösekreis: Wird aktiviert, wenn der betreffende Fehler innerhalb einer bestimmten Impedanzzone liegt.
Anwendungen von Distanzrelais
Distanzrelais sind die Lebensader von Hochspannungsleitungen. Sie sind speziell für den Schutz von Hochspannungsleitungen vorgesehen. Da Fehler anhand der Leitungsimpedanz und nicht nur anhand von Strom- oder Spannungswerten erkannt werden, bieten Distanzrelais einen hervorragenden selektiven und zuverlässigen Schutz.
Schutz von Übertragungsleitungen
Distanzschutzrelais werden am häufigsten zum Schutz von Frei- und Erdleitungen vor Fehlern wie Leiter-Erde-, Leiter-Leitung- oder Dreiphasen-Kurzschlüssen eingesetzt.
Backup-Schutz für Transformatoren und Generatoren
Distanzrelais dienen als Reserveschutz bei Ausfall von Differenzial- oder Überstromschutzsystemen. Sie gewährleisten die Isolierung fehlerhafter Komponenten in komplexen Netzsystemen.
Schutz langer Zuleitungen
Distanzrelais bieten zonenbasierten Schutz zur schnellen und effektiven Isolierung von Fehlern in Zuleitungsleitungen über große Entfernungen im ländlichen Raum.
Mehrzonen-Fehlererkennung
Diese Relais arbeiten in mehreren Zonen mit bestimmten Zeitverzögerungseinstellungen. Diese Zoneneinteilung funktioniert in komplexen Systemen, die eine Überlappung von Schutz- und Backup-Funktionen erfordern.
Verbindungsleitungen in Stromnetzen
Da unsere Stromnetze immer stärker miteinander verknüpft sind, werden Impedanzrelais für die Aufrechterhaltung der Netzstabilität immer wichtiger, indem sie fehlerhafte Leitungen erkennen und isolieren, um Kettenausfälle zu verhindern.
HGÜ- und EHV-Systeme
In Hochspannungs-Gleichstrom- und Höchstspannungsnetzen arbeiten flinke Distanzrelais für den distanzsensitiven Schutz zuverlässig in jeder erforderlichen Situation.
Funktionsprinzip des Distanzrelais
Das Distanzrelais funktioniert basierend auf der Messung der Impedanzce (Z) vom Standort des Relais zum Fehlerort auf der Übertragungsleitung. Da die Impedanz direkt proportional zur Entfernung entlang der Leitungslänge ist, kann das Relais sehr gut abschätzen, wie weit ein bestimmter Fehler von ihm entfernt ist.
Wenn die berechnete Impedanz unter einen vordefinierten Schwellenwert fällt, stellt das Relais fest, dass innerhalb seiner Schutzzone ein Fehler vorliegt, und sendet ein Auslösesignal, um den fehlerhaften Abschnitt zu isolieren.
Funktionsweise des Produkts
Eingangssignale
Das Distanzrelais empfängt Spannungs- und Stromeingänge von Spannungstransformatoren (VTs) und Stromtransformatoren (CTs), die auf der Leitung installiert sind.
Impedanzberechnung
Die Impedanz wird mit der folgenden Formel berechnet: Z = V / I, wobei V die Spannung und I der Strom ist, berechnet das Relais kontinuierlich die Impedanz der zu schützenden Leitung.
Zonenvergleiche
Die gemessene Impedanz wird mit den eingestellten Werten verglichen, die mit der zu vergleichenden Zone (Zone 1, Zone 2, Zone 3) übereinstimmen. Jede Zone verfügt über einen bestimmten Entfernungsbereich, der mit ihrer Arbeitszeit verknüpft ist.
Reiseempfehlungen
Fällt die Impedanz in den Bereich einer Zone, gibt das Distanzschutzrelais ein Auslösesignal aus:
• Zone 1: Sofortige Auslösung bei nahegelegenen Fehlern.
• Zone 2 und 3: Zeitverzögerte Auslösung bei Fernfehlern oder Backup-Schutz.
Richtungselement (falls erforderlich):
Einige Relais verfügen über ein Richtungselement, beispielsweise das MHO-Relais, um zu prüfen, ob der Fehler in Vorwärtsrichtung vorliegt. Dadurch sollen Fehlfunktionen vermieden werden.
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Arten von Distanzrelais
Distanzrelais lassen sich nach der Eigenschaft des Relais klassifizieren, mit der das Vorhandensein und der Ort des Fehlers festgestellt werden. Jeder Typ verhält sich anders, abhängig von Impedanz, Reaktanz, Admittanz oder dem Zeitfaktor im Betrieb. Die Distanzrelaistypen sind für die Auswahl eines Schutzsystems für verschiedene Teile des Stromnetzes von Bedeutung.
Impedanzrelais
Ein Impedanzrelais wird aktiviert, wenn die zwischen Relaisposition und Fehler gemessene Impedanz unter einem festgelegten Wert liegt. Es handelt sich um eine der einfachsten Arten von Distanzschutzrelais, üblicherweise als Ringrelais in der RX-Ebene (Resistance-Reactive-Ebene) charakterisiert.
Impedanzrelais haben keine Richtungscharakteristik und können daher nicht allein zwischen Vorwärts- und Rückwärtsfehlern unterscheiden, es sei denn, sie werden durch ein Richtungselement ergänzt.
Reaktanzrelais
Das Reaktanzrelais arbeitet ausschließlich mit dem Reaktanzanteil der Impedanz. Daher eignet es sich besonders zur Erkennung hochohmiger Fehler, bei denen der Widerstandsanteil eine Rolle spielt. Seine Betriebskennlinie ist eine Gerade parallel zur R-Achse in der Impedanzebene.
Reaktanzrelais werden üblicherweise zum Schutz vor Erdschlüssen auf kurzen Leitungen eingesetzt, wo man davon ausgehen könnte, dass die Widerstandskomponenten die ordnungsgemäße Funktion anderer Relais beeinträchtigen.
Zulassung oder MHO-Relais
Das grundlegende Funktionsprinzip eines MHO-Relais (Admittanzrelais) besteht bekanntlich darin, dass es einen Betriebszustand erzeugt, sobald die gemessene Admittanz den Grenzwert überschreitet. Dies hat eine kreisförmige Richtungscharakteristik, die durch den Ursprung im RX-Diagramm verläuft.
Daher handelt es sich hierbei um ein Richtungsrelais, das sich aufgrund seiner für Anwendungen zur Fehlerrichtungserkennung erforderlichen Funktionen sehr gut für lange Übertragungsleitungen und Verbindungen eignet. MHO-Relais werden im Allgemeinen für die meisten modernen Arten digitaler Distanzrelaissysteme verwendet.
Definitive Distanzrelais
Ein Relais mit definierter Distanz löst aus, sobald die gemessene Impedanz einen bestimmten Wert unterschreitet, jedoch ohne beabsichtigte Zeitverzögerung. Es handelt sich daher um den schnellsten Schutz und wird hauptsächlich für den Schutz der Zone 1 (sofort) eingesetzt, wo Fehler wahrscheinlich in der Nähe des Relaisstandorts auftreten. Sie bieten klare und starre Grenzen für Auslöseentscheidungen und eine sehr einfache Koordination.
Zeitdistanzrelais
Zeitdistanzrelais kombinieren impedanzbasierten Betrieb mit einem Zeitverzögerungselement. Je weiter der Fehler vom Relaisstandort entfernt ist (d. h. je höher die Impedanz), desto länger dauert die Auslösung des Relais.
Diese Zeitstaffelung ermöglicht eine bessere Koordination mit nachgelagerten und vorgelagerten Relais und ist daher ideal für Mehrzonen-Schutzsysteme.
Vorteile von Distanzrelais
Distanzrelais bieten im Wesentlichen zahlreiche praktische Vorteile und gehören zu den am häufigsten verwendeten Schutzeinrichtungen in Hochspannungsübertragungssystemen. Solche Relaistypen misst die elektrische Distanz im Gegensatz zu Strom und Spannung. Daher sind sie sehr genau und zuverlässig unter nahezu allen Fehlerbedingungen.
Hauptvorteile von Distanzschutzrelais:
Selektive Fehlerisolierung
Distanzrelais isolieren nur den fehlerhaften Leitungsabschnitt und sorgen so für minimale Störungen im restlichen Stromnetz. Diese selektive Auslösefunktion verbessert die Systemstabilität und die Betriebskontinuität.
Schnelle und effektive Operationen
Während das Distanzschutzrelais bei nahegelegenen Fehlern in Zone 1 nahezu augenblicklich anspricht, erfolgt eine isolierte Trennung und begrenzt so den Schaden an der Ausrüstung.
Zonenweiser Schutz
Mehrzonen-Distanzrelais bieten eine hervorragende Lösung für abgestuften Schutz auf kurzen, mittleren und langen Distanzen. Diese Flexibilität ermöglicht eine einfache Koordination mit benachbarten Relais und Systemen.
Nicht durch Schwankungen im Laststrom beeinträchtigt
Im Gegensatz zu Überstromrelais werden Distanzrelais nicht direkt von Lastschwankungen oder Stromstärke beeinflusst. Das bedeutet, dass die Reaktion vollständig auf der Impedanz basiert und somit eine Fehlererkennung unabhängig von den Lastbedingungen gewährleistet.
Geringerer Bedarf an Kommunikationsverbindungen
Durch die Distanzrelais sollen komplexe Kommunikationsleitungen zwischen Unterstationen vermieden oder reduziert werden, insbesondere bei der Verwendung zeitlich abgestufter Schutzzonen.
Eignung für Hochspannungsanwendungen
Distanzrelais eignen sich aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit sehr gut zum Schutz vor Ausfällen von EHV- und UHV-Übertragungsleitungen.
Fazit
Distanzrelais sind äußerst wichtige Werkzeuge für den Schutz von Stromversorgungssystemen. Sie bieten höchste Präzision, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit bei der Fehlererkennung basierend auf der elektrischen Distanz und nicht nur auf der Stromstärke. Dies erreichen sie durch Berechnung der Impedanz, präzise Bestimmung des Fehlerpunkts und Einleitung von Auslösemaßnahmen, um Störungen im System zu minimieren und höchste Sicherheit zu gewährleisten.
Es gibt verschiedene Distanzrelaistypen, darunter Impedanzrelais, Reaktanzrelais, MHO-Relais und mehr. Jedes eignet sich für unterschiedliche Schutzszenarien.
Diese weit verbreitete Anwendung in Hochspannungsnetzen unterstreicht ihren hohen Nutzen für die Netzstabilität und Betriebseffizienz. Mit der Weiterentwicklung der digitalen Relaistechnologie werden Distanzschutzrelais in zukünftigen Smart-Grid-Szenarien eine entscheidende Rolle spielen.
