Prüfung von Schutzrelais
Schutzrelais spielen in modernen Energiesystemen eine zentrale Rolle. Daher ist es unerlässlich, dass sie jederzeit zuverlässig funktionieren. Nur korrekt arbeitende Schutzrelais schützen Ihre primären Betriebsmittel vor Schäden und tragen zu einer hohen Versorgungssicherheit und Verfügbarkeit bei. Deshalb sollten Schutzrelais während ihrer gesamten Lebensdauer – von der Entwicklung über die Herstellung und Inbetriebnahme bis zur regelmäßigen Wartung während des Betriebs – immer wieder sorgfältig geprüft werden.
Herausforderungen bei der Schutzrelaisprüfung
Drei Entwicklungen führen derzeit zu einer deutlichen Zunahme an zu prüfenden Betriebsmitteln und damit zu einer ernsthaften Herausforderung für viele Energieversorger:
Rasant wachsender Energiebedarf
Derzeitige Prognosen gehen von einem weiterhin massiv zunehmenden Bedarf an elektrischer Energie in den kommenden Jahrzenten aus. Wärmepumpen, Elektromobilität und eine höhere Nachfrage von Industrieabnehmern sind dabei die Haupttreiber. Bestehende Leitungen und Anlagen können diesem Bedarf nicht mehr gerecht werden, ein Ausbau der Netze ist unumgänglich. Für Energieversorger sind damit viele Neuprojekte, umfangreiche Investitionen und generell eine hohe Belastung verbunden.
Steigende Netzkomplexität
Die Integration dezentraler Energieerzeugungsanlagen erhöht die Komplexität des Netzes und stellt Energieversorger vor zusätzliche Herausforderungen. Anlagen müssen modernisiert werden und Technologien wie IEC 61850 kommen vermehrt zum Einsatz, um diese Komplexität zu beherrschen und die nötige Flexibilität zu erlangen.
Digitaler Wandel
Schutztechniker:innen sind durch den digitalen Wandel mit neuen Schutzgerätetypen und -funktionen konfrontiert. Inzwischen müssen sie nicht nur das Prüfen in herkömmlichen Schaltanlagen beherrschen, sondern auch in IEC-61850-Umgebungen. Regelmäßigere Firmware-Updates, um die Cyber Security zu gewährleisten, könnten zudem die Intervalle zwischen den Schutzprüfungen verkürzen.
Aufgrund dieses zusätzlichen Bedarfs sind Fachkräfte sowohl bei Energieversorgern als auch bei Dienstleistern heiß begehrt, derzeit aber schwer zu finden. Effizientes Prüfen ist daher wichtiger denn je. Unsere Schutzprüflösungen helfen Ihnen, Ihre Herausforderungen bei der Prüfung von Schutzrelais und anderen Betriebsmitteln, sowie der Erstellung der zugehörigen Prüfprotokolle auf optimale Weise zu meistern.
Mit unseren Schutzprüflösungen prüfen Sie
Aktuelle Trends in der Schutzprüfung
Flexibilität für alle Relais-Generationen
Die Prüfung von Schutzgeräten unterschiedlichster Generationen ist ein Thema, das immer noch viele Schutztechniker:innen im Alltag betrifft. Während auf der einen Seite nach wie vor elektromechanische und statische Schutzrelais im Einsatz sind, nimmt die Konzeption vollständig digitaler Schaltanlagen langsam an Fahrt auf. Jeder Relaistyp stellt dabei unterschiedliche Anforderungen an das Schutzprüfgerät.
Ein flexibles Prüfgerät mit mehreren Strom- und Spannungsausgängen sowie der nötigen Leistung ist daher eine Grundvoraussetzung für eine effiziente Schutzprüfung. Eine weitere Herausforderung liegt in den vielen verschiedenen Schutzfunktionen, die es im Relais zu prüfen gilt. Mit unseren ausgeklügelten Prüflösungen vermeiden wir in vielen Fällen, dass Funktionen im Relais für die Prüfung deaktiviert werden müssen. Um sicherzustellen, dass das gesamte Schutzkonzept im Verbund funktioniert, bieten wir Möglichkeiten zur Prüfung des gesamten Schutzsystems.
IEC 61850 – Bereit für die digitale Zukunft
IEC 61850 hat sich inzwischen erfolgreich als Standard für die Kommunikation in elektrischen Energiesystemen etabliert. Über standardisierte Protokolle, wie GOOSE, Sampled Values und MMS, können Geräte und Systeme nahtlos Daten, Befehle und Messwerte austauschen. Angeschlossen an ein gemeinsames Netzwerk kommunizieren so Betriebsmittel unterschiedlicher Hersteller direkt miteinander. Zusätzliche Aufwände für festverdrahtete Binärsignale entfallen und das System kann bei Bedarf einfach umkonfiguriert werden. Die Standardisierung auf IEC 61850 vereinfacht zudem die Durchführung regelmäßiger Wiederholungsprüfungen während der Wartungszyklen. Bei der Implementierung von vollständig digitalen Schaltanlagen führt kein Weg an dieser Norm vorbei.
Als Vorreiter im Bereich IEC 61850 bietet OMICRON seit über 20 Jahren Lösungen für die Prüfung hybrider und vollständig digitaler Schaltanlagen an. Unsere Lösung ermöglicht eine einfache und einwandfreie Integration von IEC 61850 in vorhandene Prüfvorlagen für konventionelle Relais. Durch den reduzierten Verdrahtungsaufwand wird die Prüfung noch effizienter.
Herausforderung bei erneuerbaren Energien
Mit dem zunehmenden Anteil an erneuerbaren Energien am Strommix werden Energieversorger vor neue Herausforderungen gestellt. Dezentrale Erzeugung, bidirektionale Lastflüsse und eine größere Zahl an Akteuren auf dem Energiemarkt stellen die aktuellen Rahmenbedingungen dar. Diese Zunahme der Komplexität erfordert fortschrittlichere Schutzkonzepte und damit auch Prüfgeräte die wesentlich anspruchsvollere Prüfmöglichkeiten bieten.
Standardisierte und automatisierte Prüfmethoden vereinfachen die erforderlichen Parameterprüfungen der einzelnen Schutzelemente. Dadurch kann die insgesamt gestiegene Anzahl von Prüfungen leichter bewältigt werden. Um die Stabilität und Verlässlichkeit des Gesamtsystems zu gewährleisten, sind allerdings zusätzliche Systemprüfungen inzwischen unerlässlich. Mit ihnen sind Sie in der Lage Wechselwirkungen in komplexen Systemen zu berücksichtigen und dadurch die Prüfqualität deutlich zu heben.
Wanderwellenschutzrelais prüfen
Eine weitere Herausforderung bei erneuerbaren Energieressourcen besteht darin, dass deren Anschluss an bestehende Netze sowohl die Trägheit als auch die Kurzschlussfähigkeit des Gesamtsystems verringert. Dadurch steigt der Druck auf das Schutzsystem, Fehler schnellstmöglich zu klären. Wanderwellen-Schutzrelais sind dafür bestens geeignet, da sie die kürzesten derzeit verfügbaren Auslösezeiten bieten. Sie stellen daher eine willkommene Möglichkeit dar die Systemstabilität zu erhöhen. Zusätzlich können durch die hochpräzise Fehlerortung Ausfallzeiten minimiert werden, da das Wartungspersonal Fehler schneller lokalisieren und beheben kann.
Der bisher größte Nachteil dieses Relaistyps waren die komplizierten und aufwendigen Funktionsprüfungen. Wir haben uns diesem Problem ange-nommen und bieten mit dem Zubehör TWX1 eine passende Prüflösung an. Sie stellt die weltweit erste effiziente Möglichkeit dar, um Wanderwellen-schutzrelais in Betrieb zu nehmen und im Rahmen der Wartung zu prüfen.
Schutzrelais mit Sensor-Eingängen prüfen
Die räumliche Nähe von Schutzgerät und Primärbetriebsmitteln in Mittelspannungsanlagen erlaubt den Einsatz von digitalen Schutzrelais in Kombination mit leistungsarmen Kleinsignal-Messwandlern – sogenannten LPITs (Low Power Instrument Transformers).
Damit Sie auch Relais mit Sensor-Eingängen unkompliziert prüfen können, bietet Ihnen OMICRON mit dem LLX1 das entsprechende Zubehör. Das LLX1 simuliert Strom- und Spannungssensoren, wie Spannungsteiler, Rogowski-Spulen oder Kleinsignal-Stromwandler und stellt Ihnen das Prüfsignal über die Kleinsignalausgänge zur Verfügung.
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Fragen zur Schutzrelaisprüfung
Warum müssen Schutzrelais geprüft werden?
Die Hauptfunktion von Relais besteht darin, primärseitig auftretende Fehler schnellstmöglich zu erkennen und betroffene Betriebsmittel oder Netzteile selektiv über Leistungsschalter vom Rest des Netzes oder der Anlage zu trennen. Dadurch werden betroffene oder angrenzende Betriebsmittel und Personen geschützt und der Ausfall auf ein Minimum reduziert. Dies ist für eine hohe Verfügbarkeit und Versorgungssicherheit von großer Bedeutung. Darüber hinaus wird ein wirtschaftlicher Betrieb ermöglicht, da der Verlust von Betriebsmitteln und längere Ausfälle mit enormen Kosten verbunden sind. Um sicherzustellen, dass Schutzrelais diese Aufgabe im Ernstfall erfüllen, müssen diese regelmäßig auf Funktion geprüft werden.
Bei Zeitpunkt und Häufigkeit der Prüfungen spielen sowohl länderspezifische Richtlinien als auch die individuelle Beurteilungen der Anlagenbetreiber eine Rolle.
Wann müssen Schutzrelais geprüft werden?
In der Regel lassen sich vier Phasen im Produktlebenszyklus von Schutzrelais identifizieren, in denen unterschiedliche Arten von Prüfungen sinnvoll sind.
- Typ- und Werksabnahmeprüfungen in der Produktions- und Entwicklungsphase beim Schutzgeräte-Hersteller
- Laborprüfungen während der Projektierung neuer Anlagen
- Abnahme- und Inbetriebnahmeprüfungen in der Schaltanlage
- Regelmäßige Funktions- und Wartungsprüfungen vor Ort während der Betriebsphase
Die Rahmenbedingungen für die Prüfungen bei der Inbetriebnahme und der regelmäßigen Wartung sind für Energieversorger in länderspezifischen Richtlinien vorgegeben, beispielsweise vom Forum Netztechnik/Netzbetrieb (FNN) in Deutschland, oder der North American Electric Reliability Corporation (NERC) in den USA.
Hersteller von Schutzrelais prüfen diese wiederum unter anderem auf Konformität, zum Beispiel mit der Norm IEC 60255, welche Regeln und Anforderungen an das Verhalten von Messrelais und Schutzeinrichtungen definiert.
Wie oft müssen Schutzrelais geprüft werden?
Diese Frage lässt sich nur für jeden Anlagenbetreiber individuell beantworten, wird aber teilweise durch länderspezifische Richtlinien oder Vorschriften vorgegeben. Grundsätzlich empfiehlt sich eine Prüfung nach der Erstinbetriebnahmeprüfung immer dann, wenn eine Veränderung im Schutzsystem vorgenommen wurde, beispielsweise auch nach Firmware-Updates. Während der langen Betriebszeit eines Schutzrelais kann es aber auch zu unbemerkten Veränderungen kommen. Um solche Veränderungen festzustellen, werden in der Praxis Prüfzyklen und Prüfumfänge für die Instandhaltung von Schutzgeräten festgelegt.
Bei der Definition des Prüfzyklus sind zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen, wie zum Beispiel:
- Bedeutung des geschützten Netzteils für die Versorgungssicherheit
- Alter und Art der Schutzrelais
- Länderspezifische Gesetze, Regularien oder Richtlinien
- Zahl und Ausbildungsstand der Schutztechniker:innen
- Erfahrung mit bestimmten Gerätetypen
Da diese Faktoren veränderlich sind, können sich auch die Prüfzyklen dynamisch ändern. Dazu ist es notwendig, eine durchgehende Prüfstrategie mit Dokumentation aufzubauen, die in ein allgemeines Qualitätsmanagement-System eingebunden ist.
Was ist bei der Prüfung von Schutzrelais zu beachten?
Die eigene Sicherheit steht bei der Prüfung von Schutzrelais an erster Stelle. In der Prüfungsvorbereitung gilt es daher die Einhaltung aller relevanten Sicherheits- und Schutzmaßnahmen zu berücksichtigen, bevor die Prüfung des Schutzgeräts in den Mittelpunkt rückt.
Aspekte bei der Prüfung von Schutzrelais
1. Bewertung des Gerätezustands mittels Sichtprüfung
2. Überprüfung der Verdrahtung nach der Inbetriebnahme oder einer Umverdrahtung
3. Prüfung und Abgleich der Einstellparameter des Schutzrelais mit den vordefinierten Anforderungen
4. Verifizierung der Funktionsfähigkeit des Relais durch die Prüfung der einzelnen Schutzfunktionen
5. Kontrolle ob die Anrege- und Auslösezeiten innerhalb der definierten Grenzwerte liegen
6. Verifizierung des Relaisverhaltens aus der Systemperspektive
Was sind die Vorteile von IEC 61850?
Um die Vorteile von IEC 61850 zu verstehen, hilft es die beiden maßgeblichen Nachteile konventioneller Schaltanlagen gegenüber IEC‑61850‑Anlagen zu kennen. Erstens, in konventionellen Anlagen müssen sämtliche Betriebsmittel einzeln mit anderen Komponenten über Kupferkabel verdrahtet werden. Zweitens sind die Betriebsmittel verschiedener Hersteller nicht darauf ausgelegt, direkt miteinander zu kommunizieren.
Im Gegensatz dazu findet bei IEC 61850 die Kommunikation zwischen den Betriebsmitteln über ein gemeinsames Ethernet-Netzwerk statt. Die herstellerunabhängige Norm IEC 61850 bildet die Basis für die digitale Kommunikation im Schaltanlagen-Netzwerk. Mithilfe der standardisierten Protokolle können Geräte und Systeme unterschiedlicher Hersteller nahtlos Daten, Befehle und Messwerte auszutauschen. Als Schutz-, Automatisierungs- und Steuergeräte kommen in IEC-61850-Umgebungen IEDs (Intelligent Electronic Devices) zum Einsatz.
Für die Übermittlung von analogen Messgrößen aus dem Energiesystem, beispielsweise von Strom- und Spannungswandlern, über ein digitales Netzwerk werden Sampled Values verwendet. Der Austausch von Statusinformationen zwischen den Geräten erfolgt über GOOSE-Nachrichten, während die Übertragung von Signalen an das SCADA-System mittels Client/Server-Kommunikation (MMS) realisiert wird.
Der Einsatz von IEC 61850 für die Kommunikation zwischen den Betriebsmitteln und der Leittechnik in Umspannwerken reduziert die Verdrahtungsaufwände. Zudem wird eine flexible, herstellerunabhängige und zukunftsfähige Basis geschaffen, die hilft die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Effizienz des Stromnetzes zu erhöhen.
Was ist eine End-to-End-Schutzprüfung?
Bei einer End-to-End-Prüfung wird der Abschnitt einer geschützten Leitung oder eines geschützten Bereichs einer elektrischen Anlage von allen Enden aus gleichzeitig geprüft. Entscheidend ist dabei, dass die Prüfroutinen aller Enden miteinander synchronisiert sind. Im Mittelpunkt der Prüfung können sowohl einzelne Einstellparameter oder Schutzfunktionen stehen, als auch das korrekte Verhalten der Betriebsmittel bei der Durchführung einer systembasierten End-to-End-Prüfung. Wie sich die beiden Prüfansätze unterscheiden, lesen Sie weiter unten.
Fallbeispiel End-to-End Prüfung
Was sollte eine Prüflösung für End-to-End-Prüfungen bieten?
Die größte Herausforderung bei der End-to-End-Prüfung stellt die Koordination der Prüfung dar. Schutzprüflösungen die sowohl die Steuerung der Prüfung als auch die Dokumentation von nur einer Seite aus ermöglichen, reduzieren den Prüf- und Personalaufwand daher erheblich. Bei einer systembasierten End-to-End-Prüfung mit RelaySimTest können Sie die Prüfung zudem von nur einem Ende aus steuern und jederzeit anpassen, sollte dies während der Prüfung notwendig werden.
Wie kann ich Wanderwellenschutzrelais prüfen?
Bei der Inbetriebnahme von Wanderwellenschutzrelais fand bisher in der Regel keine Prüfung anhand von Wanderwellen statt, da dies sehr schwierig war. OMICRON hat daher mit dem Zubehör TWX1 die weltweit erste Lösung entwickelt, die diese Prüfung auch mit vorhandenen Schutzprüfgeräten unkompliziert ermöglicht.
Der Prüfaufbau entspricht dem einer End-to-End-Prüfung ergänzt um zwei TWX1. Mit RelaySimTest lässt sich die Prüfung anschließend von einer Seite aus steuern und vollautomatisch dokumentieren. Dafür werden in RelaySimTest die System- und Leitungsdaten eingegeben. Gewünschte Testfälle werden ausgewählt, indem verschiedene Fehlertypen an den gewünschten Stellen im Netzmodell platziert werden. Die Simulation berechnet dann automatisch das transiente Signal und die Wanderwellenimpulse. Bei der Ausführung liefert das CMC-Prüfgerät das transiente Signal und das TWX1-Zubehör überlagert die dreiphasigen Spannungs- und Strom-Wanderwellenimpulse mit einer Genauigkeit im Nanosekundenbereich. Mit dem erzeugten Signal lassen sich sowohl der Wanderwellenschutz, als auch die Ortungsfunktion von Wanderwellenschutzrelais effektiv prüfen.
Einfache Prüfung von Wanderwellenschutzrelais (PDF)
Was sind Typprüfungen gemäß IEC 60255?
Bei der Entwicklung und Zertifizierung von Schutzrelais werden aufwändige Typprüfungen durchgeführt.
Damit wird nachgewiesen, dass das jeweilige Relais die Spezifikationen und Normen erfüllt und in elektrischen Anlagen eingesetzt werden kann. Um diese Prüfungen zu vereinfachen, bieten wir Ihnen spezielle Typprüfungspakete für IEC 60255, die die meisten Aspekte des Relaisverhaltens abdecken. Über eine offene Programmierschnittstelle können Sie unser Prüfsystem zudem einfach in Ihre bestehende Prüfumgebung integrieren.
Typprüfung gemäß IEC 60255 (PDF)
Welche Arten von Schutzprüfungen gibt es?
Bei der Prüfung von Schutzrelais kann zwischen dem derzeit dominierenden parameterbasierten Ansatz
und dem innovativen systembasierten Zugang unterschieden werden. Außerdem kann zwischen manueller und automatisierter Durchführung differenziert werden.
Mithilfe der systembasierten Schutzprüfung kann mit geringem Aufwand verifiziert werden, ob sich die einzelnen Komponenten eines Schutzsystems im Verbund bei einem auftretenden Fehler korrekt verhalten. Dadurch wird es möglich unabhängig von Relaistyp und ‑hersteller, versteckte Fehler in den Einstellungen, der Logik und im Aufbau des Schutzsystems zu erkennen. RelaySimTest stellt Ihnen hierfür die Werkzeuge für eine optimale Vorbereitung und Durchführung von Systemprüfungen zur Verfügung.
Im Fokus der parameterbasierten Schutzprüfung stehen die Schutzfunktionen und die damit verbundenen Einstellwerte des einzelnen Schutzrelais. Moderne Schutzrelais bieten tausende Einstellungen, weshalb automatisierte Prüfungen einem manuellen Prüfzugang weit überlegen sind. Test Universe stellt Ihnen dafür umfassenden Möglichkeiten im Bereich Standardisierung und Automatisierung zur Verfügung und zwar inklusive der vollautomatischen Erstellung von Prüfprotokollen. Mittels Prüfplänen können Sie so ein Höchstmaß an Prüfeffizienz erreichen. In Kombination mit dem enormen Funktionsumfang bietet Ihnen unsere Prüfsoftware zudem die nötige Flexibilität, um Schutzrelais und andere sekundäre Betriebsmittel im Detail zu prüfen.
Prüfansätze
- Systembasierte Schutzprüfung: RelaySimTest
- Parameterbasierte Schutzprüfung: Test Universe
Wie kann ich eine Schutzprüfung automatisieren?
Speziell im Bereich der Schutzprüfung wird der Begriff Automatisierung oft vorschnell benutzt. In der Praxis besteht nämlich die Problematik, dass Schutztechniker:innen mit Betriebsmitteln vieler verschiedener Hersteller konfrontiert sind, was eine vollständige Automatisierung von Prüfabläufen deutlich erschwert. Teils sprechen Anbieter daher schon von Automatisierung, wenn deren Lösung lediglich einzelne Teile der Schutzprüfung automatisiert, weshalb hier Vorsicht geboten ist.
Um einen hohen Automatisierungsgrad bei der Schutzprüfung zu erreichen, sind sowohl einfach anpassbare Prüfvorlagen für Schutzrelais verschiedener Hersteller, als auch die flexible Kombination von einzelnen Prüffunktionen in Prüfplänen notwendig. Die Definition einheitlicher Standards für die Prüfung der Schutzgeräte, kann die Effizienz weiter erhöhen. Eine vollautomatisierte Dokumentation der Prüfergebnisse ist zudem eine Grundvoraussetzung, da auch dieser Teil mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Mit unserer Protection Testing Library (PTL) und dem OMICRON Control Center (OCC) können Sie auf diese Weise individuell auf Ihre Bedürfnisse zugeschnittene Prüfabläufe umsetzen, die nahezu vollständig automatisiert ausgeführt werden können. Im Vergleich mit einer manuellen Schutzprüfung lässt sich der Prüfaufwand so um bis zu 80 Prozent reduzieren.
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