Korrektur des k-Faktors und mutueller Kopplung bei asymmetrischen Freileitungen zur Optimierung der Distanzschutz-Zuverlässigkeit

Zusammenfassung

Die Zuverlässigkeit eines Energieübertragungssystems hängt in hohem Maße von der Zuverlässigkeit des jeweiligen Schutzsystems ab. Es ist offensichtlich, dass Sicherheit, Selektivität und hohe Geschwindigkeit die Hauptanforderungen sind, die an ein Schutzsystem gestellt werden. Im Falle von Distanzschutzrelais können diese Anforderungen allerdings nur erfüllt werden, wenn die Mechanismen "Kompensation der Erdimpedanz" und "Kompensation der mutuellen Kopplung" hinreichend funktionieren. Das Life-Cyle-Management der Schutzvorrichtungen für Hochspannungsleitungen verlangt, dass die ausgewählten Relais unter solchen Prüfbedingungen eingestellt und geprüft werden, die so weit wie möglich den realen Systemparametern entsprechen. Durch die alleinige Berechnung der Leitungsimpedanz und der mutuellen Kopplung können diese Anforderungen nicht erfüllt werden. Änderungen der Systemkonfiguration, indem neue Hochspannungsleitungen zum selben Teilnetz hinzugefügt werden, erfordern Änderungen des Systemmodells, die Neuberechnungen der Relais-Einstellung, die Überprüfung der Relaiskoordination mit diesen neuen Einstellungen sowie deren Neuüberprüfung. Durch einen schwerwiegenden Fehler bei der Berechnung des k-Faktors wird eine Über- oder Unterreichweite der Zonen verursacht, so dass sich der beim Schutzsystem betriebene hohe Aufwand nicht auszahlt. Das bedeutet, dass der Fehler aufgrund einer einzelnen Relais-Einstellung nicht wie gewünscht schnellstmöglich gelöscht wird. Die Konstruktion von Freileitungen im Hinblick auf die Symmetrie hat einen großen Einfluss auf die Qualität des Schutzsystems. Verschiedene Messungen, die vom Autor und einigen Mitautoren an über 50 realen Freileitungen oder Starkstromkabel-Anlagen durchgeführt wurden, belegen zwei Aspekte: • Der Fehler des eingestellten k-Faktors zum realen Wert beträgt im Durchschnitt 63 %. Daher sind die Leitungen nicht ordnungsgemäß geschützt. Die Hauptursachen dafür sind falsche Annahmen oder Probleme bei der Berechnung des k-Faktors. • Leitungen sind im Allgemeinen nicht so symmetrisch wie die Schutzingenieure annehmen. Freileitungen werden selten transponiert, insbesondere wenn es sich um kurze Freileitungen handelt. Die k-Faktoren der verschiedenen Phasen können in vielen Fällen erheblich voneinander abweichen, so dass ordnungsgemäße Einstellungen nahezu unmöglich sind. Phasenweise angepasste Einstellungen der k-Faktoren in geplanten Relais könnten eine Lösung dieses Problems darstellen. Hier sind die Relaishersteller gefordert. Berechnungen der k-Faktoren für Einstellungen der mutuellen Kopplungen sind noch fehleranfälliger. Hier stellen Asymmetrien zwischen Systemen ein noch größeres Problem dar. Die Theorie, wonach jede Phase eines Systems identisch in jede Phase eines anderen Systems einkoppelt, trifft bei den meisten Leitungen schlicht nicht zu. Die vorliegende Veröffentlichung diskutiert Effekte, die bei Messungen an mehreren Freileitungen und Starkstromkabeln in verschiedenen Ländern auf vier Kontinenten ermittelt wurden. Sie legt zudem dar, welchen Stellenwert die Transponierung nicht nur für Systemsymmetrie im Hinblick auf den Stromfluss, sondern auch im Hinblick auf ordnungsgemäßen Systemschutz hat. Einen weiteren Beitrag zur Diskussion stellen Ideen zur Einführung phasenspezifischer k-Faktoren für den Distanzschutz dar.