Relaisschutzgerät Stromwandler

Relaisschutzfeld

Stromwandler (CTs) speisen Signale an Schutzrelais in Fabriken. Wenn ungewöhnliche Ströme auftreten, lösen Relais Leistungsschalter aus und verhindern so ein Durchbrennen des Motors und kostspielige Geräteschäden.

Relaisschutzgeräte (Schutzrelais) spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Stabilität, Sicherheit und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften in Stromerzeugungs- und -verteilungssystemen. Bei der Nutzung erneuerbarer Energien, der dezentralen Erzeugung und strengen Netzvorschriften sind Relais von zentraler Bedeutung für die Fehlererkennung, Netztrennung, Frequenz- und Spannungsdurchsetzung sowie die allgemeine Systemzuverlässigkeit.

Regulierungs-/Standardkontext

Die deutschen Netzanschlussvorschriften für Erzeugungsanlagen legen gesetzliche Anforderungen an Schutzrelais fest. Zwei wichtige technische Verbindungsregeln sind:

VDE-AR-N 4105: regelt Niederspannungsanschlüsse (≤100 kW, <1.000 V AC).

VDE-AR-N 4110: für Mittelspannungsanschlüsse (>100 kW oder ≥1.000 V AC).

In beiden Fällen sind Netzeinspeise- oder Netznetz-Schutzrelais erforderlich, um Spannung, Frequenz, Ausfälle und damit verbundene Phänomene zu überwachen; Generatoren unter unzulässigen oder unsicheren Bedingungen abzuschalten; und um Inselbildung (d. h. unbeabsichtigte Trennung eines Teils des Netzes) zu verhindern.

Schlüsselanwendungen/Fallstudien

1. Wasserkraftwerke und dezentrale Erzeugung
Ein konkreter Fall ist die Lukas Anlagenbau GmbH, ein Unternehmen in Bayern, das zahlreiche Wasserkraftwerke (Leistungen von etwa 5 kW bis 10 MW) betreibt. Aufgrund der VDE-AR-N 4105 (und ihrer Revisionen) müssen ihre Anlagen die Anforderungen an die Netzeinspeiseüberwachung erfüllen: Über-/Unterspannung, Über-/Unterfrequenz erkennen und bei Parameterabweichungen reagieren.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Lukas Anlagenbau das Netzeinspeiseüberwachungsrelais CM-UFD.M31 von ABB in über 60 Wasserkraftwerken eingesetzt. Dieses Relais überwacht kontinuierlich relevante Parameter und löst bei Grenzwertüberschreitungen den Schnittstellenschalter aus (trennt die Anlage vom öffentlichen Netz). Das Gerät zeigt außerdem Fehlermeldungen an, unterstützt präzise Grenzwerte (Frequenz und Spannung) und bietet eine gute Bedienbarkeit (Hutschienenmontage, gut lesbares Display).

Dieser Fall zeigt, wie der Relaisschutz sowohl die Betriebssicherheit als auch die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften gewährleistet und gleichzeitig die Teilnahme der dezentralen Stromerzeugung am Netz ermöglicht.

2. Solar-Photovoltaik-Systeme und „NA-Schutz“
Ein weiteres wichtiges Beispiel ist der Einsatz von Solar-PV, insbesondere im Niederspannungsbereich. Gemäß VDE-AR-N 4105 muss jede Erzeugungsanlage zwischen etwa 30 kW und 135 kW über einen Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz) verfügen.

Der NA-Schutz kombiniert ein Überwachungsrelais und redundante Verriegelungsschalter. Das Relais überwacht die Spannung und Frequenz des Netzes und trennt die PV-Anlage bei Abweichungen über den Toleranzbereich innerhalb einer vorgegebenen Zeit (oft innerhalb von 0,2 Sekunden) vom Netz. Die Verriegelungsschalter sind so angeordnet, dass zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente für Fehlersicherheit sorgen – fällt eines aus, sorgt das andere weiterhin für die Abschaltung. Die Schaltgeräte melden außerdem den Status an das Überwachungsrelais zurück und stellen so den ordnungsgemäßen Betrieb sicher.

3. Im Einsatz befindliche Geräte/Relais
Deutsche Hersteller wie Ziehl produzieren auf diese Standards zugeschnittene Schutzrelais. Beispielsweise überwachen die Geräte UFR1001E und UFR1002IP unter anderem Spannung, Frequenz, Vektorverschiebung und Frequenzänderungsrate (ROCOF) und erfüllen die Anforderungen von VDE-AR-N 4105:2018-11 und VDE-AR-N 4110:2018-11.

Diese Relais werden in Erzeugungsanlagen (Solar, Wasser, Wind) eingesetzt und bieten entscheidende Funktionen: Erkennung abnormaler Netzzustände, sichere Trennung, Fernsteuerung/Standby, Anzeige und Protokollierung von Fehlern. Die Ziehl-Relais sind so konzipiert, dass sie einzelfehlersicher sind (dh wenn eine Komponente ausfällt, funktioniert die Sicherheitsfunktion weiterhin), was eine Anforderung der deutschen Netzvorschriften ist.

Durch Relaisschutz gelöste Probleme

Anhand dieser Anwendungen können wir mehrere Kategorien von Problemen erkennen, bei denen Relaisschutzgeräte helfen

Netzstabilität und -sicherheit
Erneuerbare Energiequellen sind variabel; Plötzliche Änderungen in der Erzeugung (z. B. aufgrund von Wolken über PV oder Windgeschwindigkeitseinbrüchen) können Frequenz- und Spannungsschwankungen verursachen. Wenn diese Schwankungen nicht bewältigt werden, können sie sich ausbreiten und das gesamte Netz destabilisieren. Relais sorgen dafür, dass Erzeugungsanlagen abgeschaltet werden, wenn die Parameter sichere Toleranzen überschreiten, und schützen so sowohl die Anlage als auch das Netzwerk.

Verhindern von
Inselbildung (Islanding) (eine Erzeugungseinheit läuft weiter, wenn das Netz getrennt wird) ist für das Wartungspersonal gefährlich und kann zu Schäden an der Ausrüstung führen. Schutzrelais mit der richtigen Erkennung (Spannungsausfall, Frequenzdrift, Vektorverschiebung etc.) sorgen dafür, dass bei Netzausfall oder Störungen die Erzeugung sicher abgeschaltet wird. Solaranlagen im NA-Schutzregime müssen einen Schutz vor Inselbildung umfassen.

Einhaltung von Netzordnungen und gesetzlichen Anforderungen.
Regulierungsnormen wie VDE-AR-N 4105 / 4110 in Deutschland stellen spezifische Schutz-, Sicherheits- und Leistungsanforderungen dar. Betreiber müssen für diese Standards zertifizierte Relais mit korrekten Einstellungen verwenden. Compliance vermeidet rechtliche Sanktionen und stellt sicher, dass Anlagen angeschlossen und vergütet bleiben können. Ein Beispiel dafür ist der Fall, bei dem ein Wasserkraftunternehmen CM-UFD.M31 von ABB einführte, um die VDE-Vorschriften zu erfüllen.

Fehlererkennung und schnelle Trennung
Fehler in Leitungen, Überspannung, Unterspannung, Überfrequenz oder Unterfrequenz müssen schnell erkannt werden, um Schäden an Komponenten und kaskadierende Ausfälle zu verhindern. Relais ermöglichen diese schnelle Erkennung und Betätigung (Abschaltung), um fehlerhafte Teile zu isolieren.

Qualität der Stromversorgung und Netzintegration
Mit der Zunahme erneuerbarer Energien werden die Qualität der Stromversorgung (Spannungsschwankungen, Flicker, Oberwellen) und die Kohärenz (Phase, Frequenz) immer anspruchsvoller. Schutzrelais helfen bei der Überwachung und Durchsetzung von Grenzwerten, die eine akzeptable Stromqualität für alle Benutzer gewährleisten. Sie unterstützen auch Funktionen wie Vektorverschiebung (zur Erkennung abweichender Phasenbeziehungen) und ROCOF (Frequenzänderungsrate), die für die Stabilität wichtig sind, wenn große Mengen verteilter Erzeugung online sind.

Diskussion / gewonnene Erkenntnisse

Die Benutzerfreundlichkeit von Geräten ist wichtig: Der Praxisfall in Deutschland zeigt, dass Relais, die einfach zu konfigurieren sind, mit klaren Anzeigen und einfachen Einrichtungsprozessen ausgestattet sind, mit größerer Wahrscheinlichkeit ordnungsgemäß installiert und gewartet werden. Der Wasserkraftwerksbetreiber legte sein Budget auf eine einfache Konfiguration und Präzision fest.

Redundanz und Fehlersicherheit: Zwei unabhängige Schaltelemente in Reihe, Überwachung der Schalterstellungen, zweikanalige Relais, ausfallsicheres Design sind nicht nur nette Features, sondern auch regulatorische Anforderungen in vielen deutschen Netzordnungen.

Schwellenwerte und Timing: Einstellungen wie Spannungs-/Frequenzgrenzen, Verzögerung vor der Abschaltung, Schaltkapazitäten usw. müssen auf die Anforderungen des örtlichen Netzbetreibers zugeschnitten sein. Die deutschen Vorschriften legen Zeitgrenzen fest (wie schnell ein Generator abschalten muss, wenn die Spannung/Frequenz außerhalb des zulässigen Bereichs liegt). Entscheidend sind Empfindlichkeit, Präzision und Geschwindigkeit von Relais.

Normenentwicklung: Die Normen VDE-AR-N 4105 und 4110 haben sich weiterentwickelt. Hersteller und Betreiber müssen mit den Änderungen Schritt halten. Schutzrelais bieten häufig voreingestellte Schwellenwerte für aktuelle Versionen dieser Standards.

Abschluss

Relaisschutzgeräte sind ein Eckpfeiler der sicheren, konformen und stabilen Integration erneuerbarer und dezentraler Energiequellen. Durch die Durchsetzung regulatorischer Standards (VDE-AR-N 4105/4110), den Einsatz fortschrittlicher Relaisgeräte (ABB, Ziehl usw.) und realer Fallarbeit in Wasserkraft- und Solar-PV-Systemen lösen Relais wichtige Probleme:

Trennen bei unsicheren Spannungs-/Frequenzbedingungen

Inselbildung verhindern

Schutz der Ausrüstung und Netzstabilität

Sicherstellung der Einhaltung und Vermeidung von Strafen

Während die Energiewende in Deutschland mit zunehmend dezentraler Erzeugung, Energiespeicherung, Mikronetzen und intelligenten Netzen voranschreitet, werden Schutzrelais an Bedeutung gewinnen – nicht nur für Sicherheit und Regulierung, sondern auch als Voraussetzungen für Zuverlässigkeit, Widerstandsfähigkeit und flexiblen Betrieb.