So überprüfen Sie die Einstellungen von Schutzrelais vor der Inbetriebnahme mithilfe einer Echtzeitsimulation

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Closed-Loop-Simulation ist die zuverlässigste Methode zur Überprüfung der Einstellungen von Schutzrelais, da dabei die Zeitabläufe, die Logik und I/O unter dynamischen Fehlerbedingungen getestet werden.
• Die statische Sekundäreinspeisung ist nach wie vor nützlich für Einstellprüfungen, kann jedoch die volle Netzleistung bei Quellverschiebungen, Änderungen des Schalterstatus und in Belastungsfällen nicht überprüfen.
• Die Laborabnahme ist am aussagekräftigsten, wenn dabei dieselben Kriterien für das Bestehen oder Nichtbestehen, dieselben Nachweisdokumente und dieselben Zeitvorgaben zugrunde gelegt werden, wie sie bei der Inbetriebnahme erwartet werden.

Die Echtzeit-Simulation im geschlossenen Regelkreis ist die zuverlässigste Methode, um die Einstellungen der Schutzrelais zu überprüfen, bevor eine Umspannstation unter Spannung gesetzt wird.

Diese Haltung ist wichtig, da Fehler bei der Inbetriebnahme nicht auf das Labor beschränkt bleiben. Ein einziger fehlerhafter Auslösepfad kann eine einwandfrei funktionierende Leitung außer Betrieb setzen, eine notwendige Abschaltung blockieren oder ein Ausfallfenster verlängern, das die Einsatzkräfte ohnehin schon nur mühsam abdecken können. Kund:innen in den USA Kund:innen im Jahr 2022 etwas mehr als 5,5 Stunden Stromausfälle im Jahr 2022, was zeigt, wie wenig Spielraum Energieversorger für vermeidbare Fehler bei der Schutztechnik haben. Tests der Anlagenspeisung bieten Ihnen eine sicherere Umgebung, um Einstellungen, Logik, Zeitabläufe und I/O unter Bedingungen zu überprüfen, die ein Labortest nicht reproduzieren kann.

„Ein Relais, das bei einem statischen Test bei der richtigen Stromstärke auslöst, kann dennoch versagen, wenn die Spannung zusammenbricht, der Strom in die Sättigung geht oder sich der Status des Leistungsschalters im falschen Moment ändert.“

Eine Echtzeit-Simulation überprüft die Relais-Einstellungen vor der Inbetriebnahme vor Ort

Die Echtzeitsimulation überprüft die Relais-Einstellungen, indem sie das Relais dazu zwingt, auf ein sich veränderndes Stromnetz zu reagieren, anstatt auf einen vorprogrammierten Strom isolierter Testwerte. In einem einzigen durchgehenden Test lassen sich Ansprechverhalten, Zeitablauf, Überwachung, Ausgangslogik und das Reset-Verhalten beobachten. Dadurch kommen Tests den Bedingungen bei der Inbetriebnahme Tests näher und eignen sich weitaus besser zur Überprüfung der Einstellungen.

Ein Leitungsrelais liefert hierfür ein anschauliches Beispiel. Die Zonenzeitung kann bei einer einfachen Sekundäreinspeisung korrekt erscheinen, doch dasselbe Relais kann verzögern oder überreagieren, wenn sich die Quellstärke bei einem Nahfehler verschiebt, die Ausfalllogik des Leistungsschalters anspringt und die Zeitgeber für die automatische Wiedereinschaltung mit den Live-Eingängen interagieren. Ein Closed-Loop-Test deckt diese Kette auf, da der Ausgang des Relais das simulierte Netz verändert und das Netz dann auf das Relais zurückwirkt.

Zudem erhalten Sie Nachweise, die für Ingenieur:innen von Einstellungen von Bedeutung sind. Oszillogramme, Ereignisaufzeichnungen, Auslösezeitpunkte und simulierte Fehlerzustände lassen sich in einem wiederholbaren Durchlauf zusammenfassen. Das bedeutet, dass Sie nicht raten müssen, welcher Wert die Auslösung verursacht hat. Sie weisen nach, dass das Schutzrelais korrekt reagiert, wenn Spannungen abfallen, Ströme schwanken und binäre Eingänge im Abstand von wenigen Millisekunden eintreffen.

Bei der statischen Sekundäreinspritzung werden Fehler übersehen, die bei Tests im Regelkreis erkannt werden

Die statische Sekundäreinspeisung eignet sich für Stichprobenprüfungen, deckt jedoch nicht alle Fehlermodi auf, die nach der Einschaltung zu Störungen führen können. Sie prüft einzelne Elemente und Verdrahtungswege unter festgelegten Bedingungen. Sie gibt jedoch keinen Aufschluss darüber, wie sich das gesamte Schutzrelais bei einer Störung unter Netzspannung verhält, bei der Rückmeldungen vom Schalterstatus und sich ändernden Netzgrößen vorliegen.

Ein Relais, das bei einem statischen Test bei der richtigen Stromstärke auslöst, kann dennoch versagen, wenn die Spannung zusammenbricht, der Strom in Sättigung geht oder sich der Status des Leistungsschalters im falschen Moment ändert. Ein typisches Beispiel hierfür sind Abstandselemente. Die gemessene Impedanz kann sich während eines Fehlers verschieben, weil die polarisierende Größe abfällt, eine entfernte Quelle den Fehler speist oder eine schwache Einspeisung das Spannungsprofil verändert. Statische Tests geben diese Abfolge Tests gut wieder.

Für Kontaktprüfungen, analoge Skalierung und die Überprüfung grundlegender Logik ist nach wie vor eine Sekundäreinspeisung erforderlich. Das Problem entsteht, wenn Teams dies als vollständige Validierung betrachten. Schutzrelais Tests benötigen beide Methoden, wobei statische Prüfungen für die Einrichtung und Tests im geschlossenen Regelkreis für den Nachweis Tests . Diese Abfolge verhindert falsches Vertrauen, das eines der kostspieligsten Probleme in der Schutztechnik darstellt.

Ein aussagekräftiger Test beginnt mit dem richtigen Netzwerkmodell

Eine glaubwürdige Überprüfung der Relaiskonfiguration beginnt mit einem Netzwerkmodell, das den Annahmen der Schutzstudie und den Details der Relaisanwendung entspricht. Sind die Quellenimpedanz, die Leitungsdaten, die Transformatoranzapfungen, die Messwandlerverhältnisse oder die Schalterlogik falsch, sind auch Ihre Laborergebnisse falsch. Die Modellqualität ist ein wesentlicher Bestandteil Tests muss als Teil des Validierungsumfangs betrachtet werden.

Ein 230-kV-Leitungsprojekt verdeutlicht, warum dies von Bedeutung ist. Wenn im Testmodell die Fernspeisung nicht berücksichtigt wird, kann Ihr Abstandsrelais im Labor zwar sicher erscheinen, nach der Einschaltung jedoch überreagieren. Verwendet das Modell ideale Spannungsquellen anstelle der tatsächlichen Kurzschlusswerte der Quelle, können sich zeitverzögerte Elemente und die Überwachung auf Lastbeeinträchtigung ganz anders verhalten als unter den tatsächlichen Bedingungen vor Ort. Eine gute Validierung von Schutzrelais beginnt damit, dass die Planungsunterlagen, die Relais-Einstellungsdateien und I/O miteinander abgeglichen werden.

Labore nutzen häufig OPAL-RT, um dieses Modell in einem geschlossenen Regelkreis mit analogen und binären I/O zu betreiben I/O Ingenieur:innen das Relais unter verschiedenen Betriebsbedingungen testen Ingenieur:innen , ohne den Prüfstand jedes Mal neu aufbauen Ingenieur:innen . Diese Konfiguration hilft Ihnen dabei, die beabsichtigte Funktionsweise mit der Reaktion des Relais zu vergleichen und Lücken zu schließen, bevor diese in den Praxiseinsatz gelangen. Ein schneller Simulator ist hilfreich, doch erst eine konsequente Modellüberprüfung macht die Ergebnisse glaubwürdig.

Die Validierung von Distanzrelais hängt von der Genauigkeit der Fehlerortung ab

Die Validierung von Fernrelais im Labor hängt davon ab, wo der Fehler platziert wird, wie er modelliert wird und was das Relais in den ersten Zyklen wahrnimmt. Die Genauigkeit der Fehlerortung ist entscheidend, da die Zonenreichweite, die Richtungsüberwachung und die Freigabelogik alle auf die scheinbare Impedanz reagieren und nicht auf einfache Fehlerkennungen. „Good Tests die elektrische Sichtweise Tests , die das Relais wahrnimmt.

Ein sinnvoller Testablauf für Zone 1 beginnt mit Fehlern in der Nähe des Einspeisepunkts, in der Mittellinie und in der Nähe des entfernten Sammelscheibens auf jeder Schleife. Anschließend fügt man Lichtbogenwiderstand, entfernte Einspeisung und Laststrom vor dem Fehler hinzu. Ein Phasen-Erdungsfehler bei 80 % der Leitung mit einem Fehlerwiderstand von 20 Ohm kann Ihnen viel mehr Aufschluss geben als ein sauberer Bolzenfehler bei 50 %. Das Relais löst zwar möglicherweise trotzdem aus, aber der gemessene Impedanzpfad und das Zeitgeberverhalten zeigen, ob die Reichweite zu aggressiv eingestellt ist.

Sie benötigen außerdem Ausnahmeszenarien. Leistungsschwankungen, serienkompensierte Leitungen und Spannungsumkehr bei Schwachquellenfehlern können eine Einstellung verfälschen, die in einer einfachen Studie noch einwandfrei erschien. Im Labor überprüfen Sie, ob der Distanzschutz unter diesen Bedingungen weiterhin selektiv bleibt. Ist die Fehlerortung zu grob, kann das Relais als sicher erscheinen, während gefährliche Vorteil ungetestet bleiben.

Tests die zeitlichen Spielräume bei belasteten Fehlern nachweisen

Koordination des Schutzes: Tests die zeitlichen Spielräume unter den Fehlerbedingungen nachweisen, die für Ihre Schutzstufung das größte Risiko darstellen. Einfache Zeit-Strom-Prüfungen sind nur der Anfang. Sie müssen nachweisen, dass Primär- und Reserveelemente ihren vorgesehenen Abstand beibehalten, wenn sich Strompegel, Quellenanteile und Auslösezeiten der Leistungsschalter während einer Störung verändern.

Einstellungs- und Logikfehler machen nach wie vor einen großen Teil der Fehlfunktionen aus. Laut NERC sind Probleme mit Einstellungen, Logik und Konstruktion für mehr als 50 % der Fehlfunktionen von Schutzsystemen in den jüngsten Jahresberichten ausmachen. Deshalb Tests bei Nominalfällen Halt machen. Es sind Fälle erforderlich, die den Zeitpuffer ausreizen.

Betrachten wir ein Überstromrelais für eine Zuleitung, das durch ein Transformatorrelais und ein vorgeschaltetes Sammelschienenrelais abgesichert ist. Bei minimalen Netzfehlern können Elemente mit zu geringer Auslösekraft zum Tragen kommen, während maximale Netzfehler die Betriebsreserven so stark verringern können, dass es zu Überschneidungen kommt. Der Ausfall eines Leistungsschalters stellt eine weitere Herausforderung dar, da eine vorgesehene Reserve von 250 ms verloren gehen kann, wenn die Rückmeldung des Leistungsschalterzustands verzögert oder falsch zugeordnet wird.

Die meisten Fehlbedienungen nach der Inbetriebnahme gehen auf die Relais-Schnittstellen zurück

Die meisten Fehlfunktionen nach der Inbetriebnahme entstehen an Schnittstellen, da die Relaislogik nur die Signale erkennt, die man an sie anschließt und ihr zuordnet. Selbst eine korrekt konfigurierte Einstelldatei kann zu Fehlfunktionen führen, wenn die Polarität eines Stromwandlers vertauscht ist, ein binärer Eingang invertiert ist, eine Auslösematrix falsch beschriftet ist oder der Statuspunkt des Leistungsschalters verspätet eintrifft. Die Überprüfung der Schnittstellen ist Teil der Tests.

Ein Zuleitungsrelais kann das Problem veranschaulichen. Die Einstellungen mögen zwar perfekt sein, doch die Auslöse-Logik für den Leistungsschalter wird bei jedem externen Fehler anspringen, wenn der Status 52a verpolt verdrahtet ist. Ein Transformator-Differenzstrom-System kann in der Berechnung korrekt reagieren und dennoch im Feld auslösen, wenn der Sekundärkreis eines Stromwandlers an die falsche Phase angeschlossen ist oder die Skalierung des Analogkanals falsch eingestellt ist. Diese Fehler sehen meist wie Einstellungsfehler aus, bis man den Schnittstellenpfad nachverfolgt.

• Überprüfen Sie die CT- und VT-Verhältnisse anhand der Zuordnung der analogen Relaiskanäle.
• Überprüfen Sie die Polarität an jedem Phasenstrom- und Spannungs-Eingang.
• Testen Sie jeden binären Eingang, nachdem die endgültigen Logikgleichungen geladen wurden.
• Messen Sie die Ausgabeverzögerung über den tatsächlichen I/O .
• Vergleichen Sie die Ereignisprotokolle mit den Schaltplänen und den Statusänderungen der Leistungsschalter.

Diese Liste ist zwar einfach, deckt aber einen Großteil der vor Ort auftretenden Überraschungen ab. Sie vergleichen das installierte Relais mit der Verkabelung und der Logik, wie sie vor Ort vorhanden sein werden. Tests diese Probleme sichtbar, da das Relais dynamische Größen erfasst, während gleichzeitig der I/O durchgespielt wird.

Durch Tests die meisten Arbeiten bei Stromausfällen vermeiden

Tests den Großteil der Arbeiten während eines Stromausfalls überflüssig machen, da für die Überprüfung der Einstellungen, dynamische Tests und die Koordinationsprüfung kein unter Spannung stehender Außenbereich erforderlich ist. Vor-Ort-Prüfungen sind jedoch weiterhin für die endgültige Verkabelung, die Messwandlerkreise und die Anlageneinbindung erforderlich. Die aufwendigen analytischen Arbeiten sollten im Labor durchgeführt werden, wo Wiederholungen sicher sind und Fehlerfälle leicht erneut durchgespielt werden können.

Ein praktischer Inbetriebnahmeplan verlegt fast alle Tests dem Stillstandsfenster. Ingenieur:innen die endgültigen Einstellungen, schließen das Relais an den Simulator an, führen eine strukturierte Testreihe durch und dokumentieren den Erfolg oder Misserfolg, noch bevor das Relais überhaupt in die Schaltanlage eingebaut wird. Vor Ort konzentriert man sich dann auf Punkt-zu-Punkt-Prüfungen, die Überprüfung der Polarität, gegebenenfalls die Einspeisung in das Primärnetz sowie abschließende End-to-End-Prüfungen mit den tatsächlichen Anlagenschnittstellen.

Dieser Ansatz verringert sowohl terminliche als auch technische Risiken. Wenn bei einem Abstandssensor eine Reichweitenkorrektur erforderlich ist oder ein binärer Eingang invertiert werden muss, lässt sich dies innerhalb weniger Stunden beheben, anstatt Teams vor Ort zu binden und die zuständigen Behörden einzuschalten. Bei der Inbetriebnahme vor Ort sollten die Verkabelung und die Anlagenintegration überprüft werden, während das Labor den größeren Teil der Arbeit übernimmt, nämlich die Überprüfung der Einstellungen und der Logik.

„Bei der Inbetriebnahme vor Ort sollten die Verkabelung und die Anlageneinbindung überprüft werden, während im Labor der Schwerpunkt auf der Überprüfung der Einstellungen und der Logik liegen sollte.“

Die Laborabnahme sollte die Kriterien für das Bestehen bzw. Nichtbestehen der Inbetriebnahme widerspiegeln

Die Laborabnahme sollte die Kriterien für das Bestehen oder Nichtbestehen der Inbetriebnahme widerspiegeln, damit die vor der Inbetriebnahme gesammelten Nachweise vor Ort unmittelbar von Nutzen sind. Die gleichen Fehlerfälle, Zeitgrenzen, Kontaktausgänge und Protokollprüfungen sollten an beiden Stellen vorkommen. Wenn die Kriterien übereinstimmen, Tests einer koordinierten Übergabe statt zu zwei voneinander getrennten Abläufen.

Ein gutes Abnahmepaket enthält die endgültige Einstellungsdatei, Modellannahmen, Testfallkennungen, Ereignisprotokolle, Auslösezeiten sowie eine klare Anmerkung zu jeder Ausnahme. Wenn das Inbetriebnahmeteam erwartet, dass Zone 2 bei einem Fernfehler mit Fernspeisung nach 350 ms zuzüglich der Auslösezeit des Leistungsschalters auslöst, sollte der Labortest genau diesen Fall nachweisen. Unklare Formulierungen in der Abnahmevereinbarung führen später zu Streitigkeiten, da sich niemand darüber einig ist, was als bestanden gilt.

Teams, die OPAL-RT für die Validierung vor der Inbetriebnahme nutzen, profitieren oft am meisten davon, wenn die Laboraufzeichnungen genauso strukturiert sind wie die Aufzeichnungen vor Ort. Diese Vorgehensweise macht den Simulator zu einer strukturierten Testphase und verhindert, dass er nur zu einer bequemen Testumgebung verkommt. Sie werden zwar nicht jede Inbetriebnahmeaufgabe eliminieren können, aber Sie werden das Rätselraten beseitigen, das zu überstürzten Änderungen, wiederholten Ausfällen und langen Diskussionen nach einer Fehlbedienung führt.