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Ein Gleichstrom-Steuerungssystem in einer Unterstation ist eine unabhängige Stromversorgung - in der Regel 110 V oder 125 V Gleichstrom von einer Batteriebank und einem Ladegerät -, die Schutzrelais, Auslösespulen von Leistungsschaltern und Steuerkreise unabhängig von den Bedingungen im Wechselstromsystem versorgt. Wenn diese Grundlage ausfällt, können die Leistungsschalter nicht auslösen, die Relais nicht arbeiten und die Fehler werden nicht behoben.
Die Praxiserfahrung in mehr als 50 industriellen Umspannwerken zeigt ein beunruhigendes Muster: 15-20% der “Ausfälle” von Schutzrelais lassen sich in Wirklichkeit auf eine verschlechterte Leistung des Gleichstromsystems zurückführen. Das Relais funktionierte einwandfrei. Die Batterie aber nicht.
Schutzrelais benötigen eine stabile Gleichspannung innerhalb von ±10% der Nennleistung. Ein 125-V-Gleichstromsystem, das während eines Fehlers - wenn mehrere Auslösespulen gleichzeitig Strom anfordern - auf 95 V absinkt, kann möglicherweise die Unterbrecher nicht innerhalb der erforderlichen Löschzeit von 3-5 Zyklen auslösen. Auf dem Papier sah das Schutzsystem perfekt aus. Die Unterspannung machte es in der Praxis zunichte.
Stationsbatterien in Versorgungs- und Industrieanwendungen bestehen in der Regel aus Bleisäurezellen (geflutet oder VRLA-Typ), die für eine Entladekapazität von 8 Stunden ausgelegt sind. Die Dimensionierungsberechnungen gemäß [VERIFY STANDARD: IEEE 485] erfordern, dass die Batterien die ungünstigsten Lasten versorgen, einschließlich:
Kontinuierliche Lasten: Relaislast, Anzeigelampen, SCADA-RTUs (typischerweise 5-15 A insgesamt)
Bei Tests im Bergbau mit häufigen Lastwechseln zeigte sich, dass Batterien mit einer Kapazität von weniger als 80% nicht in der Lage waren, die gleichzeitige Auslösung mehrerer Leistungsschalter bei Busfehlern zu unterstützen. Der koordinierte Schutz brach genau dann zusammen, wenn es am wichtigsten war.
Das Ladegerät muss eine Erhaltungsspannung zwischen 2,17-2,25 V pro Zelle (130-135 V für 60-Zellen-Strings) aufrechterhalten und gleichzeitig Strom für Dauerlasten und das Aufladen der Batterie liefern. Ausfälle des Ladegeräts äußern sich oft allmählich durch eine Drift der Spannungsregelung, was eine regelmäßige Überprüfung unerlässlich macht.
Zwei Batterietechnologien dominieren die Anwendungen in Umspannwerken:
Entlüftete Blei-Säure-Batterien (VLA): Überflutete Zellen mit abnehmbaren Deckeln, die eine regelmäßige Wasserzugabe erfordern. Sie produzieren beim Aufladen Wasserstoff und benötigen belüftete Räume. Die Lebensdauer beträgt bei ordnungsgemäßer Wartung 15-20 Jahre - “ordnungsgemäß” bedeutet jedoch vierteljährliche Elektrolytkontrollen und jährliche Ausgleichsladungen.
Ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien (VRLA): Versiegelte Konstruktion mit absorbierter Glasmatte oder Gel-Elektrolyt. Geringerer Wartungsbedarf, aber weniger tolerant gegenüber Überladung und hohen Umgebungstemperaturen. Unter günstigen Bedingungen können Sie mit 10-12 Jahren rechnen. Bei einer kontinuierlichen Raumtemperatur von 35 °C sinkt diese Lebensdauer auf 5-6 Jahre.
Die Zellenkonfiguration hängt von der Zielspannung ab. Ein 110-V-DC-System verwendet 55 Zellen bei 2,0 V Nennspannung. Ein 125-V-DC-System verwendet 60 Zellen. Bei Reihenschaltungen wirkt sich eine schwache Zelle auf den gesamten String aus.
Das Ladegerät arbeitet in drei Modi:
Moderne Switch-Mode-Ladegeräte bieten eine präzise Regelung und digitale Überwachung. Ältere ferroresonante Geräte sind noch in vielen Anlagen in Betrieb - sie funktionieren, sind aber weniger präzise.
[Experteneinblick: Realitäten im Batterieraum]
Das Ladegerät kaschiert dieses Problem wunderbar. Die Spannung sieht während des Erhaltungsbetriebs normal aus. Die Stromaufnahme scheint stabil zu sein. Dann fällt der Wechselstrom aus, und eine 10 Jahre alte VRLA-Bank liefert 60% der Nennkapazität. Die Backup-Zeit sinkt von 8 Stunden auf unter 3 Stunden.
Die Symptome treten nur unter Last auf: schneller Spannungsabfall, wenn das Ladegerät offline geht, verkürzte Backup-Dauer und Ungleichgewicht der Zellenspannung bei Entladestress.
Eine vollständige Abschaltung ist offensichtlich. Spannungsdrift ist es nicht. Eine Überspannung (über 2,30 V/Zelle) beschleunigt die Netzkorrosion und trocknet den Elektrolyt aus. Bei Unterspannung bleiben die Batterien teilweise entladen, was die Reservekapazität verringert und die Sulfatierung beschleunigt.
Kritische Alarmschwellen für ein 110-V-DC-System:
| Alarmzustand | Schwellenwert | Konsequenz |
|---|---|---|
| DC-Hochspannung | >126V | Geräteschäden, beschleunigte Batteriealterung |
| DC Niederspannung | <105V | Batterie entladen, Ladegerät möglicherweise defekt |
| Ladegerät AC-Ausfall | Eingabe verloren | Batterie voll belastet |
| Erdschluss | >0,5mA gegen Erde | Verschlechterung der Isolierung festgestellt |
Die meisten Gleichstromsysteme in Umspannwerken arbeiten ungeerdet. Diese Konstruktion toleriert einen einzelnen Erdschluss - kein Rückweg bedeutet keinen Stromfluss. Das System arbeitet weiter, während Sie das Problem lokalisieren.
Ein zweiter Erdschluss ändert alles. Wenn der erste Fehler auf der positiven Sammelschiene liegt und der zweite den negativen Anschluss einer Auslösespule berührt, fließt der Strom durch die Erde. Die Auslösespule kann fälschlicherweise auslösen. Oder schlimmer noch: Fehler, die die Auslösespule vollständig umgehen, verhindern den Betrieb bei tatsächlichen Fehlern.
Eine lose Batterieklemme weist bei 2 A Erhaltungsstrom einen vernachlässigbaren Widerstand auf. Derselbe Anschluss mit 30A Auslösespulenstrom lässt die Spannung unter die Betriebsschwelle der Spule fallen. Der 0,5Ω-Widerstand, der anscheinend akzeptabel war, erzeugt einen Spannungsabfall von 15 V unter Last.
Thermische Zyklen durch tägliche Temperaturschwankungen lockern die Schraubverbindungen nach und nach. Batteriepole und Zellverbinder sind die üblichen Übeltäter.
Die Lastprofile unterteilen sich in Dauerlast (Relais, Anzeiger: 5-15A), Kurzzeitlast (Auslösespulen: 30-50A für 100-200ms) und Notlast (Beleuchtung, Belüftung bei Stromausfall). Unterdimensionierte Bänke bewältigen den Normalbetrieb, versagen aber, wenn ein Busfehler die gleichzeitige Auslösung mehrerer Schalter erfordert.
Die Kapazität nimmt mit der Temperatur ab:
| Temperatur | Ungefähre Kapazität |
|---|---|
| 25°C | 100% (Referenz) |
| 15°C | 90% |
| 0°C | 75% |
| -18°C | 50% |
Hitze beschleunigt die Alterung - die Lebensdauer der Batterie halbiert sich für jede 8-10 °C über 25 °C, die sie hält. In Freiluft-Umspannwerken in heißen Klimazonen werden VRLA-Batterien in 6-7 Jahren ausgetauscht, statt in 12 Jahren.
Die Erdschlussortung erfordert eine systematische Isolierung:
Schritt 1: Bestätigen Sie die Fehleranzeige am Erdungsrelais oder Isolationsüberwachungsgerät. Beachten Sie, ob der Fehler auf der positiven oder negativen Sammelschiene liegt.
Schritt 2: Schalten Sie die Abzweigschutzschalter der Reihe nach aus, beginnend mit dem größten oder verdächtigsten Stromkreis.
Schritt 3: Überwachen Sie den Erdungsmelder nach dem Öffnen jedes Unterbrechers. Wenn die Fehleranzeige erlischt, haben Sie den fehlerhaften Zweig isoliert.
Schritt 4: Unterteilen Sie den fehlerhaften Zweig und testen Sie ihn weiter mit demselben Ansatz des Öffnens und Überwachens.
Schritt 5: Prüfen Sie häufige Fehlerstellen:
Zu den Detektionsgeräten gehören widerstandsbalancierte Brückenschaltungen, Spannungsteiler mit Mittelabgriffsreferenz und aktive Isolationsüberwachungsgeräte, die quantitative Messwerte in kΩ liefern.
[Experteneinblick: Erdschlusssuche]
Die Folgen sind kaskadenartig:
Schutzrelais verlieren Strom. Die Fehlererkennung stoppt. Das Überstromelement, das innerhalb von 20 ms ansprechen sollte, sieht nichts, weil seine Stromversorgung unterbrochen ist.
Die Auslösespulen bleiben unbestromt. Auch wenn ein Backup-Relais über ein stromwandlergespeistes Schema arbeitet, ist die Vakuum-Leistungsschalter kann ohne Gleichstrom zu seiner Spule nicht auslösen. Der Mechanismus bleibt verriegelt, während der Fehlerstrom fließt.
Die SCADA-Kommunikation fällt aus. Die Bediener können das entstehende Problem nicht erkennen. Alarme, die schon Minuten vorher hätten ausgelöst werden müssen, erreichen den Kontrollraum nicht.
Die automatische Wiedereinschaltung wird deaktiviert. Die Wiederherstellungssequenz, die die Leitung nach einem transienten Fehler wieder unter Spannung gesetzt hätte, kann nicht ausgeführt werden.
Der Fehler brennt so lange, bis der vorgeschaltete Schutz anspricht - sofern der vorgeschaltete Schutz über eine intakte Gleichstromversorgung verfügt. Andernfalls wird der Fehlerstrom schließlich durch die Zerstörung der Geräte begrenzt. Transformatorwicklungen fallen aus. Kabel explodieren. Störlichtbogenvorfälle eskalieren.
Hier kommt es auf die Spannungstoleranz der Auslösespule an. Die meisten Spulen geben für einen zuverlässigen Betrieb eine Nennspannung von 80-110% an. Eine 110-V-Gleichstromspule benötigt mindestens 88 V, um eine ausreichende Kraft zum Entriegeln des Mechanismus zu erzeugen. Unterhalb dieses Schwellenwerts kommt es zu einem Teilbetrieb oder einem vollständigen Ausfall.
Das Verständnis der Anforderungen an die Auslösung von Vakuum-Leistungsschaltern hilft, Gleichstromsysteme richtig zu spezifizieren: https://xbrele.com/what-is-vacuum-circuit-breaker-working-principle/
Monatliche Aufgaben:
Vierteljährliche Aufgaben:
Jährlich:
Kapazitätsprüfung:
Die Anpassung der Gleichspannung an die Spezifikationen des Leistungsschalters verhindert Betriebsausfälle. Überprüfen Sie die Nennspannung der Auslösespule, die minimale Betriebsspannung und die maximale Dauerspannung, bevor Sie das DC-System entwerfen. Die Vakuum-Schaltröhre ist auf einen zuverlässigen Mechanismus angewiesen: https://xbrele.com/what-is-a-vacuum-interrupter/
Zu den Redundanzoptionen für kritische Installationen gehören:
Kontinuierliche Batterieüberwachungssysteme messen die Spannung der einzelnen Zellen, den Verbindungswiderstand zwischen den Zellen und die Umgebungstemperatur. Sie zeigen Trends an und schlagen bei Abweichungen Alarm, bevor es zu Ausfällen kommt - und rechtfertigen so ihre Kosten durch Frühwarnung und geringeren manuellen Prüfaufwand.
Aufnahme von Anforderungen an die DC-Steuerspannung in die Beschaffungsspezifikationen. Die RFQ-Checkliste unter https://xbrele.com/vcb-rfq-checklist/ umfasst neben den primären Nennwerten auch die Parameter der Steuerkreise. Für komplette Lösungen für Vakuum-Leistungsschalter mit entsprechend angepassten Steuerungssystemen wenden Sie sich bitte an das XBRELE Ingenieurteam: https://xbrele.com/vacuum-circuit-breaker-manufacturer/
Externe Referenz: IEC 62271-106 - IEC 62271-106 Norm für AC-Schütze
F: Welche Gleichspannungsebene ist für den Schutz von Mittelspannungsschaltanlagen am gebräuchlichsten?
A: 110 V Gleichstrom ist in den IEC-Regionen, einschließlich China und Europa, vorherrschend, während 125 V Gleichstrom in nordamerikanischen Umspannwerken nach IEEE/ANSI-Standard üblich ist. Die Auswahl hängt von den regionalen Normen und der Kompatibilität der installierten Geräte ab.
F: Wie lange sollte eine richtig dimensionierte Batteriebank als Notstromversorgung dienen?
A: In der Planungspraxis werden in der Regel 4-8 Stunden Autonomie angegeben, die ausreichend Zeit für die Reaktion des Betreibers oder die Wiederherstellung durch die Versorgungsmannschaft bieten. Bei kritischen Einrichtungen kann auf der Grundlage einer Analyse der Wiederherstellungszeit eine längere Dauer festgelegt werden.
F: Warum werden in Umspannwerken ungeerdete Gleichstromsysteme anstelle von geerdeten verwendet?
A: Nicht geerdete Systeme arbeiten auch bei einem einzigen Erdschluss weiter, so dass Zeit bleibt, das Problem zu lokalisieren und zu beheben, bevor ein zweiter Fehler zum Ausfall des Schutzes führt. Diese Ausfallsicherheit geht mit dem Erfordernis von Erdungsprüfgeräten und systematischen Fehlerortungsverfahren einher.
F: Wie kann ich feststellen, ob die Kapazität der Batterie ohne einen Entladetest nachgelassen hat?
A: Die Spannungsstreuung der einzelnen Zellen während des Erhaltungsladens zeigt den relativen Zustand der Zellen an - Zellen, die mehr als 0,05 V vom String-Durchschnitt abweichen, sollten untersucht werden. Allerdings zeigt nur ein kontrollierter Entladetest die tatsächlich verfügbare Kapazität unter Lastbedingungen.
F: Was sind die Ursachen für zufällig auftretende Ausfälle von Leistungsschaltern?
A: Hochohmige Verbindungen im Gleichstromversorgungspfad erzeugen Spannungsabfälle, die nur während des Betriebs der Auslösespule mit hohen Strömen auftreten. Erhaltungsspannungsmessungen zeigen normale Messwerte, aber die Verbindung versagt unter der 30-50A Momentanlast des Auslösespulenbetriebs.
F: Können Batterieüberwachungssysteme die regelmäßige Entladeprüfung ersetzen?
A: Überwachungssysteme liefern kontinuierliche Trends und Frühwarnungen bei einer Verschlechterung der Zellen, messen aber eher indirekte Indikatoren als die tatsächlich lieferbare Kapazität. In der Industrie wird die Überwachung eher zur Optimierung der Testplanung als zur vollständigen Abschaffung der Tests eingesetzt.
F: Was ist das typische Austauschintervall für VRLA-Batterien in Umspannwerken?
A: VRLA-Batterien in klimatisierten Umgebungen müssen normalerweise nach 10-12 Jahren ausgetauscht werden. Erhöhte Umgebungstemperaturen, häufige Tiefentladungen oder Kapazitätsprüfergebnisse unter 80% der Nennleistung führen unabhängig vom Alter zu einem früheren Austausch.
