Stromerzeugungsanlagen Photovoltaik und BHKW Mittels Netzentkupplungsrelais sekundenschnell getrennt

Der Anteil regenerativ und dezentral erzeugter Energie nimmt in Deutschland stetig zu. Es gehört zu den Aufgaben der Energieversorger sicher zu stellen, dass dadurch die Netzqualität nicht beeinträchtigt wird. Zudem müssen sie ihre Netze im Fehlerfall schnell abschalten und die kleinen Erzeuger in Sekundenbruchteilen vom Netz trennen können. Dazu wird ein Entkupplungsschutz eingesetzt.

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Lag der Anteil der durch Photovoltaik und Blockheizkraftwerke erzeugten Stroms vor wenigen Jahren noch im niedrigen einstelligen Prozentbereich, so stammt in einigen Gegenden inzwischen ein nennenswerter Teil des Stroms aus netzparallelen Eigenerzeugungsanlagen.

Bei Photovoltaikanlagen mit Leistungen kleiner 30 kW (peak) fordern die Energieversorgungsunternehmen (EVUs) in der Regel eine Überwachung von Frequenz und Spannung, unabhängig von der bereits in den Wechselrichtern integrierten Kontrolle. Das Spannungs- und Frequenzrelais UFR 1000 hat Ziehl Industrie-Elektronik speziell für diesen Einsatzfall konzipiert. Die Grenzwerte für Über- und Unterspannung und Über- und Unterfrequenz sind auf die üblicherweise von den EVUs geforderten Werte voreingestellt. Auch die Ansprechzeit entspricht mit 100 ms diesen Vorgaben.

Steigt die Spannung am Einspeisepunkt im Fehlerfall über den oberen Grenzwert — z.B. weil bei starkem Sonnenschein viel Strom eingespeist wird aber nur wenige Verbraucher Strom abnehmen — so schaltet das Relais den Kuppelschalter ab und schützt damit angeschlossene Verbraucher vor Schäden durch Überspannung. Der untere Grenzwert ist mit 80 Prozent der Nennspannung sehr niedrig festgelegt, sodass bei einer hohen Belastung des Netzes der Strom von der Photovoltaikanlage weiter eingespeist und das Netz unterstützt wird. Auch der untere Grenzwert für die Frequenz ist aus diesem Grund mit 48 Hz sehr niedrig. Sinkt aber ein Wert unter den Grenzwert — z.B. weil das EVU die Spannung wegen eines Kurzschlusses oder einer anderen Störung abschaltet — dann trennt das Gerät die Photovoltaikanlage schnell vom Netz. Damit wird sichergestellt, dass die Anlage nicht mehr einspeist und das EVU das Netz abschalten und nach Beseitigung der Störung kontrolliert wieder hochfahren kann.

Wenn die Spannung in den zulässigen Bereich zurückkehrt, dann empfiehlt es sich, nicht sofort wieder zuzuschalten. Eine Rückschalt-Verzögerungszeit stellt sicher, dass der Netzbetreiber das Netz hochfahren kann und dass die Photovoltaikanlage erst wieder zugeschaltet wird, wenn netzseitige Schaltvorgänge abgeschlossen sind. Beim UFR 1000 ist diese Rückschalt-Verzögerungszeit nullspannungssicher ausgeführt. Das heißt, die Zeit läuft auch dann ab, wenn die Steuerspannung des Gerätes abgeschaltet wurde. Der Ablauf der Zeit wird im Display herunter gezählt. Das vereinfacht die Inbetriebnahme vor allem bei langen Zeiten. Man erkennt sofort den Betriebszustand und weiß, wie lange man noch warten muss.

Blockheizkraftwerk: Relais muss zusätzlich den Generator schützen

Auch bei Blockheizkraftwerken mit Synchrongeneratoren muss die Anlage im Fehlerfall schnell vom Netz getrennt werden, damit keine ungewollte Inselnetzbildung stattfindet und das EVU das Netz abschalten kann. Bei dieser Anwendung hat das UFR 1000 aber zusätzlich die Aufgabe, den Generator zu schützen. Dazu wird der Vektorsprung (Verschiebung der Nulldurchgänge der Spannung) überwacht.

Vektorsprünge treten auf bei Schalthandlungen im Netz, z.B. beim Zu- und Abschalten von Kraftwerken oder beim Schalten großer Verbraucher wie Aufzugsmotoren. Diese liegen in der Regel unter 5° und sind für den einspeisenden Generator kein Problem. Wenn das Netz wegen einer Störung abgeschaltet wird — z.B. weil ein Baum auf eine Leitung gefallen ist oder ein großer Vogel einen Kurzschluss verursacht hat — so treten große Vektorsprünge auf, die in der Regel über 8 bis 10° liegen. Diese können Schäden am Generator oder an Antriebsaggregat/Kupplung verursachen, weil die Trägheit der Schwungmassen den dabei auftretenden hohen Beschleunigungskräften entgegen wirkt. Außerdem versuchen Kurzunterbrechungs-Einrichtungen bei kurzzeitigen Störungen das Netz innerhalb von 150 bis 500 ms wieder einzuschalten. Der Synchrongenerator läuft während dieser Zeit frei und bei Netzwiederkehr stimmen die Phasenlagen des Netzes und des Generators nicht mehr überein. Das Ziehl-Relais nimmt den Generator schnell vom Netz, sodass er bei Netzwiederkehr getrennt ist und mögliche Schäden durch Zuschalten bei falscher Phasenlage verhindert werden.

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