Überstrom-, Differenzial- und Distanzschutz – Schutzkonzepte für Mittel- und Niederspannungsanlagen.
I_Auslöse = I_N × kEinstellwert mit Sicherheitsfaktor k
Schutzrelais sind die Wächter elektrischer Anlagen. Sie überwachen Ströme, Spannungen und weitere Parameter und lösen im Fehlerfall blitzschnell die Abschaltung aus. Von einfachen thermischen Überlastrelais bis zu komplexen digitalen Schutzgeräten – die richtige Auswahl ist entscheidend für die Anlagensicherheit.
Dieser Ratgeber erklärt die wichtigsten Schutzfunktionen und deren Einsatzbereiche.
| Kennziffer | Schutzart | Funktion |
|---|---|---|
| 50 | Momentan-Überstrom | Kurzschluss sofort |
| 51 | Verzögert-Überstrom | Überlast zeitabhängig |
| 50N/51N | Erdschluss | Erdfehlerstrom |
| 87 | Differenzial | Stromvergleich |
| 21 | Distanz | Impedanzmessung |
| 27 | Unterspannung | U < |
| 59 | Überspannung | U > |
| 81 | Frequenz | f < / f > |
| Parameter | Typischer Wert | Anwendung |
|---|---|---|
| I > | 1,1-1,3 × I_N | Überlastschutz |
| t > | 0,5-10 s | Verzögerung |
| I >> | 5-10 × I_N | Kurzschlussschutz |
| t >> | 0-0,3 s | Schnellabschaltung |
| Typ | Bezeichnung | Anwendung |
|---|---|---|
| SI | Standard Inverse | Normal |
| VI | Very Inverse | Kabel |
| EI | Extremely Inverse | Trafoschutz |
| LTI | Long Time Inverse | Motoren |
Vergleich der Ströme am Ein- und Ausgang:
| Zustand | Bedingung | Wirkung |
|---|---|---|
| Normal | I_ein ≈ I_aus | Keine Auslösung |
| Interner Fehler | I_ein ≠ I_aus | Sofortige Auslösung |
| Externer Fehler | I_ein = I_aus | Keine Auslösung |
| Schutzobjekt | Bezeichnung |
|---|---|
| Trafo | 87T |
| Generator | 87G |
| Sammelschiene | 87B |
| Motor | 87M |
| Leitung | 87L |
Misst Impedanz Z = U / I zur Fehlerentfernungs-Bestimmung:
| Zone | Reichweite | Auslösezeit |
|---|---|---|
| Zone 1 | 80-85% der Leitung | Sofort (t1 ≈ 0) |
| Zone 2 | 100% + 20-30% folgend | t2 ≈ 0,3-0,5 s |
| Zone 3 | Reserve | t3 ≈ 1-2 s |
| Position | Schutzgerät | I >> | t >> |
|---|---|---|---|
| Trafo Primär | 51 | 3 × I_N | 0,8 s |
| Sammelschiene | 50/51 | 5 × I_N | 0,4 s |
| Abgang | 50/51 | 8 × I_N | 0,1 s |
Staffelzeit: Δt ≥ 0,3 s zwischen den Stufen
Aufgabe
Ein 630 kVA Trafo (20kV/0,4kV) soll geschützt werden.
Lösung
Überstromschutz: I > = 23 A / 5 s, I >> = 146 A / 0,1 s
IEC 60255: Messrelais und Schutzeinrichtungen
DIN VDE 0670: Wechselstromschaltgeräte
IEEE C37: Protection Standard (ANSI-Kennziffern)
Wichtige Festlegungen:
Schutzrelais – Zusammenfassung:
ANSI-Kennziffern:
| Code | Schutz |
|---|---|
| 50/51 | Überstrom |
| 87 | Differenzial |
| 21 | Distanz |
| 50N/51N | Erdschluss |
Überstromschutz:
Selektivität: Δt ≥ 0,3 s zwischen Stufen
Differenzialschutz ist Pflicht für Transformatoren > 5 MVA und empfohlen für wichtige Anlagen (Generatoren, Großmotoren, Sammelschienen). Er bietet den schnellsten und selektivsten Schutz, da er nur auf Fehler im geschützten Bereich reagiert und externe Fehler ignoriert.
Bei Selektivität löst nur das Schutzgerät aus, das dem Fehler am nächsten ist. Die vorgelagerten Schutzeinrichtungen bleiben inaktiv. Dies wird durch Zeitstaffelung (Δt ≥ 0,3 s) oder Stromstaffelung (höherer Auslösewert bei vorgelagertem Schutz) erreicht.
Bei der inversen Kennlinie ist die Auslösezeit umgekehrt proportional zum Kurzschlussstrom: Je höher der Strom, desto schneller die Auslösung. Dies ermöglicht eine bessere Selektivität und schützt vor thermischer Überlast. Formel: t = k / ((I/I_s)^n - 1).