DE102004027936A1

DE102004027936A1 - Verwendung eines digitalen Schutzrelais im elektrischen Netz des Steinkohlenberghaus

Info

Publication number: DE102004027936A1
Application number: DE102004027936A
Authority: DE
Inventors: Michael Nieborg; Klaus Crumbiegel
Original assignee: RAG AG
Current assignee: RAG AG
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2005-12-29

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines digitalen Schutzrelais zum Maschinenanlauf im elektrischen Netz des Steinkohlenbergbaus, welches neben der Schutzfunktion "Kurzschlussauslösung" weitere Schutzfunktionen, die nebeneinander aktiv sein und einander blockieren können, aufweist, zum Maschinenanlauf, wobei beim Anlaufen der Maschine nacheinander die der Maschine zugeordneten Motoren eingeschaltet werden und die Stromamplitude stufenweise ansteigt und, wenn eine der Schutzfunktionen ein Überschreiten einer maschinenabhängigen Stromgrenze detektiert, wird vor Einschalten des nächsten Motors die Schutzfunktion "Kurzschlussauslösung" blockiert und dieses Blockieren nach erfolgtem Anlauf der Maschine, d. h. nach Unterschreiten der festgelegten Stromgrenze, wieder aufgehoben.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines digitalen Schutzrelais im elektrischen Netz des Steinkohlenbergbaus, welches neben der Schutzfunktion „Kurzschlussauslösung" weitere Schutzfunktionen, die nebeneinander aktiv sein und einander blockieren können, aufweist.

Ein derartiges Schutzrelais ist mit einer Anzahl von Schutzfunktionen ausgerüstet, die sich an dem Funktionsumfang orientieren, der in der Schutztechnik üblich ist. Hinzu kommen Funktionen für Anwender, die spezielle Bedürfnisse anmelden. Weil solche Relais auch für den Schutz von Betriebsmitteln in explosionsgefährdeten Bereichen (wie z.B. der Bergbau) eingesetzt werdenb, ist auf Druck dieser Anwender die Prüfung der Funktionalität als „Safety Device" im Sinne der Richtlinie 94/9/EG durchgeführt worden. Der dadurch mögliche Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich des Steinkohlenbergbaus erforderte einige Ergänzungen, damit das Gerät in untertägigen Schaltfeldern verwendet werden kann. Dabei hat sich nun gezeigt, dass einige Aspekte des Steinkohlenbergbaunetzes von dem abweichen, was über Tage angetroffen werden kann.

Dabei geht es um den Anlauf einer Maschine mit mehreren Motoren, wie sie im Bergbau als Bandantrieb, als Antrieb für einen Kettenförderer oder für einen Kohlenhobel vorkommen.

Zum besseren Verständnis werden zunächst die im Relais vorhandenen Funktionen angesprochen und erläutert, warum mit ihnen die Vorgänge beim Maschinenanlauf nicht ad hoc zu bewältigen sind.

Beispielhaft wird auf das Relais 7SJ62 von Siemens verwiesen.

Das Gerät bietet neben zahlreichen anderen Funktionen einen Überstromschutz und einen Motorschutz. Der Überstromschutz dient der Abschaltung zu hoher Ströme (Überlast oder Kurzschluss), was die überwiegende Aufgabe der im untertägigen Hochspannungsnetz eines Bergwerkes eingesetzten Schutzrelais ist. Die Aufgabe des Relais hier ist somit in erster Linie die schnelle Abschaltung des Kurzschlusses und die Vermeidung von heißen Oberflächen.

Weiterhin ist das Gerät mit einer „dynamischen Parameterumschaltung" ausgestattet, die es im ausgeschalteten Zustand des Schaltfeldes erlaubt, auf einen geänderten Parametersatz umzuschalten, der den temporären Effekten nach dem Einschalten Rechnung trägt. Diese Umschaltung geschieht bei ausgeschaltetem Schalter. Nach Ablauf einer einstellbaren Zeit werden die Standardwerte aktiv. Diese Funktion eignet sich für den Einschaltvorgang von Transformatoren, ist aber nicht auf das Anfahren von Bergbaumaschinen ohne weiteres übertragbar.

Darüber hinaus verfügt das Relais über vier Parametergruppen, zwischen denen auch im laufenden Betrieb gewechselt werden kann. Dieser Wechsel ist aber mit internen Prüfungen verbunden und geht deshalb relativ langsam vor sich. Der Anlaufvorgang einer Maschine vollzieht sich wesentlich schneller, weshalb diese Funktion hier nicht verwendet werden kann.

Im Handbuch des beispielhaft genannten Schutzrelais wird bezüglich der Einstellung des Überstromschutzes beim Anlauf eines Motors ausgeführt:
Für den Kurzschlussschutz eines Motors ist zu beachten, dass der Einstellwert kleiner als der kleinste (2-polige) Kurzschlussstrom und größer als der größte Anlaufstrom sein muss. Da der maximal auftretende Einschaltstrom in der Regel auch bei ungünstigen Verhältnissen unter 1,6 x Nennanlaufstrom liegt, ergibt sich für die Kurzschlussstufe I» folgende Einstellbedingung: 1,6·Ianlauf < I» <Ik2pol

Ein erhöhter Anlaufstrom durch eine eventuell anliegende Überspannung ist im Faktor 1,6 bereits berücksichtigt. Die I»-Stufe kann unverzögert werden, da beim Motor -anders als z.B. beim Transformator- keine Sättigung der Querreaktanz auftritt."

Die somit festgelegte Forderung an das elektrische Netz kann das Bergbau- Netz nicht erfüllen, weil der übertägige Einspeisepunkt sehr weit von den untertägigen Motoren entfernt ist. Dazu kommt noch, dass im Bergbau nicht bei I_k2pol, sondern schon bei Erreichen von 80% davon abgeschaltet werden muss. Obenstehende Größengleichung heißt dann 1,6·Ianlauf < 80% Ik2pol

Dämpfend auf die Amplitude wirkt andererseits die lange Zuleitung, die bewirkt, dass 1,6·I_anlauf nicht fließt. Weitere Entlastung bringt es, die Motoren einer Maschine zeitverzögert nacheinander einzuschalten.

Trotzdem war es mit der bisherigen Schutztechnik nicht machbar, eine komplette Maschine aus einem Schaltfeld ohne zusätzliche Maßnahmen zu versorgen. Dies hat bisher dazu geführt, dass man immer mehrere Schaltfelder und Leitungen eingesetzt hat, wenn aus der Erfahrung bekannt war, dass es beim Anlauf zur Kurzschlussauslösung kommen könnte.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das obengenannte Schutzrelais für den Anlauf der Bergbaumaschine zu benutzen, um es möglich zu machen, die Maschine an einem Schaltfeld zu betreiben, ohne dass ein Betriebsmittel oder eine Leitung überlastet wird und ohne dass es zu einer unberechtigten Auslösung durch Ansprechen des Kurzschlussauslösers kommt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Verwendung des digitalen Schaltrelais zum Maschinenanlauf, wobei beim Anlauf der Maschine nacheinander die der Maschine zugeordneten Motoren eingeschaltet werden und die Stromamplitude stufenweise ansteigt und, wenn eine der Schutzfunktionen ein Überschreiten einer maschinenabhängigen Stromgrenze detektiert, wird vor Einschalten des nächsten Motors die Schutzfunktion „Kurzschlussauslösung" blockiert und diese Blockierung nach erfolgtem Anlauf der Maschine, d.h. nach Unterschreiten der festgelegten Stromgrenze, wieder aufgehoben.

Der Anwender kann den zur Auslösung führenden Stromverlauf betrachten und untersuchen. Diese Funktion stellt einen Oszillographen mit Auslösung durch das Ereignis dar, wodurch die Verhältnisse angezeigt werden und der sinnvolle Wert der Stromgrenze bestimmt werden kann. Ohne diese „Störschrieb" genannte Funktion läßt sich die Stromgrenze nicht einfach korrekt bestimmen, weil sie sich aus den angeschlossenen Motoren und den Netzverhältnissen ergibt. Diese Daten sind für jeden Einsatz unterschiedlich.

Die Verwendung eines derartigen digitalen Schutzgerätes bietet somit erstmals die Möglichkeit, eine unberechtigte falsche Kurzschlussauslösung zu verhindern. Benutzt wird hierbei die Eigenschaft, dass zahlreiche Schutzfunktionen nebeneinander aktiv sein können sowie ihre gegenseitige Blockierung.

Zum Verständnis der Differenzierung zwischen Kurzschluss und Maschinenanlauf muss man den Stromverlauf betrachten: Beim Kurzschluss springt die Stromamplitude innerhalb einer Periode mindestens auf einen Wert in der Größe von I_k2pol, während beim Anlauf der Maschine mit zeitverzögerter Einschaltung der Motoren die Stromamplitude stufenweise ansteigt. Die Höhe jeder Stufe entspricht der Größe des Motors, der Stufenabstand der Staffelzeit zwischen zwei Motoren. Stellt eine Schutzfunktion fest, dass eine abhängig von der Maschine gewählte Stromgrenze überschritten ist, bleibt ausreichend Zeit, um vor Einschalten des nächsten Motors die Kurzschlussauslösung bei 80% von I_k2pol zu blockieren.

Als Reserveschutz ist während der Blockierung eine Auslösung knapp unterhalb von 100% I_k2pol aktiv (Anspruch 3).

Die Blockierung ist nur vorübergehend aktiv, sie wird beispielsweise eine Sekunde nach dem Hochlauf automatisch aufgehoben. Dadurch unterscheidet sich die Lösung von den Möglichkeiten, die bisher realisiert werden konnten, denn bisher war eine einmal gewählte Einstellung des Schutzrelais dauernd aktiv.

Die Auswahl, welche der Stromgrenzen der verschiedenen Schutzfunktionen die Aufgabe übernimmt, die Abschaltung zu blockieren, hängt von den Schutzfunktionen ab, die je nach Bestückung des Schaltfeldes mit Meßwandlern aktiviert werden können.

In dem beigefügten Diagramm, ist am Beispiel eines Strebförderers mit sechs Motoren mit je 400 kW der Anlaufvorgang dargestellt. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, wird beim Einschalten des vierten Motors der Ansprechwert überschritten.
Die Verwendung des digitalen Schutzrelais erlaubt das vorübergehende Unwirksammachen (Blockieren) der kleinen Stufe (80% von I_k2pol) des Kurzschlussauslösers, wenn bei langsamen Stromanstieg die Stromgrenze überschritten wird.
Bei Unterschreiten dieser Stromgrenze wird die Blockierung wieder aufgehoben, d.h. dann ist die Maschine angelaufen.
Grunsätzlich lässt sich die oben beschriebene Blockierung mit jedem digitalen Relais realisieren, das dem Anwender die oben angesprochenen Freiräume gewährt.

Claims

Verwendung eines digitalen Schutzrelais zum Maschinenanlauf im elektrischen Netz des Steinkohlenbergbaus, welches neben der Schutzfunktion „Kurzschlussauslösung" weitere Schutzfunktionen, die nebeneinander aktiv sein und einander blockieren können, aufweist, zum Maschinenanlauf, wobei beim Anlaufen der Maschine nacheinander die der Maschine zugeordneten Motoren eingeschaltet werden und die Stromamplitude stufenweise ansteigt und, wenn eine der Schutzfunktionen ein Überschreiten einer maschinenabhängigen Stromgrenze detektiert, wird vor Einschalten des nächsten Motors die Schutzfunktion „Kurzschlussauslösung" blockiert und dieses Blockieren nach erfolgtem Anlauf der Maschine, d.h. nach Unterschreiten der festgelegte Stromgrenze wieder aufgehoben.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlussauslösung bei 80% von I_k2pol (kleine Stufe) blockiert wird.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Blockierung eine Kurzschlussauslösung knapp unter 100% I_k2pol aktiv ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schutzfunktionen von Messwandlern aktivierbar sind, mit denen das Schaltfeld bestückt ist, wobei von diesen Schutzfunktionen die Auswahl, welche Stromgrenze die Aufgabe übernimmt, die Abschaltung zu blockieren, abhängt.