Einleitung
Spannungswandler sind je nach Art der Schaltanlage und Spannungsebene teure Elemente. Sie müssen korrekt ausgelegt, verbaut und gewartet werden. Eine gewisse Fehlerquelle geht wie bei allen Elementen auch von ihnen aus. Aus diesen Gründen ist es nun ratsam, Spannungswandler nur dort zu verbauen, wo sie auch tatsächlich benötigt werden.
Nun sind Sammelschienen so ein Ort, bei dem man gut gerne, auf den Einbau von Spannungswandlern verzichtet. Ausgenommen sind natürlich Schaltanlagen die konzeptionell vielleicht sogar nur mit Spannungswandlern auf der Sammelschiene ausgerüstet sind. Das hat auch seine Vorteile. So einem Satz Spannungswandler wird dann häufig ein eigener Schutz spendiert, damit es im Fehlerfall nicht gleich zu einer Abschaltung der gesamten Schaltanlage kommt. Das soll hier aber nicht das Thema sein.
In folgendem Büchlein geht es um Schaltanlagen bei denen beispielsweise für Synchronisierungszwecke keine Spannungswandler auf der Sammelschiene vorhanden sind. Dafür stehen aber meistens haufenweise Spannungswandler in den Abgängen zur Verfügung. Ist einer dieser Spannungswandler nun mit der Sammelschiene verbunden, der Abgang ist also zugeschaltet, kann die Sekundärspannung nun auch an die anderen Geräte verteilt werden, welche die Sammelschienen-Spannung interessiert und schon ist das Sammelschienen-Abbild fertig.
Damit ich mich folgend freier ausdrücken kann, verwende ich von nun an folgende Ausdrücke:
- Für Spannungswandler, VT wie Voltage Transformator
- Für Sicherungsautomat, MCB wie Miniature Circuit Breaker
Konzept
Im Prinzip funktionieren alle Spannungsabbilder – zumindest die, die mir bis jetzt untergekommen sind, alle nach dem gleichen Muster. Ich versuche folgend mal die Sache in drei Schritten auszudrücken:
Schritt 1, Topologie und MCBs
Der Schaltzustand aller Abgänge muss in gewissem Masse bekannt sein. Auch Abgänge ohne VTs und Kupplungen in der Sammelschiene können Spannung auf den Sammelschienen-Abschnitt bringen. Auch die Zustände der MCBs der VTs müssen einfliessen, gegeben Falls kann sogar die Spannung überwacht werden. Der potentialfreie Schaltzustand eines Sammelschienen-Abschnitts ist gerade bei Synchro-Angelegenheiten wichtig zu kennen. Ohne diese Information wäre es schon schwieriger jemals Spannung auf die Schiene zu bekommen.
Schritt 2, Priorisierung und Erstellung der Abbildspannung
Es muss konzeptionell entschieden werden welcher VT nun für das Sammelschienen-Abbild des entsprechenden Sammelschienen-Abschnittes verwendet wird. Häufig kommen da mehrere in Frage. Da aber bei vielen Geräten, welche die Sammelschienen-Spannung haben wollen gerade mal einen VT-Eingang dafür zu Verfügung steht muss umgeschaltet werden. VT-Wicklungen sollten zu keinem Zeitpunkt parallel geschaltet sein. Sie sind relativ niederohmige Spannungsquellen, welche bei Parallelschaltung die vorgeschalteten MCBs nur so fliegen lassen. Auch wenn beispielsweise mit Sampled-Values gearbeitet wird, muss klar sein welcher VT nun für welchen Sammelschienen-Abschnitt die Spannung zur Verfügung stellt. Bei der Feld zu Feld Methode kann so ein Sammelschienen-Abschnitt auch nur ganz kurz sein, nur bis zum nächsten Feld oder über das Ende der Sammelschiene zum Anfang hin reichen.
Schritt 3, Verteilung der Abbildspannung
Die Spannung wird den entsprechenden kleinen schwarzen Kästchen zugeführt. Dabei gilt es Schaltungstechnisch das gleiche zu beachten wie bei der Erstellung: Jedes der Kästchen bekommt eine Eindeutige Spannung es darf nie zu Parallelschaltungen der VTs kommen.
Methoden
Nun zum Interessanten Teil, den Methoden mit denen Konzepte erstellt werden. Die Unterschiedlichen Methoden bieten erhebliche Vor- und Nachteile und somit ist nicht jede Methode für jede Schaltanlage die richtige. Als Schreiberling dieser Page kenne ich kaum alle Methoden und schon gar nicht alle Kombinationen und Varianten davon. Dennoch wage zu behaupten, dass unter den vorgestellten Methoden mit ihren Varianten das Meiste und Gängigste gut abdecken lässt.
Die Namen der Methoden habe ich hiermit eingeführt, da es zumindest in meinem Arbeitsumfeld keine richtigen Namen gibt. Meist beginnen Sätze mit „So wie es Hersteller xy immer gemacht hat“ oder „So wie in Anlage xy“ wenn von einer Methode gesprochen wird. Häufig sind sich die Leute dann auch nicht mal so richtig im Klaren, was sie damit eigentlich genau meinen. Wird in der Konzeptphase einer Schaltanlage so geredet, wird auch so entschieden. Daraus folgt, dass je nach Geschmack und Gutdünken sich für irgendein Konzept entschieden wird. Weiter geht es mit Xerox-Engineering und wenn zu irgendeinem Zeitpunkt irgendjemandem auffällt, dass es so nicht geht, wird daran rumgewürgt bis es dann passt. Einen Nachweis dafür, dass das Umgesetzte in seiner Weise optimal gewählt wurde, danach fragt zu Glück keiner mehr -wenn es denn läuft. Die richtige Planung läuft vielmehr so ab, dass klar definiert sein muss was das Sammelschienen-Abbild alles können muss. Da zu diesem Zeitpunkt der topologische Aufbau der Anlage definiert ist und klar ist wofür die Abgänge verwendet werden, ist das einfach möglich. Gemäss einem Mix aus Kundenwünschen und der der Komplexität der Schaltanlage ergeben sich nun die technischen Anforderungen. Es soll nun eine Methode gewählt werden, die mit kleinstem Aufwand das alles abdeckt. Sie ist logischerweise die passende Methode.
Folgend werden mal die zwei häufigst anzutreffenden Methoden dargestellt und mit einer kleinen Fitzstiftcollage (ich verwende immer die radierbaren von Pilot) in einander übergeleitet.
Die Strang-Methode
Als Grundlage dient eine dreifeldrige Anlage. Jedes Feld hat einen Sammelschienentrenner /, einen Leistungsschalter X und einen VT mit einem MCB x.
Sekundärseitig sieht die Stangmethode dazu nun wie folgt aus:
Die Bedingung für die Wechler lautet in diesem Fall pro Feld / * X * x oder mit anderen Worten: Wenn dass Feld zugeschaltet ist und der VT misst, dann schalte. Damit erhalten alle IEDs die Spannung vom zugeschalteten Feld auf den Strang mit Priorität von rechts nach links.
Vor den Eingang der IEDs wir ein Schliesser geschaltet für die Anwahl der jeweiligen Sammelschiene. Er schliesst mit dem Sammelschienentrenner. Da in unserem Besispiel nur eine Sammelschiene verwendet wird kann man ihn auch weglassen.
Man stelle sich nun eine Doppel-Sammelschiene vor: In jedem Feld ergäbe sich ein weiterer Wechsler in einem weitern Strang. Aufgepasst mit den Schliessern für die Anwahl der Schiene: Nur einer der Schliesser darf zu sein da sonst zwei VTs parallel geschaltet werden! Es muss also eine Schaltung für die Priorisierung erstellt werden, was aber einfach ist.
Erweitert man die Anlage über einen Kuppelschalter um zwei Felder, sieht das so aus:
Das Sammelschienen-Abbild in Strang-Methode folgendermassen:
Der Wechsler und der Schliesser für die Kupplung folgen deren Logik. In userem Fall eben einfach dem Kuppelschalter. Wird eine Doppel-Sammelschiene gekuppelt sieht das gleich aus. Sollen auf einen Punkt eines Sammelschien-Abschnitts gleichzeitig mehr als nur ein zweiter gekuppelt werden können, muss die Schaltung Priorisiert werden – der 2 VTs parallel wegen.
Die von-Feld-zu-Feld-Methode
Da die Sache Schaltungstechnisch fast gleich aussieht wie die Strang-Methode sind sie Änderungen dazu nun in Rot eingetragen.
Mit dieser Darstellung wird klar, wie ähnlich sich die Methoden eigentlich sind. Der Strang wird zum Ring und dadurch in der Kupplung der Schliesser zum Wechsler. Im Wesentlichen kann die Verteilung an die IEDs überall im Ring sein und abgegriffen werden. Ich bevorzuge, wie oben eingemalt jeweils den Anschlusspunkt zum Nebenfeld, da bei der Zuschaltung am eignen Feld kein Ditch durch die Umschaltung entsteht.
Die grossen Unterschiede
Bei richtiger Veranschaulichung werden die grossen Unterschiede plötzlich ganz klein. Ein paar wesentliche Punkte gibt es aber zu beachten:
Verteilung der Abbildspannung:
Wie gesagt bietet die von-Feld-zu-Feld-Methode die IEDs, egal wo im Ring, abzugreifen. So können beispielsweise die Ditches bei der Zuschaltung vermieden werden und treten beim Feld auf, welches schon zugeschaltet ist.
Selektivität
Wird nichts für die Selektivität getan und ein Kurzschluss tritt auf rasselt in der von-Feld-zu-Feld-Methode die ganze Kette durch und das Abbild ist verloren. Die Ringe im Fehlerfall mit MCBs zu trennen wird in vielen Fällen ebenfalls zu Massenauslösungen führen und ist nicht empfehlenswert. Eine Variante bestünde darin anstatt normal Hilfskontakte für die MCBs auch Tripkontakte zu verwenden und bei Trip das Sammelschien-Abbild nicht umzuschalten. Damit würde der Abschnitt eingegrenzt.
Bei der Strang-Methode hat man auch nicht mehr Glück, gerade wenn der Fehler in der Verteilung, dem Strang also an dem die IEDs hängen, auftritt. Ein wenig Abhilfe schafft da ein MCB, ein Z2 oder so, am Anfang der Verteilung des Sammelschienen-Abbildes, um wenigstens die gekoppelten Sammelschienen-Abschnitte zu retten.
Bebürdung
Generell sind Verteilung guter Sammelschienen-Abbilder richtig bebürdet. Mancher denkt sich jetzt vielleicht, es kommt die Leier mit den Wandlerklassen. Darum geht es aber nicht primär.
Die Kontakte der verbauten Schütze müssen einen Strom führen um sicheren elektrischen Kontakt zu erstellen. Verwendet man nur das beste für diesen Zweck, und das will ich geraten haben, sind das bifurcated gold plated contacts für die so 5mA ideal sind (Datenblatt checken). Um 5mA über die Kontakte fliessen zu lassen ergeben sich bei einer Spannung von 100V/sqrt(3) 11.6kOhm. 10kOhm sind also die richtige Wahl. 10kOhm spendieren wir für 2 der Phasen 5kOhm der Dritten, damit die Sache schön asymmetrisch belastet ist und auch der vierte Kontakt für UN seine 5mA sieht. Moderne IEDs haben eine Eingangs-Impedanz von so 100kOhm aufwärts, was in realistischen Stückzahlen zu vernachlässigen ist. Die Leistung am VT der mit 5kOhm bebürdet ist beträgt bei Nennspannung 0.67W was tipp topp ist. Die Gesammtleistung aller Widerstände beträgt 1.34W. Die Leistung der Widerstände wird nun 5-fach Überdimensioniert. Es braucht Reserve falls die Betriebsspannung höher ist oder man bedenke Asymmetrie im Netz. Die Leistung am Widerstand steigt ja bekanntlich im Quadrat zur Spannung. Ausserdem soll die Oberfläche der Widerstände auch nicht an ihr Limit der zulässigen Temperatur gebracht werden. Nun wird alles in ein Gehäuse gepackt, das 5W abführen kann.
Der zweite Grund, und der ist genau so wichtig, warum die Verteilung des Sammelschienabbildes bebürdet sein soll sind Einkopplungen auf die langen Bussleitungen. Mit 10kOhm wird eine gute Entstörung erreicht.
Bei der Strang-Methode ist die Verteilung am Ende jedes Stranges. Es gibt also für jeden Sammelschienen-Abschnitt eine Bebürdung. Bei einer Doppel-Sammelschiene mit Längstrennung und Querkupplung sind das vier. Sind alle Sammelschien-Abschnitte gekoppelt ergibt sich als Belastung für den VT der an der Reihe ist nun die 4-fache Bürde was im Beispiel oben 4*0.67W = 2.67W für die stärkst belastete Phase ergibt… genug Reserve also. (VTs mit weniger als 5VA Nennbürde sind mir noch nie untergekommen, gegen oben scheint es oftmals keine Grenze zu geben 🙂 ) Was ich unterschlagen habe, vielleicht hat es einer gemerkt, sind die Kontakte zur Anwahl der Sammelschienen-Spannung auf das IED.
Problematisch kann die Sache mit der von-Feld-zu-Feld-Methode werden. Findet die Verteilung Feld zu Feld statt muss in jedem Feld auch bebürdet werden. Bei einer Anlage mit 20 Feldern sind das dann mit obenstehendem Beispiel 20*0.67W=13.4VA. Dafür können die Widerstände parallel zum IED geschaltet werden und auch die Kontakte für die Sammelschienen-Anwahl richtig belastet.
Material
Sammelschienen-Abbilder dürfen was kosten, jedoch nicht mehr als VTs auf der Sammelschiene. Wie bereits erläutert sind Störungen in nur schwer in der Griff zu bekommen. Aus meiner Erfahrung kann ich sagen, es gehen die meisten Störungen von Wechselkontakten aus. Ich verwende nur zwangsgeführte Wechsler was zuverlässig Überströme durch Parallelschaltung von VTs unterbindet. Auch für die Bebürdung sollten nicht die billigsten Widerstände genommen werden, sondern die, denen man ansieht, dass sie keine Probleme machen.
Full featured Kuppelfeld – Methode für das Design
Die diesem Abschnitt wird eine Methodik vorgestellt welche sich eignet besonders gut bei Schaltanlagen mit Kuppelfeldern, die auf unterschiedlichste Weise Sammelschienen-Abschnitte verbinden können, eignet. In Folgendem werde ich durch ein Beispiel meines Berufslebens führen bei dem vier Sammelschienen-Abschnitte in allen Varianten gekuppelt werden können. Die Abbild wurde nach der Strang-Methode konzipiert natürlich hätte es auch in der von-Feld-zu-Feld-Methode umgesetzt werden können. Natürlich müss die Logik nicht in einem IED umgesetzt werden sondern kann auch mit einem Schrank voller Relais implementiert sein. Jedoch sollte man sich dabei ausschliesslich auf die wichtigsten Kopplungsarten begrenzen und alles andere berieblich ausschliessen, da viele Relais oder Schütze störungsanfällig sind.
Topologie des Kuppelfeldes
Die Schaltanlage unseres Beispiels hat zwei Sammelschienen mit einem mittigen Kuppelfeld, welches wie folgt aussieht:
- Keine Kategorien
Aus der Topologie der Kupplung folgen sechs Möglichkeiten der Spannungsfortplanzung an die Sammel-Abschnitte zu:
Damit man sich nicht alles durchdenken muss sind folgend alle Verbindungszustände der Einzelnen Sammelschienen-Abschnitte rot markiert:
Der mitfühlende Leser denkt sich jetzt vielleicht wie man darauf kommt. Die Antwort lautet: Ich persönlich bin kein Mensch der sich solche Topologien gerne grafisch vorstellt oder aufmalt. Die Ungewissheit darüber eine Kombination vergessen zu haben wäre mir zu gross. Das oben Aufgezeigte ist das Resultat folgender Vorgehensweise:
Als erstes Überlege ich mir, mit wie vielen Schaltelementen ich es hier zu tun habe. Bei genauem Zählen komme ich auf sieben. Ein Schaltelement kann nun offen oder geschlossen sein für einen verwendbaren Zustand. Das sind zwei Zustände. Folglich widme ich die erste Überlegung der Frage ob ich eine Wahrheitstabelle mit 7^2=128 Zeilen malen kann. Es geht, hier ein paar Zeilen:
| Zustand Nr. | QB11 | QB21 | QB1 | QB2 | QA1 | QB10 | QB20 |
| 61 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 62 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 63 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 64 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 65 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 66 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 67 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 68 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 69 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 70 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 71 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 72 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 73 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
Die 1 bedeutet dabei, dass das Schalterelement geschossen ist, die 0 das es geöffnet ist.
Die Resultate entstehen daraus, dass für jede Zeile die topologischen Verbindungen zwischen den Schaltelementen überlegt wird. 1 steht dabei für verbunden und 0 für getrennt.
Dabei entsteht folgende Lösungstabelle für unsere 6 möglichen Verbindungen:
| Zustand Nr. | L-Nr. 1 | L-Nr. 2 | L-Nr. 3 | L-Nr. 4 | L-Nr. 5 | L-Nr. 6 |
| 61 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 62 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 63 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 64 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 65 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 66 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 67 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 68 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 69 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 70 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 71 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 72 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 73 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Die Verbindungen lassen sich nun bequem logisch ableiten. Aus einer derartigen Wahrheitstabelle heraus bietet es sich stets an „Sum of Prducts“ aus den einzelnen Zeilen zu bilden. Das ganze sollte dann zum Beispiel mit boolscher Algebra in die minimalform gebracht werden… wen es genau interessiert, sollte sich sein Skript „Digitaltechnik“ wieder einmal zu Gemüte führen. hier wird so vorgegangen: Man nimmt den Solver seines Vertauens wie zum Beispiel sowas: http://tma.main.jp/logic/index_en.html hackt die Wahrheutstabelle rein und raus kommt die Minimalform die dann, als Beispiel für die Laufnummer der Verbindung 1, SS1A-SS1B etwa so aussehen sollte:
QB11+QB1*QA1*QB10+QB1*QB2*QB21*QB20*QB10
Folgend nun als FUP dargestellt, die ersten drei Laufnummern. (Verbindungen mit SS1A)
Nun ist klar ersichtlich, dass auf diese Weise für jedes Bildchen in dem eine Spannungsfortpflanzung eingemalt wird ein AND entsteht welche danch mit OR zur Laufnummer der Verbindung Zusammengefasst werden. Das schöne an der Sache ist, man vergisst nix! Die Darstellung oben ist auf Grund zur Vermeidung vorgegaukelter Ausführlichkeit auf die Zustände 1, 2 und 3 reduziert. Diese Ausgangssignale stehen nun eindeutig für die selbe Spannung auf zwei verschiedenen Sammelschienen-Abschnitten und können weiter verarbeitet werden. Natürlich lässt sich das ganze viel eleganter und übersichtlicher mit ein paar Zeilen stctured text lösen, dennoch ist es gut für das Verständnis die den Sachverhalt mal Grafisch dargestellt zu haben. Ausserdem bietet es die Programmiervorlage für die einschlägigen schwarzen kleinen Kästchen der Energieversorgungsbranche, die eben nur mit CFC umgehen können.
Natürlich gilt auch hier, dass viele Wege nach Rom führen und die Auflösung der Topologie auf andere Wege geschehen kann. Jedoch ist sie schnell durchgeführt und übersichtlich was hilfreich ist bei Änderungen und Inbetriebsetzung.
Priorisierung
Wie erwähnt dürfen nie zwei VTs parallel geschaltet werden, da es sonst zu Überströmen kommt. Im Strang oder Ring geschieht dies durch Zwangsgeführte wechsler. Genaus muss es aber auch bei einer Kupplung sein. Mit Kontakten ist die Schaltung in den Absätzen für die Strang- und die von-Feld-zu-Feld-Methode bereits erklärt worden. Mit ein paar AND Gatter, in die natürlich auch die Überwachung für der Gültigkeit der Abblidspannung einfliessen muss lässt sich das ganze recht einfach lösen.
Überwachung
Bei der Überwachung des Sammelschienenabbildes wird häufig gepfuscht und zum Schluss bleibt dann nichts mehr übrig als betrieblich, bei irgend einem MCB eines VTs der offen ist, dass Sammelschienenabbild ungültig zu melden. Das Wichtigst ist, bei Spannung Null des Abbildes muss auch Null auf der Sammelschiene sein! Umschaltungen und Fail-Safe sind eingentlich für ein gutes Sammelschienenabbild eine Selbstverständlichkeit und verlangen nichts weiter als ein wenig Engineering.