Fenster schliessen etz 15/2000, Seiten 26-29 Berechnen elektrischer Anlagen Karl-Helmut Hannappel Wegen des Berechnungsaufwands werden die Bestimmungen hinsichtlich Kurzschlußströme und Selektivität in der Praxis vielfach ingnoriert. Objektorientierte Software-Tools bieten hier Abhilfe und erleichtern die korrekte Auslegung elektrischer Anlagen unter Verwendung bestehender VDE-Normen erheblich. Die Auslegung elektrischer Anlagen muss im wesentlichen drei prinzipiellen Anforderungen gerecht werden. Im Normalbetrieb treten als Anforderungen die thermische Belastung gemäß DIN VDE 0100-430 (VDE 0100 Teil 430):1991-11, DIN VDE 0298-4 (VDE 0298 Teil 4): 1998-11 sowie DIN VDE 0276-1000 (VDE 0276 Teil 1000):1995-06 der Bezug zum großen Prüfstrom und der Spannungsfall (DIN VDE 0100-520 (VDE 0100 Teil 520):1996-01 auf. Die zweite Anforderung ist der kritische größte Kurzschlußstrom. Dabei ist von der maximal gleichzeitig parallelgeschalteten Trafo- und Generatorleistung auszugehen. Grundsätzlich sind die Anlagenteile vor den dynamischen und thermischen Kurzschlußbeanspruchungen zu schützen. Nach DIN VDE 0100 (VDE 0100 Teil 300):1996-01 (im Allgemeinen) sowie DIN VDE 0107 (VDE 0107):1994-10 und DIN VDE 0108-1 (VDE 0108 Teil1):1989-10 (im Speziellen) ist darüber hinaus für eine selektive Kurzschlussabschaltung zu sorgen. Die dritte Anforderung ist der kritische kleinste Kurzschlußstrom (DIN 57102-2 (VDE 0102 Teil 2):1975-11 am Ende der Abgangsstrecke. Dieser ist maßgebend für die Ansprechsicherheit "Schutz gegen elektrischen Schlag" gemäß DIN VDE 0100-410 (VDE 0100 Teil 410):1997-01, d.h. der Schutz am Streckenanfang muss noch ansprechen. Auch hier ist die Selektivität zu prüfen. Die beiden gegenläufigen Kurzschlußanforderungen sind bei der Auslegung entsprechend zu koordinieren, was in der Praxis oft unterbleibt. Am Beispiel des Softwarepakets elcoPower soll gezeigt werden, welche Möglichkeiten hier aktuelle Software-Tools bieten. Grafische Abbildungen der Einspeisestrukturen Der Projekt-Navigator erlaubt beliebig tiefe Projektstrukturen und eine Darstellung mit Baumansicht als Explorer. Die grafische Eingabe zur Abbildung der Einspeisestrukturen aller Betriebszustände umfaßt dabei Transformatoren, Generatoren, Wechselrichter, IT-Transformatoren, "intelligente" Kuppelschalter sowie die Netzübernahme extern über Z und den Impedanzwinkel, Netzübernahme intern von 1 oder 2 Sammelschienen für Impedanzen MAX, gegebenenfalls parallel, sowie MIN. Ein Anlagen-Manager fungiert als Explorer für den weiteren Anlagenaufbau, sowie für die Übersichts- und Steuerzentrale. Automatische Übersichtsschaltpläne sind abrufbar mit dem Stand der jeweiligen Eingabe- und Ergebnisdaten. Eine als Ampelsteuerung ausgebildete Zustandsanzeige hilft dem Benutzer beim visuellen Erfassen des Bearbeitungszustands für das jeweilige Betriebsmittel: • rot - Fehler bei der Berechnung, • gelb - noch unbearbeitet • grün - nach geprüfter Eingabe, und "o.k." Für die Berechnungen stehen standardmäßig diverse Betriebsspannungen für 16 ²/³ Hz, 50 Hz und 60 Hz mit unterschiedlichen Schutzmaßnahmen zur Verfügung. Die Nennspannung ist natürlich auch in den Stammdaten verankert. Daher legt der Rechner beispielsweise bei 690 V keine Leitungsschutzschalter oder Mantelleitung NYM zur Auswahl vor. Neu- und Nachberechnung aller Komponenten Zunächst werden für eine Neuberechnung alle Komponenten ausgelegt, d.h. Schutzgeräte, Kabel mit Ihren Leiterquerschnitten, Sammelschienen, Transformatoren und Generatoren; für diese Dimensionierungen können wahlweise auch Vorschlagswerte eingegeben werden, falls vorhanden hält sich der Rechner an solche Mindestwerte, solange nicht höhere Ergebniswerte bei der Berechnung herauskommen. Stammen bei mehreren Sammelschienen oder bei einem internen Knoten die maximalen und minimalen Anfangsimpedanzen von zwei verschiedenen Quellen bzw. Betriebszuständen, sind weitere interne Berechnungsdurchgänge erforderlich. Bei Nachberechnungen erfolgt ein weiterer Berechnungslauf, wobei die Eingabedaten erhalten bleiben. Aus dem Vergleich der Ergebniswerte Neuberechnung gegen Nachberechnung resultieren die Fehlermeldungen bei Nichtübereinstimmungen. Das Kopieren von Sammelschienen-Baumstrukturen hilft dabei vorteilhaft bei der Untersuchung alternativer Einspeisungen. Als Abgänge können Stichleitungen oder Leitungen zum Einschleifen gewählt werden. Mit Hilfe eines Datenfeldes lässt sich die Zahl der Abgänge beliebig anpassen. Verteilerbezeichnungen, Stromkreisnummern und interne Knoten weist das Programm automatisch entsprechend zu. Kabel können von der Software vielfältig berücksichtigt werden: Absicherung der Parallelkabel gemeinsam oder getrennt; Funktionserhaltkabel, Anteil "heißer" Kabellänge variabel; wirtschaftlicher Leiterquerschnitt. Falsche Eingaben werden durch die programmierten Übergänge NYIF -> NYM -> NYY -> NYCWY vom Rechner richtiggestellt, bei halogenfreien und Funktionserhaltkabeln erfolgt dies sinngemäß. Schienenverteiler und Freileitungen stellen ebenfalls kein Problem dar. Schutztechnik verschiedener Hersteller bereits berücksichtigt Die Software elcoPower bietet Schutztechnik unterschiedlicher Hersteller; von Leitungsschutzschaltern bis zu Leistungsschutzschaltern mit elektronischen Auslösern und I²t-Verschiebung. Zum Einsatz gelangen: • Leitungsschutzschaltern, • D/D0-Sicherungen, • NH-Sicherungen, • Leistungsschalter in Standard-Ausführung, • Leistungsschalter mit elektronischer Auslösung • HH-Sicherungen auf der Primärseite Trafo, • UMZ-Schutz auf der Primärseite Trafo. Bei einer Neuberechnung genügt es, nur das Schutzgerät auszuwählen. Diese Eingabe muß nicht fundiert sein. Im Zuge der programmierten Übergänge - d.h. abhängig von Nennspannung, Kurzschlußfestigkeit und Nennstrom - wird aus einem eingegebenen Leitungsschutzschalter ggf. eine D-Sicherung, dann eine NH-Sicherung und schließlich ein Leistungsschalter. Alle weiteren Parameter werden ebenfalls vom Rechner eingestellt. Bei einer Neuberechnung optional, bei einer Nachberechnung obligatorisch, kann die genaue Ausführung der Schutzeinrichtungen von Anfang an vorgegeben werden. Die Eingabefelder bis hin zu den Fabrikatebezeichnungen werden getriggert; d.h. reagieren auf gegenseitige Eingaben und Änderungen; danit bieten sie das Abbild des Hersteller-Lieferspektrums. Bei Leistungsschaltern mit elektronischen Auslösern gibt es mit Abstand die größte Vielfalt: Bauart, Nennstrom, Fabrikat, Einstellstrom des Überlastauslösers, Trägheitsklasse, Strom und Zeit des kurzverzögerten Kurzschlußauslösers, I²t-On/Off, Einstellung Kurzschlußauslöser. Die von Hannappel SOFTWARE initiierte PXF-Schnittstelle (elcoPower Exchange Format) erleichtert die Übernahme von Daten und Kennlinien der Gerätehersteller und vermeidet das ansonsten nötige Scannen und Abdigitalisieren der Kennlinien. Ausführliche Berechnungsnachweise Das Rechenverfahren arbeitet mit Hilfe einer invertierten Leitwert-Matrix. Die Knoten werden vom System vergeben. Ebenfalls berücksichtigt werden: • ohmscher Spannungsabfall mit der tatsächlichen Leitertemperatur, • induktiver Spannungsabfall, • Überlastschutz wahlweise Streckenanfang/-ende, • gesonderter Nachweis Kurzschlußschutz, • Schutz gegen elektrischen Schlag, • Kurzschlußströme nach DIN VDE 0120 Ausführliche Berechnungsnachweise entstehen durch automatisch erstellte DXF-Übersichtspläne, die auch in fremde CAD-Systeme übernommen werden können. Eine Excel-Tabelle dient als VDE-Nachweis mit den Berechnungs-Kennzahlen: • thermische Belastung, • Bezug zum großen Prüfstrom, • Kurzschlußschutz Ist/Soll, • Ansprechsicherheit Ist/Soll, • Spannungsfall Ist/Soll, • Spannungsfall bei Funktionserhalt, • kumulierter Spannungsfall. Die Lastfluß-Hochrechnung erfolgt über die an den Sammelschienen stufenweise eingesetzten Gleichzeitigkeitsfaktoren. Die Auslegung aller Komponenten einschließlich Transformatoren und Generatoren findet sich ebenfalls in der Ergebnisdarstellung wieder. Bei jeder Sammelschiene werden Nennstrom, dynamische Kurzschlußfestigkeit. die maximalen Kurzschlußströme - ein-, dreipolig und Stoßkurzschlußstrom - sowie die minimalen Kurzschlußströme - drei-, zwei- und einpolig - ausgegeben. Staffelpläne werden automatisch generiert Die Staffelpläne benachbarter Schutzeinrichtungen werden automatisch im doppel-logarithmischen Maßstab generiert. Die Kennlinienübergänge werden mit variablen Streubändern sauber verschnitten. An der Nahtstelle Nieder-/Mittelspannung wird noch der Trafoschutz Primärseite (HH oder UMZ) grafisch aufgetragen und ausgewertet. Virtuelle Kennlinien kommen bei den Paralleleinspeisungen zum Einsatz. Die Online-Visualisierung hilft bei der unmittelbaren Optimierung der Schutzeinrichtungen. Ausführliche Selektivitätsnachweise sind ebenfalls kein Problem. Integration elcoPower (früher elcoCAE) gehört zur Software-Familie elcoSystem. Vorgesehen ist der interne Verbund mit Kabelrouting (automatische Kabelwege-Suchfunktion), Trassenplanung, Kabelzuglisten, Verteilerplänen, Wirtschaftlichkeitsberechnung als Preisspiegel alternativer Hersteller, mit Aufmaßvorbereitung und Visualisierung. Die abgespeckte Version elcoPower Compact arbeitet eigenständig und ist z.B. als Zusatz auf Baustellen. Weitere Berechnungsprogramme (DOS-Betriebssystem) für Ringe und vermaschte Netze, Kurzschluß- und Lastflußberechnungen auf allen Spannungsebenen, Berechnen von Mittelspannungskabel sind verfügbar. Ausblick Die Anwendungsarchitektur und der Quellcode von elcoPower sind dem Stand der Techik entsprechend 100% objektorientiert. Das garantiert dem Benutzer eine gute Wartbarkeit und Zukunftssicherheit. Die eingesetzte CAD-Technologie stammt aus der Produktfamilie elcoSystem für die elektrische Installationstechnik mit über 2000 verkauften Lizenzen und hat sich in der Praxis bereits bewährt. Die vorhandenen Software-Tools erlauben eine praxisgerechte Handhabung bestehender VDE-Normen im Bereich der Kurzschluß- und Selektivitätsbetrachtung ohne den Zwang, sich Spezialwissen aneignen zu müssen. Die Aspekte Zukunftssicherheit und bewährte Technik sollten für den professionellen Entscheidungsträger zusätzlich ein wichtiges Kriterium darstellen. Fenster schliessen