Dipl.-Ing. Karl Korupp

SET selected electronic technologies GmbH Wedel - Germany

Vorteile und Besonderheiten von Reihenschwingkreisen für die Ableitung von

Wechselspannungen auf beeinflussten Rohrleitungen

12. Praxistag Korrosionsschutz

Am 27. Juni 2018 in BochumRuhr-Congress Bochum

Juni 2018

Selected Electronic Technologies GmbH ist ein weltweit engagiertesIngenieur-Unternehmen im Hinblick auf Entwicklung, Herstellung, Lieferungund Wartung von Energiesystemen und Steuerungen mit Schwerpunkten inden Bereichen Solartechnik, kathodischem Korrosionsschutz und derindustriellen Strahlenvernetzung.

Zertifiziert vom TÜV Rheinland gemäß DIN EN ISO 9001-2008

Seit mehr als 30 Jahren Partner der Industrie

Für Anwendungen im kathodischen Korrosionsschutz

Entwicklung & Engineering Schutzstromgeräte Abgrenzeinheiten Service und Messtechnik

SET Leistungen und Produktefür Anwendungen für den

Kathodischen Korrosionsschutz

Abgrenzeinheiten zum Schutzvon

AC beeinflussten Rohrleitungen

Ursachen für Beeinflussungen an Rohleitungen

Hochspannungsleitungendauernd auftretende Einwirkung im Normalbetrieb

Elektrische Bahnenhäufig auftretende Einwirkungen längerer Dauer im Normalbetrieb

Erdkurzschlüsse und ErdfehlerLangzeitbeeinflussung: vorübergehende Einwirkung längerer, jedoch

begrenzter Dauer im FehlerfallKurzeitbeeinflussung: seltene Einwirkung von sehr kurzer Dauer

im Fehlerfall

Blitzschlag

direkte Einschläge oder indirekte Beeinflussung

Die eingekoppelten Beeinflussungsspannungen können an derRohleitung zu Personen- und Sachschäden, sowie bei dauernd undhäufigem Einwirken zu AC-Korrosion führen.

Historischer Hintergrund

Zeitachse 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2018 ……………

Entwicklung und Anwendung von „Dynamische Erdungsanlagen“ (Vollwellen –Kompensation) zum Schutz der Rohrleitungen gegen Wechselstromkorrosion.Kompensation der Wechselspannung mit einstellbarem DC Offset zur schnellen KKS Regelung.

Entwicklung und Anwendung von kapazitiven Abgrenzeinheiten zur Ableitung von Wechselströmen bei gleichzeitiger ausreichend gleichstrommäßiger Trennung zwischen Rohrleitung und Erder

Entwicklung und Anwendung von stromtragfähigen Reihenschwingkreisen, die mit Ihren Zusatzbeschaltungen sowohl eine Reduzierung der Wechelstromgefährdung als auch den Berührungsschutz sicherstellen. Anwendung zum Schutz von Personen und Rohrleitung bei Langzeit- und Kurzzeit beeinflussten Rohleitungen.

Entwicklung und Anwendung von Thyristor Abgrenzeinheiten zum Schutz vor zu hohen Berührungswechselspannungenzwischen Rohrleitung und Erder

Die Basisentwicklungen (OGE) und die weiterführenden Entwicklungen und Optimierungen wurden in enger Zusammenarbeitzwischen der OGE Open-Grid-Europe GmbH und der SET selected electronic technologies GmbH durchgeführt.

Anforderungen an optimale Abgrenzeinheit/Abgrenzeinheiten Systeme

Abgrenzeinheiten müssen den Berührungsschutz unter allen Umständensicherstellen. [DVGW Regelwerk G 466-1 Abs. 5.4 (2012) und DVGW GW 22]

Abgrenzeinheiten sollen den Wechselstrom ableiten und gleichzeitig einegleichstrommäßiger Trennung sicherstellen.

Abgrenzeinheiten sollen Wechselstromkorrosion weitestgehend vermeiden.[DVGW GW 28]

Abgrenzeinheiten müssen bei der Messungen zum Nachweis des kathodischenKorrosionsschutzes zwischen Rohrleitung und Erder geschaltet bleiben.

Bei Abgrenzeinheiten sollten keine Rest-/Leckströme (wie bei Elektrolyt-Kondensatoren „produktbedingt“) fließen. Dieses ist von besonderer Bedeutungbei IFO Messungen zum Nachweis der Umhüllungsqualität. Besonders, wenndie Umhüllungswiderstände im Bereich um Ru= 108 (Ω 𝑥 𝑚2) liegen.

Abgrenzeinheiten sollten für Potenzialabsenkungen bei den IFO Messungenbis auf minus 25V DC oder niedriger geeignet sein.

Erfüllen Reihenschwingkreise all diese Anforderungen ?JA – aber weshalb ?

Was zeichnet die Reihenschwingkreise aus ?

Im Gegensatz zu den kapazitiven Abgrenzeinheiten ist ein Reihenschwingkreis auseinem Kondensator und einer Drossel aufgebaut. Bei optimaler Abstimmung desSchwingkreises liegt der Resonanzwiderstand bei nahezu NULL. Technisch erreichbarsind Resonanzwiderstände zwischen 0,3 und 0,4 Ohm.

Im Gegensatz zu den kapazitiven Abgrenzeinheiten benötigt der Reihenschwingkreisbei gleicher Wechselstrom-Ableitfähigkeit bis zu 5000 mal weniger Kapazität.

In Zahlen bedeutet das beim Einsatz von z.B. 10 Abgrenzeinheiten an einemSchutzabschnitt:

Bei den kapazitiven Abgrenzeinheiten 9,4 F (0,94F / Ableit-Standort) Bei den Reihenschwingkreisen 0,002F (210µF/Ableit-Standort)

Das sind also 4500-fach weniger Kapazität bei den RSKs

Im Gegensatz zu kapazitiven Abgrenzeinheiten verwendet man bei den Reihen-schwingkreisen hochwertige Folienkondensatoren, die keine Rest-/Leckströmeverursachen.

Durch die DC Spannungsfestigkeit der Folienkondensatoren können die RSKs auch beiPotenzialabsenkung auf minus 25V an der Rohrleitung bleiben.

Durch eine Schutzbeschaltung der RSKs mit den T-ÜS, TAK und TAC Geräten ist derBerührungsschutz an der Rohrleitung auch während der Messungen damit sicher-gestellt.

Übersicht Abgrenzeinheiten

Rohrleitung

Produktnamen CAE RSK TAK/T-ÜS TAC/TAK-C Kombinationen von RSKmit T-ÜS und TAC

Was bewirken zu große Kapazitäten an der Rohrleitung

τ = 𝒁𝒆𝒊𝒕𝒌𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 𝒊𝒏 𝑺𝒆𝒌𝒖𝒏𝒅𝒆𝒏 = 𝑹 ∗ 𝑪

R = Widerstand in Oℎ𝑚 Ω =𝑉

𝐴

C = Kapazität in 𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑 𝐹 =𝐴𝑠

𝑉 Wenn das korrekte Ausschaltpotenzial gemessen werden soll, muss der Umladevorgang nach 5 τ abgeschlossen sein.

In diesem Beispiel nach 200ms

R A = DC AusbreitungswiderstandC ges. = Gesamtkapazität (Eigen- und zugeschaltete Kapazität)

Nach 5 τ gilt der Lade- Entlade-Vorgang als abgeschlossen

Kondensator im Gleichstromkreis

Einfluss von Gesamtkapazität und DC Ausbreitungswiderstand

Wenn nach 5τ < 200ms gemessen

werden soll, würde das bedeuten:

1) Mit kapazitiver Abgrenzeinheit:

RA = 100 Ohm, C=470 000 µF

ergibt:

5 x tau = 235 s (= 3,9 Minuten)

2) Mit einem Reihenschwingkreis:

RA = 100 Ohm, C = 210 µF

ergibt:

5 x tau = 105 ms

Beispielrechnung

5 t

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

100000000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000

4200

Cgesamt (µF)

5 t

in

ms

1000000

500000

100000

50000

10000

5000

1000

500

100

80

50

20

10

8

6

4

2

1

200ms

Ra in Ohm

Grafik OGE 2011

Einfluss der Kapazitäten auf die Ausschalt Potenzialmessungen

+ ohne Kapazitäten oder + optimal entladene Kondensatoren

zu viel Kondensator-Kapazitätan der Rohrleitung

zu starke Entladung

Messergebnisse der Ausschaltpotenziale bei realem Betrieb an der Rohrleitung

Der SET TaktManager (SET-TM2) steuert die Umladung der Kondensatoren über Entladestrom und Zeit, sodass nach z.B. 200ms gemessen werden kann.

Auszug aus Protokollen PPE und SET 6/2016

Produktübersicht

Reihenschwingkreise und übergeordnete

Schutzeinrichtungen

Gerätetechnische Lösungen zum Schutz AC beeinflusster Rohleitungen

CAE 16/500 und CAE 30/800

RSK 25A/50Hz RSK 20A/16,7Hz

zur Sicherstellung des Berührungsschutzes an einer beeinflussten Rohrleitung werden die RSK

kombiniert mit:

RSK mit Transienten Modul (T-Modul)

RSK mit Transienten und Überstrom-Schutzmodul (T-ÜS-Modul)

RSK mit Thyristorabgrenzeinheit (TAC) … (für hochbeeinflusste

Standorte)

TAK 630 (ähnlich T-ÜS-Module) TAK 1000

OWM (Oberwellenmodule)

Grundsätzlicher Aufbau eines RSK Reihenschwingkreises

Kondensator Box

Freier Platz für T-ÜS Modul

Hutschiene für:

+ Überspannungs-schutzelemente

+ Trenn- und Mess-klemmen

+ AbstimmungsblockDrossel

Türkontakt Schalter

Drossel mit EMC Schutzkäfig

Freier Platz -vorbereitet für OWM

Typenschild

Hauptschalter

Anschluss-Klemmleiste für

Rohrleitungund Erder

PAS Potenzialausgleichs-

schiene

Gerätetechnische Lösungen

Aufbauvarianten

RSK´s Reihenschwingkreise

RSK 25A-50Hz RSK 20A-16,7Hz

mit

Schutzbeschaltungen

T-Module T-ÜS Module TAC

RSK mit T-Modul

RSK mit TAC

RSK mit T-ÜS Modul

Doppel RSK mit T-ÜS Modulen

Übersicht Abgrenzeinheiten

TAK 1000

T-ÜS Modul 630TAC 50/830 TAK-C 50/830

TAC 2 „2x25/500“ CAE 16/500

Diese Abgrenzeinheiten können je nach Bedarffür sich alleine oderin Kombination mit den RSKs eingesetzt werden.

SteuereinheitS25-85

Bewertung von 50Hz und 16,7Hz Einfluss

Abgestimmt auf die Frequenzen:

Kapazitive Abgrenzeinheiten sind breitbandig; sie leiten jedoch die AC Ströme50Hz und 16,7Hz aufgrund der frequenzabhängigen Widerstände gemäß:

unterschiedlich gut ab, wenn gemischte Systeme mit zwei Frequenzen vorliegen.

Reihenschwingkreise sind selektiv und man muss für jede der dominierenden Frequenzen 16,7Hz und 50Hz einen abgestimmten RSK vorsehen.

Bei entsprechenden AC Beeinflussungen müssen schon bei der HSB Berechnungdie 50Hz und 16,7Hz Beeinflussungsspannungen berücksichtigt werden.

Ein Messung mit einem AC Splitter z.B. über einen definierten Zeitraum gibtebenfalls einen guten Eindruck von den jeweiligen Anteile. Mit diesen Messungenkann man jedoch keine Aussage über den „worst case“ Fall bei Kurzzeitbelastungim Störfall geben.

𝑿𝒄 =𝟏

𝝎∗𝑪[𝜴]

Messergebnisse mit AC Messsplitter

Einsatz des AC Messsplitters zur Bestimmung der 16,7Hz und 50Hz Anteileder gemessenen AC-Spannung „Effektivwerte“ zwischen Rohrleitung und Erder. Werte auf der y-Achse sind mit 5 zu multiplizieren. 8V entsprechen 40Veff.Aus Messprotokoll TPA-KKS/SET

Auswertung „mit AC Messsplitter gemessen“.

RSKs 50Hz/16,7Hz wurden zum Funktionsnachweis im realen Ableitbetrieb EIN- und AUS- geschaltet

Inbetriebnahme und Revisionsmessungen

Mobile Mess- und Testausrüstung für Reihenschwingkreise und Thyristor-Abgrenzeinheiten wie TAC / T-ÜS / TAK / TAK-C. „Stromaggregate unabhängige Messausrüstung“

Inbetriebnahme und Revisionsmessungen

Reihenschwingkreise und Doppelreihenschwingkreise mit den Zusatz-beschaltungen werden anschlussfertig als Standard geliefert(es können Kundenwünsche berücksichtigt werden)

Die Installation wird in der Regel von KKS Fachfirmen vorgenommen

SET bietet Unterstützung bei der Inbetriebnahme und den Revisions-messungen an

SET stellt Muster für Inbetriebnahme- und Revisionsprotokolle zur Verfügung

Wir unterscheiden zwischen:

Inbetriebnahme und Inbetriebnahme-Messungen Kurzprüfungen Revisionsmessungen

Weshalb Inbetriebnahme- und Revisionsmessungen ?

Alle technischen Geräte, die für den Berührungsschutz und zum sicherenBetrieb einer Rohrleitung eingesetzt werden, müssen generell gemäß denHerstellerempfehlungen und Vorgaben, regelmäßig gewartet und überprüftwerden.

Eine regelmäßige Prüfung und Wartung muss im Eigeninteresse des Betreibersliegen, da er für den sicheren Betrieb seiner Rohrleitung verantwortlich ist undauch er dafür den Nachweis zu erbringen hat.

Es muss an dieser Stelle auch noch einmal ausdrücklich auf die DVGWArbeitsblätter hingewiesen werden, im Besonderen auf:

DVGW-Arbeitsblatt GW 22 (2014-02)DVGW-Arbeitsblatt GW 28 (2014-02)DVGW-Arbeitsblatt GW 28-B1 (2018-01)DVGW-Arbeitsblatt G 466 (2018-05)DIN VDE 0105-100 (2015-10)

Inbetriebnahme und Revisionsmessungen

Empfohlene Messungen und Tests für die Inbetriebnahme und Revision:

Optische Prüfung / Gesamteindruck

Messung der Ausbreitungswiderstände RLtg und RErder und des

Schleifenwiderstandes Potenzialmessung mit CSE gegen Rohrleitung, Erder und ggfls. Hilfserder

Bei Einsatz von Reihenschwingkreisen: Messung des RSK Resonanzwiderstandes und ggfls. Neuabgleich Funktionsüberprüfung mit ausgeschaltetem und eingeschaltetem RSK.

Messungen: U(AC),I(AC) Leitung/Erder und U(DC), I(DC) Leitung/ErderÜberprüfung mit Multimeter und Oszilloskope (evtl. auch Oberwellen messen und speichern).

Bei Einsatz von TAK, TÜS und TAC Einheiten und/oder in Kombination mit RSK Überprüfung der Schaltschwellen und ggfls. Neueinstellung

Definition und Berechnung der Schwellenwerte gemäß Herstellervorgabe.

Überprüfung mit Multimeter und Oszilloskop

Überprüfung des Potenzialausgleichs alle Metallteile im Schrank Funktionsprüfung des Türkontakt Schalters bei RSK-Schränken

Die wesentlichen Vorteile der RSKs auf einen Blick

RSK sind robust aufgebaut und für eine Lebensdauer von mehr als 25 Jahren ausgelegt.

RSK benötigen kein Hilfsversorgung und keine Elektronik zum sicheren Betrieb

RSK dürfen/können zum Nachweis des kathodischen Schutzes an der Rohr-leitung zugeschaltet bleiben.

RSK können bei IFO Messungen zum Nachweis der Umhüllungsqualität an der Rohrleitung zugeschaltet bleiben.

RSK schützen sich bei kurzzeitiger Überlastung bis zu einer gewissen Belastung selber; darüber hinaus schützen dann die Zusatzbeschaltungen (TÜS,TAK,TAC) und auch der Berührungsschutz wird damit sichergestellt.

RSK können durch den SET TaktManager, auch bei Rohrleitungen mit sehr hohen Umhüllungswiderständen und bei größerer Anzahl von Erderstand-orten in einem Schutzabschnitt an der Rohrleitung zugeschaltet bleiben.

Meine Damen und Herren:

Ich danke für Ihre

Aufmerksamkeit