SLD von Umspannstation: Was es zeigt

Ein einliniges Diagramm ist arguably die wichtigste Zeichnung, wird aber auch am häufigsten ignoriert in einer Umspannstation. Obwohl es nicht als Konstruktionsdiagramm fungiert und nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist, verbirgt es bequem zwei von drei Phasen. Dennoch führt jede Kurzschlussstudie, jede Schutzschaltung, jedes Schaltanlagenprotokoll und jedes Arc Flash-Etikett auf das einlinige Diagramm zurück. Fehler oder Verzögerungen bei der Aktualisierung führen zu nachfolgenden Fehlern in allen anderen verwandten Dokumenten.

Das einlinige Diagramm ist in der Tat die wichtigste, aber oft vernachlässigte Zeichnung in einer Umspannstation. Es ist kein Konstruktionsdiagramm und wird auch nicht maßstabsgetreu erstellt, dennoch verbirgt es leicht zwei Drittel der Phasen. Ungeachtet dieser Tatsache kann jede Kurzschlussstudie, Schutzschaltung, jedes Schaltanlagenprotokoll und jedes Arc Flash-Etikett auf das einlinige Diagramm zurückverfolgt werden. Fehler und Auslassungen im Zusammenhang mit der Aktualisierung können auch zu Fehlern in allen verwandten Dokumenten führen.

Was ein SLD ist und was es nicht ist

Ein einliniges Diagramm, auch bekannt als SLD, ist ein Diagramm, in dem dreiphasige Stromsysteme durch eine Linie für jede elektrische Stromverbindung dargestellt werden. Da die elektrischen Maschinen für zwei Phasen gleich gebaut sind, können sie eine Konfiguration nicht nur für eine Phase, sondern für alle drei gleichzeitig verwenden. Die im SLD verwendeten Symbole bestimmen, welches Maschinenupgrade an jedem Punkt im SLD eingesetzt wird. Um flexibel zu sein, hält sich das SLD an eine Reihe von festgelegten Regeln. In Nordamerika bedeutet dies die Verwendung von Symbolen, die durch den IEEE Standard 315 erstellt wurden; in anderen Teilen der Welt wird die Verwendung von IEC 60617-Symbolen empfohlen.

Die Geräte werden durch ihre Positionen im SLD dargestellt, während die Prioritäten der elektrischen Installationen in anderen Zeichnungsarten dargestellt werden. Das bedeutet, dass überall dort, wo beide Anordnungen nicht gezeigt werden können, die elektrische Anordnung angezeigt wird.

Die Unterscheidung zwischen einem einlinigen Diagramm als Studienwerkzeug und als Konstruktionsdokument ist es wert, beibehalten zu werden, da die US-Praxis eine klarere Trennung zwischen den beiden zieht als die meisten IEC-Märkte, wie diese Erklärung eines unifilaren (einlinigen) Diagramms in der US-Versorgungs- und Industrie-Praxis darlegt.

Was jedes SLD zeigen muss

Ein SLD ist nur vollständig, wenn es alle erforderlichen Details enthält. Wenn etwas weggelassen wird, kann das SLD seinen Zweck, mit den Studien zu funktionieren, für die es entworfen wurde, nicht erfüllen:

• Busse, die Namen oder Nummern und Nennspannung enthalten. Die Darstellung wird wie eine dicke Linie aussehen.
• Transformatoren, bei denen Sie Nennleistung und Spannungen, Impedanz in Prozent, Anschluss (Delta oder Stern), Erdung und Abgriffbereich sowie die Ähnlichkeit der Wicklungen benötigen.
• Generatoren, die Informationen, die angegeben werden müssen, umfassen Nennleistung, Anschluss-Spannung, Leistungsfaktor, Reaktanzen und Neutralerdung.
• Leitungen und Kabel: Länge, Leiter- oder Kabeltyp und Impedanz.
• Schaltgeräte: Leistungsschalter, Trennschalter und schmelzsichere Schalter sowie deren Nennwerte und Positionen.
• Instrumententransformatoren, mit Verhältnissen von Strom- und Spannungstransformatoren und welchen Funktionen von Relais diese Transformatoren speisen.
• Lasten und Maschinen: Nennleistung, Leistungsfaktor und erste Daten zum Starten im Falle großer Motoren.
• Kompensation: Kondensatorbänke und Reaktoren mit ihren Mvar-Bewertungen.

Diese Liste ist auch der Grund für die Umwandlung von SLD in ein Per-Einheit-Impedanzschema für Studien. Jedes Bauteil wird durch sein Äquivalent in Per-Einheit basierend auf dem gewählten Systembasis ersetzt und das resultierende System ist das, was die Lastfluss- oder Kurzschlusssoftware lösen wird.

Symbole lesen

Sich in die visuelle Sprache einzustimmen, ist eine einfache Aufgabe, nachdem man die Grundlagen erlernt hat. Eine rotierende Maschine erscheint als ein Kreis mit einem Symbol neben dem Buchstaben: G für Generator, M für Motor. Ein Transformator mit zwei Spulen erscheint als zwei gewickelte Kreise oder, in einer Anzahl nordamerikanischer Diagramme, als zwei gegenüberliegende Wickelsymbole mit Delta- oder Sternsymbolen daneben und einem Erdungssymbol in der Nähe eines laufenden Erdungsprodukts. Sammelschienen erscheinen als dicke Linien mit mehr hellen Linien um sie herum, die ausgehende Schaltungen anzeigen. Ein Leistungsschalter erscheint als kleines Quadrat in der ANSI-Tradition, während er in IEC-Schemata als das Vertragssymbol mit einem spezifischen Wort dargestellt werden kann. Der Trennschalter funktioniert wie eine offene Klinge, da er im Gegensatz zu einem Leistungsschalter nicht für die Aufgabe bewertet ist und typischerweise verwendet wird, wenn keine Energie vorhanden ist. Sicherungen werden als Zickzacks oder Rechtecke auf Zeichnungslinien dargestellt.

Das allererste, was immer falsch gemacht wird, während man ein SLD zum ersten Mal liest, ist, zwei Geräte in der Nähe miteinander zu verwechseln. Ein Leistungsschalter und ein Trennschalter in Reihe mögen ähnlich aussehen, bieten jedoch völlig unterschiedliche Dienste: Ein Leistungsschalter unterbricht tatsächlich Kurzschlüsse, während der Trennschalter eine sichtbare Isolation bereitstellt. Die Wartungspraxis, die eines mit dem anderen verwechselt, ist der eigentliche Grund für Unfälle.

Gerätezahlen und die IEC 61850-Äquivalente

Die Zahlen in kleinen Kreisen neben den Stromtransformatoren geben die Funktionen dieser Schutzvorrichtungen an, selbst bevor auf einen Schlüssel verwiesen wird. In Übereinstimmung mit IEEE C37.2-2022 sind 95 Geräteschutzfunktionen und 22 Akronyme gültig, und normalerweise werden Sie die folgenden antreffen:

• 52 — AC-Leistungsschalter (er schließt das Relais selbst aus)
• 50 / 51 — sofortige Überstrom / Zeitüberstrom
• 87 / 87T / 87B — Differenzschutz, Transformator-Differenzschutz, Sammelschienen-Differenzschutz
• 27 / 59 — Unterspannung / Überspannung
• 25 — Synchronitätsprüfung
• 79 — automatische Wiederherstellung
• 86 — außer Betrieb Relais

Die Buchstaben am Ende der Zahlen schränken die Funktion auf eine bestimmte Form ein, zum Beispiel ist 51P-1 der erste Schritt in der Phasen-Zeit-Überstromfunktion. IEC verwendet unterschiedliche Bezeichnungen für dieselben Funktionen. Zum Beispiel verwendet IEC 60617 einfache Symbole für Menge und Vergleich, wie I> für Überstrom. IEC 61850 definiert jede Funktion als Instanz logischer Knoten, zum Beispiel PTOC für Zeitüberstrom. Relaishersteller verwenden alle drei Bezeichnungen, damit die Kunden die Definitionen der Relais mit einer der drei Normen finden können. Zum Beispiel gibt das Handbuch für das ABB REF615 Speise-Relais seinem Niedrigstufen-Dreiphasen-nicht-richtungsabhängigen Überstromrelais die Bezeichnungen PHLPTOC gemäß IEC 61850, 3I> gemäß IEC 60617, 51P-1 in IEC-ANSI.

Auf dem Bild sind nur die Sekundärschaltungen der Transformatoren in ihrer vereinfachten Version dargestellt, das heißt, nur die Polaritäten der Spannungen sind gezeichnet, ohne ihre Rückführungswege. Dies erleichtert das Lesen des Schaltplans. Die Geräte, die an diesen Schaltungen hängen — Relais, Messgeräte, Wandler — erhalten die Umrandung. Eine Installation, die diese Disziplin von Anfang bis Ende einhält, von den 10 kV Innenstromwandlern, die die Relaiskreise versorgen bis zu den Relaispaneelen, an denen sie enden, ist ein Standort, an dem das SLD jahrzehntelang nützlich bleibt, anstatt ein historisches Dokument zu werden.

Die drei Diagramme, die ein Umspannwerk tatsächlich benötigt

Ein Standardsystem kann zahlreiche einlinige Diagramme erzeugen, die jeweils für einen bestimmten Zweck erstellt werden, und deren Vermischung führt zu ernsthaften Komplikationen:

• Das Studiendiagramm zeigt das Umspannwerk reduziert auf Sammelschienen und Verbindungen zwischen ihnen für seine Lösung durch Lastfluss- oder Kurzschlusssoftware.
• Das Betriebsdiagramm zeigt alle Leistungsschalter und Trennschalter in einer Knoten-Schalter-Konfiguration, da der Betreiber verstehen muss, welcher Schalter welche Zelle speist und dass alle dargestellten Geräte normalerweise in ihrem Standardmodus sind, was es einfach macht, eine Sammelschienenverbindung zu erkennen, die normalerweise offen ist.
• Das Schutzdiagramm zeigt die Positionen von CT und VT sowie die Relaisfunktionen, die sie erfüllen, sowie die Leistungsschalter, die jedes Relais auslöst.

In Situationen, in denen etwas im einlinigen Diagramm nicht klar angezeigt werden kann — Polarität des Stromwandlers, Anschluss von Messgeräten — wird ein dreilinieares Diagramm verwendet, das den Neutralleiter zusammen mit allen drei Phasen zeigt, was eher eine Ausnahme und keine allgemeine Praxis ist.

Sammelschienenanordnungen und was sie Ihnen sagen

Das Design der Sammelschienen in einer schematischen Darstellung eines Stromsystems spiegelt sowohl dessen Effizienz als auch Preis wider. Daher ist es normalerweise das erste, was ein qualifizierter Fachmann in Betracht zieht:

• Einzelne Sammelschiene – die einfachste und kostengünstigste Lösung. Jeder Ausfall oder jede Reparatur einer Sammelschiene führt zu einem Ausfall der Sammelschiene und zur Abschaltung des gesamten an diese Sammelschiene angeschlossenen Stromkreises. Dieses Design funktioniert gut für kleinere Verteilungsstationen, ist jedoch in Fällen einer wichtigeren Stromversorgung nicht akzeptabel.
• Doppelbus – einzelner oder doppelter Schalter. Eine zweite Busbar-Installation hilft beim Lasttransfer; die Doppel-Schalter-Methode ermöglicht den Betrieb an der Busbar, ohne dass die Busbar außer Betrieb genommen werden muss, was jedoch die Kosten erhöht.
• Ringbus – eine Anordnung des Bussystems in einem Kreis, wobei alle Schaltungen von zwei Seiten mit Strom versorgt werden. In diesem Fall kann jeder Ausfall eines Leistungsschalters leicht behoben werden.
• Breaker-and-a-half – drei Leistungsschalter für nur zwei Schaltungen, wodurch es möglich ist, dass alle Lasten weiterhin mit Strom versorgt werden, selbst wenn eine Busbar oder ein Schalter ausfällt. Es ist eine Standardlösung für wichtige elektrische Systeme.
• Haupt- und Transfer-Busbar – dies beinhaltet eine zusätzliche Busbar und einen Transfer-Leistungsschalter, sodass es möglich ist, den Leistungsschalter auszuschalten, während die Leitung eingeschaltet bleibt.

Die Untersuchung von Busbar-Konfigurationen ist der schnellste Weg, um zu bestimmen, wie viel Ausfallwiderstand ein System hat, was den großen Kostenunterschied zwischen ähnlichen Umspannwerken erklärt. Die breitere Frage der Ausrüstung – was eine komplette Station benötigt und was sie kostet – wird in dieser Übersicht behandelt. what a complete substation package actually includes for international buyers.

Bays, Switchgear and the Boundary of the Diagram

The SLD has different categories of bays including incoming line bays, transformer bays, bus coupler or bus section bays, feeder bays, and capacitor or reactor bays. Every bay is a unit that has its own breaker and disconnectors, VTs, CTs, and earth switch, while depending on the position of the SLD on the page, each bay is read from one end to the other.

What appears on the SLD as symbols integrated into a bay actually represents considerable amount of actual equipment. In the majority of cases on the medium voltage air insulated switchgear applications, the bay looks like a withdrawable unit encased in metal and the physical layout of the symbols makes a difference between the pictorial representation and real equipment designated in the specification. A 12 kV withdrawable metal-enclosed switchgear assembly is the hardware that a typical single-bus or double-bus SLD bay resolves into on site. Two bays on the drawing, one enclosure in reality.

GIS and IEC 61850: Two Things That Change the Drawing

In the last ten years, two things have changed how SLDs are made.

The first is the emergence of gas-insulated switchgear. Unlike AIS where breakers, disconnectors and earth switch are drawn separately in the diagram (because equipment is located in the open), a GIS bay is usually represented as a single block since all equipment is in a sealed enclosure. If you happen to come across a drawing showing GIS layout according to AIS principles, it is a legacy drawing or simply a mistake.

The second development is IEC 61850 and process bus. In the case of the merging unit, the analogue signals are digitised and transmitted over the fibre, while the physical connection does not indicate which analogue input is being used by the intelligent electronic device (IED). The direct correlation of CT and relay input becomes a set of data the system can possibly use rather than a direct connection.

IEC 61850 also allowed for creation of machine-readable drawings. The single line diagram is now transformed into data since Substation Configuration Language specified in IEC 61850-6 can describe the SLD and its components in data form.

How to Prepare an SLD

Let’s be realistic: the process is dull and sequence is important:

• Set the project limits. Specify the source of energy and the endpoint of the diagram. After that no one will oppose to your conclusion.
• Gather the information about the source used. This includes its fault level, connection point, impedance, information about the transformers used including its tap range and vector group, information about the CTs and VTs used in connection.
• Put out the diagram vertically with sources on the top and loads at the bottom of it.
• Position the switches. The open switches as ties must be marked as those without being buried in the notes.
• Add the devices to the electrical diagram. Include the CT and VT position, numbers of devices or IEC 61850 names and the trip matrix.
• Mark down the power ratings. Just a circuit breaker without the parameters is meaningless.
• Double check the data with the real studies conducted and compare it with the SLD. If it doesn’t agree it means that either the conclusion is wrong or the study itself is wrong.
• Print it like a controlled document with a revision box. An SLD without control ceases to be valid and reliable within a period of one year.

Why a Stale SLD Is Worse Than No SLD

A design based on an obsolete diagram gives reliably erroneous results. All circuit studies and arc flash calculations begin with the one-line diagram, and this diagram is a part of any arc flash report and is important for a worksite. This means an outdated diagram gets directly translated into equipment ratings, PPE types and setting of protective devices. The problem is not “we do not know” but “we think we know but the number is wrong”.

That is why the one-line diagram earns its money twice — first when equipment is designed and second when someone works with the equipment. Keeping the one-line diagram updated is a job that requires housekeeping rather than engineering and is usually the first thing to forget about.

FAQ

What is substation SLD?

SLD of the substation refers to the alphabetical diagram that displays the electrical connection and insulation of the power system equipment. All three-phase circuits in the diagram are represented by one single line. Each apparatus in the diagram is shown by a symbolic language with numbers designating its types.

What is the meaning of SLD in electrical?

A single line diagram, often referred to as a one-line diagram or unifilar diagram, gets its name from the representation of the three phases of power equipment in a single line. In IEC markets, drawing rules are derived from IEC 61082-1, while symbols are taken from IEC 60617 or IEEE Std 315 in North America, respectively.

What is a SLD in construction?

In construction applications, the single line diagram is the document that defines the electrical scope: which feeders are available, what takes care of them, and what values are used. Contractors use it for pricing the switchgear and cable schedule; and commissioning teams use it for establishing the switching program and checking if the equipment provided is in line with the design.

How to prepare SLD?

In construction work, the single line diagram gives information regarding the electrical elements such as what has been powered, what is powering it, and how. The contractors utilize this document when pricing the switchgear and cable schedule, while the commissioning teams follow it for establishing the switching program and seeing if the provided equipment corresponds to the design.

Referenzen

1. Electrical Engineering Portal — Understanding substation single line diagrams and the IEC 61850 process bus
2. SEL (Schweitzer Engineering Laboratories) — protection application guides and device function numbering in practice
3. Hitachi Energy — substation automation, IEC 61850 systems and switchgear portfolio documentation
4. Siemens Energy — high-voltage substation and digital substation reference material
5. GE Vernova — grid solutions documentation on protection schemes and substation design
6. Mitsubishi Electric — power distribution and substation equipment technical publications
7. NFPA — NFPA 70E, which requires an up-to-date one-line diagram for arc-flash documentation
8. International Electrotechnical Commission — IEC 61082-1, IEC 60617, IEC 81346 and IEC 61850-6

Fazit

The single line diagram of a substation is a somewhat small diagram with a big function. It specifies the connections, which relay activates which breaker, and what ratings apply, and much depends on it being correct and up-to-date: everything from the fault study to the operation plan relies on it. Read it, as is, pay attention to the numbers assigned to the devices, and treat modification as part of the diagram and not an addition.For retrofit and extension work, the same discipline applies from the first site survey, which is the approach behind utility grid substation upgrade projects that start from an existing arrangement.