Das Relais, das die Energiewirtschaft veränderte

Nov 12, 2023

Seit mehr als einem Jahrhundert verwenden Versorgungsunternehmen elektromechanische Relais, um Energiesysteme vor Schäden zu schützen, die bei Unwettern, Unfällen und anderen ungewöhnlichen Bedingungen auftreten können. Doch die Relais konnten weder die Fehler lokalisieren noch genau aufzeichnen, was passiert ist.

Dann, im Jahr 1977, erfand Edmund O. Schweitzer III im Rahmen seiner Doktorarbeit das digitale Relais auf Mikroprozessorbasis. Das Schweitzer-Relais, das einen Fehler im Umkreis von einem Kilometer lokalisieren konnte, setzte neue Maßstäbe für die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Effizienz der Versorgung.

Arbeitgeber:

Schweitzer Engineering Laboratories

Titel:

Präsident und CTO

Mitgliedsnote:

Lebensgefährte

Alma-Angelegenheiten:

Purdue University, West Lafayette, Indiana; Washington State University, Pullman

Um sein Relais zu entwickeln und herzustellen, gründete er 1982 die Schweitzer Engineering Laboratories in seinem Keller in Pullman, Washington. Heute stellt SEL Hunderte von Produkten her, die elektrische Energiesysteme in mehr als 165 Ländern schützen, überwachen, steuern und automatisieren.

Schweitzer, ein IEEE Life Fellow, ist Präsident und Chief Technology Officer seines Unternehmens. Er gründete SEL mit sieben Arbeitern; Mittlerweile sind es mehr als 6.000.

Das 40 Jahre alte, von Mitarbeitern geführte Unternehmen wächst weiter. Das Unternehmen verfügt über vier Produktionsstätten in den Vereinigten Staaten. Das neueste Werk, das im März in Moskau, Idaho, eröffnet wurde, fertigt Leiterplatten.

Schweitzer hat für seine Arbeit zahlreiche Auszeichnungen erhalten, darunter 2012 die IEEE Medal in Power Engineering. 2019 wurde er in die US National Inventors Hall of Fame aufgenommen.

Störungen im Stromnetz können auftreten, wenn ein Baum oder ein Fahrzeug auf eine Stromleitung stößt, ein Netzbetreiber einen Fehler macht oder Geräte ausfallen. Durch den Fehler wird zusätzlicher Strom zu einigen Teilen des Stromkreises geleitet, wodurch dieser kurzgeschlossen wird.

Wenn kein geeignetes System oder Gerät installiert ist, um die Geräte zu schützen und die Kontinuität der Stromversorgung sicherzustellen, könnte sich ein Stromausfall oder Stromausfall im gesamten Netz ausbreiten.

Überstrom ist jedoch nicht der einzige Schaden, der auftreten kann. Fehler können auch Spannungen, Frequenzen und die Stromrichtung verändern.

Ein Schutzsystem sollte den Fehler schnell vom Rest des Netzes isolieren und so den Schaden an Ort und Stelle begrenzen und verhindern, dass sich der Fehler auf den Rest des Systems ausbreitet. Dazu müssen Schutzvorrichtungen installiert werden.

Hier kommt Schweitzers digitales mikroprozessorbasiertes Relais ins Spiel. Er perfektionierte es 1982. Später wurde es kommerzialisiert und als digitales Distanzrelais/Fehlerortungsgerät SEL-21 verkauft.

Schweitzer sagt, sein Staffellauf sei teilweise von einem Ereignis inspiriert worden, das während seines ersten Studienjahres stattfand.

„Im Jahr 1965, als ich im ersten Jahr an der Purdue University war, kam es im Nordosten der USA und in Ontario, Kanada, zu einem großen Stromausfall, bei dem Millionen Menschen stundenlang ohne Strom waren“, erinnert er sich. „Es war ein ziemliches Ereignis, und ich erinnere mich noch gut daran. Ich habe viele Lektionen daraus gelernt. Eine davon war, wie schwierig es war, die Macht wiederherzustellen.“

Er sagt, er sei auch von dem Buch „Protective Relays: Their Theory and Practice“ inspiriert worden. Er las es während seines Ingenieurstudiums an der Washington State University in Pullman.

„Ich habe das Buch am Donnerstag vor Unterrichtsbeginn gekauft und am Wochenende gelesen“, sagt er. „Ich konnte es nicht aus der Hand legen. Ich war süchtig.

„Mir wurde klar, dass es sich bei diesen Festkörpergeräten um spezielle Signalprozessoren handelte. Sie lasen die Spannung und den Strom aus den Stromversorgungssystemen ab und entschieden, ob die Geräte der Stromversorgungssysteme ordnungsgemäß funktionierten. Ich begann darüber nachzudenken, wie ich das, was ich wusste, nutzen könnte digitale Signalverarbeitung und setzen sie in einem Mikroprozessor ein, um ein elektrisches Energiesystem zu schützen.“

Die 4-Bit- und 8-Bit-Mikroprozessoren waren damals neu.

„Ich denke, so beginnen die meisten Erfindungen: Man nimmt eine Technologie und kombiniert sie mit einer anderen, um neue Dinge zu schaffen“, sagt er. „Die Erfinder des Mikroprozessors hatten keine Ahnung, für welche Zwecke Menschen ihn nutzen würden. Es ist erstaunlich.“

Er sagt, dass er 1968 bei seinem ersten Job beim US-Verteidigungsministerium in Fort Meade in Maryland mit der Signalverarbeitung, Signalanalyse und dem Einsatz digitaler Techniken vertraut gemacht wurde.

Schnellere Möglichkeiten zur Fehlerbehebung und Verbesserung der Cybersicherheit

Schweitzer erfindet weiterhin Möglichkeiten zum Schutz und zur Steuerung elektrischer Energiesysteme. Im Jahr 2016 brachte sein Unternehmen den SEL-T400L auf den Markt, der jede Mikrosekunde ein Stromsystem abtastet, um die Zeit zwischen sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegenden Wanderwellen zu ermitteln. Die Idee besteht darin, Fehler in Übertragungsleitungen schnell zu erkennen und zu lokalisieren.

Das Relais entscheidet innerhalb von 1 bis 2 Millisekunden, ob ein Stromkreis ausgelöst oder andere Maßnahmen ergriffen werden sollen. Bisher war ein Schutzrelais in der Größenordnung von 16 ms erforderlich. In Hochspannungs-Wechselstromkreisen dauert die Auslösung eines typischen Leistungsschalters 30 bis 40 ms.

„Die Erfinder des Mikroprozessors hatten keine Ahnung, für welche Zwecke Menschen ihn nutzen würden. Es ist erstaunlich.“

„Ich spreche gerne über das Bedürfnis nach Geschwindigkeit“, sagt Schweitzer. „Heutzutage gibt es keinen Grund, mit der Behebung eines Fehlers zu warten. Eine schnellere Auslösung ist eine enorme Chance im Hinblick auf Spannungs- und Winkelstabilität, Sicherheit, Reduzierung des Brandrisikos und Schäden an elektrischen Geräten.“

„Außerdem werden wir in der Lage sein, viel mehr aus der bestehenden Infrastruktur herauszuholen, indem wir schneller auslösen. Mit jeder Millisekunde eingesparter Clearingzeit erhöhen sich die Stabilitätsgrenzen des Übertragungsnetzes um 15 Megawatt. Das ist etwa eine Einspeisung pro Millisekunde. Also, Wenn wir 12 ms einsparen, können wir plötzlich 12 weitere Verteilereinspeiser aus einem Teil eines Übertragungsnetzes bedienen.“

Er sagt, dass die Zeitbereichstechnologie auch in Transformator- und Verteilungsschutzsystemen Anwendung finden und einen erheblichen Einfluss auf die Gleichstromübertragung haben wird.

Was Schweitzer heute begeistert, sagt er, sei das Konzept der Energiepakete, an dem er und SEL gearbeitet haben. Die Pakete messen den Energieaustausch für alle Signale, einschließlich verzerrter Wechselstromsysteme oder Gleichstromnetze.

„Energiepakete messen die Energieübertragung präzise, ​​unabhängig von Frequenz oder Phasenwinkel, und werden mit einer festen Rate mit einer gemeinsamen Zeitreferenz, beispielsweise jede Millisekunde, aktualisiert“, sagt er. „Energiepakete im Zeitbereich bieten die Möglichkeit, Steuerungssysteme zu beschleunigen und die Energie in verzerrten Systemen genau zu messen – was herkömmliche Berechnungsmethoden im Frequenzbereich in Frage stellt.“

Er konzentriert sich auch auf die Verbesserung der Zuverlässigkeit kritischer Infrastrukturnetzwerke durch Verbesserung der Cybersicherheit, des Situationsbewusstseins und der Leistung. Plug-and-Play und Best-Effort-Netzwerke seien für kritische Infrastrukturen nicht sicher genug, sagt er.

„Die SDN-Technologie von SEL OT löst einige erhebliche Cybersicherheitsprobleme“, sagt er, „und ehrlich gesagt fühle ich mich dadurch zum ersten Mal wohl bei der Verwendung von Ethernet in einer Umspannstation.“

Schweitzer plante nicht von Anfang an, ein eigenes Unternehmen zu gründen. Er begann eine erfolgreiche Karriere im akademischen Bereich im Jahr 1977, nachdem er an die Fakultät für Elektrotechnik der Ohio University in Athen gewechselt war. Zwei Jahre später zog er nach Pullman, Washington, wo er die nächsten sechs Jahre am Voiland College of Engineering and Architecture des US-Bundesstaates Washington lehrte. Erst als die Verkäufe des SEL-21 anstiegen, beschloss er, sich ganz seinem Startup zu widmen.

Es ist keine Überraschung, dass Schweitzer Erfinder wurde und sein eigenes Unternehmen gründete, da sein Vater und sein Großvater Erfinder und Unternehmer waren.

Sein Großvater Edmund O. Schweitzer, der 87 Patente besaß, erfand 1911 in Zusammenarbeit mit Nicholas J. Conrad die erste zuverlässige Hochspannungssicherung. In diesem Jahr gründeten die beiden Schweitzer und Conrad – heute bekannt als S&C Electric Co. – in Chicago .

Schweitzers Vater, Edmund O. Schweitzer Jr., besaß 208 Patente. Er erfand mehrere netzbetriebene Fehleranzeigegeräte und gründete 1949 die EO Schweitzer Manufacturing Co., die heute Teil von SEL ist.

Schweitzer sagt, ein Freund habe ihm den besten finanziellen Rat gegeben, den er je für die Gründung eines Unternehmens bekommen habe: Sparen Sie Ihr Geld.

„Ich bin so stolz, dass unser Unternehmen mit mehr als 6.000 Mitarbeitern zu 100 Prozent im Besitz der Mitarbeiter ist“, sagt Schweitzer. „Wir wollen in die Zukunft investieren, deshalb reinvestieren wir unsere Ersparnisse in Wachstum.“

Er rät denjenigen, die eine Unternehmensgründung planen, sich auf ihre Kunden zu konzentrieren und Mehrwert für sie zu schaffen.

„Lassen Sie Ihrer Kreativität freien Lauf“, sagt er, „und engagieren Sie sich mit Kunden. Finden Sie außerdem heraus, wie Sie einen Beitrag zur Gesellschaft leisten und die Welt zu einem besseren Ort machen können.“