Inhalt - Siemens

Transcription

Inhalt - Siemens

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Die Behandlung des NetzsternpunkĆ
tes hat auf die Übertragung der elekĆ
trischen Energie im gesunden BeĆ
trieb keinen Einfluß. In Bezug auf die
Störanfälligkeit eines Netzes und die
Anzahl der Auslösungen jedoch
kommt der Schaltung des NetzsternĆ
punktes gegen Erde große BedeuĆ
tung zu.
Der häufigste Fehler in allen VerteiĆ
lungsnetzen ist der einpolige ErdfehĆ
ler.
70 bis 90 % aller Netzstörungen beĆ
ginnen als einpolige Fehler, d. h. als
Durchschlag der Isolation eines LeiĆ
ters gegen Erde (Bild 1).
Das Bild zeigt, daß die Anzahl der
Störungen mit zunehmender ÜberĆ
tragungsspannung etwa quadratisch
abnimmt.
Wenn man davon ausgeht, daß die
Störanfälligkeit je übertragenem kW
auf dem Wege von der Zentrale zum
Verbraucher in allen SpannungsĆ
ebenen etwa gleich sein soll, so
muß die Netzisolation so bemessen
werden, daß eine solche quadratiĆ
sche Kurve etwa eingehalten wird,
da die über eine Leitung transporĆ
tierte Leistung etwa mit dem QuaĆ
drat der Spannung wächst.
Die auf den Kilometer Leitungslänge
bezogene Fehleranzahl muß also
quadratisch mit steigender SpanĆ
nung geringer werden.
Aus einpoligen Erdschlüssen entwikĆ
keln sich durch fortschreitende ZerĆ
störung der Isolation häufig zweiund dreipolige Kurzschlüsse.
Maßgeblich für die Geschwindigkeit
der Isolationszerstörung ist die
Größe des Stromes in der FehlerĆ
stelle während des Erdschlusses.
Zahl der Fehler
20
einĆ
polig
10
zweiĆ
polig
dreiĆ
polig
1,5...4
0,3...1,5
10 30
.
1996
150
Betrieb mit ErdĆ
schlußlöschung
220
380
Betrieb mit
starrer Erdung
kV
Netzspannung
Bild 1
Fehlerzahl und Netzspannung
Im folgenden Abschnitt werden die
im Energiesystem üblichen ErdungsĆ
arten vorgestellt und nach ihren
wichtigsten Merkmalen beurteilt.
Eine die Wirksamkeit der SternĆ
punkterdung charakterisierende
Größe ist die Höhe der zeitweiligen
Spannungsüberhöhung infolge eines
einpoligen Fehlers.
Die Erdungszahl ist von den absoluĆ
ten Spannungswerten unabhängig
und gibt Auskunft über die BegrenĆ
zung zeitweiliger Überspannungen.
Neben der Erdungszahl E wird
heute mehr der Erdfehlerfaktor (cf)
verwendet. Beide Größen beziehen
sich auf einen bestimmten Ort im
Elektroenergiesystem.
Für die Größe dieses ErdschlußstroĆ
mes ist bei geringem Widerstand
zwischen Netzsternpunkt und Erde
die Größe dieses Widerstandes
maßgebend. Bei hohem Widerstand
zwischen Netzsternpunkt und Erde
bestimmen hauptsächlich NetzspanĆ
nung und Größe (Erdkapazität) des
galvanisch zusammenhängenden
Netzes diesen Strom.
āSiemens AG
110
0,1...0,2
Z EĂ Ă
c fĂ Ă
LEĂmax
B
3 Ă LEĂmax
B
LE max = Effektivwert der LeiterErdespannung der geĆ
sunden Leiter
B
= Betriebsspannungen
Die Kenngröße zur Bewertung tranĆ
sienter Überspannungen ist der
Überspannungsfaktor kt.
k Ă Ă
3 Ă LEĂmax
2 Ă B
LE max = max. Amplitude der
Leiter-Erdespannung
der gesunden Leiter
Der Erdschluß im Netzbetrieb
-1-
Freier Sternpunkt - isoliertes
Netz (siehe Bild 2)
L1
Betriebsverhalten:
D Ein Betrieb mit Erdfehler ist mögĆ
lich, wenn das Isolationsniveau
der Betriebsmittel in Ordnung ist.
D
Fehlerlichtbogen müssen selbsttäĆ
tig verlöschen können
D
Im Fehlerfall hat der Betreiber die
Möglichkeit gezielter NetzumĆ
schaltungen.
Isolationsniveau:
Muß groß sein, da die transiente
und stationäre SpannungserhöĆ
hung die Gefahr von DoppelerdĆ
schlüssen nach sich zieht.
D
Netzausdehnung:
begrenzt durch Erdschlußstrom
CE < 60 A.
D
Aufwand bezüglich der SternpunktĆ
behandlung:
D keiner
Erdfehlerfaktor:
cf = 1,7
D
transiente Spannungsüberhöhung:
D kt 3,5
L2
CE
L3
C1
C2
C3
Bild 2
Freier Sternpunkt - isoliertes Netz
Fehlerstrom:
Kapazitiver Erdschlußstrom
D
Schritt- und BerührungsĆ
spannungen:
D keine
Lichtbogen:
D brennen sehr unruhig mit zischenĆ
der Flamme
Wiederzündungsgefahr:
groß, kt = 3,5 bei intermittierenĆ
den Erdschlüssen (siehe Bild 3)
D
Induktive Beeinflussung von
Informationsanlagen:
D unbedeutend
Fehlererfassung:
besondere Geräte zur selektiven
Erfassung sind notwendig
D
Verhalten nach Fehlerabschaltung:
D Möglichkeit von subharmonischen
Schwingungen (KippschwingunĆ
gen)
D
Ferroresonanzen
Grenzen der freien Sternpunkterdung (SPE)
CE <10 A
CE = 10 bis 50 A
CE <50 A
Erdschlüsse
intermittieren
Erdschlußlichtbögen
verlöschen
Erdschlußlichtbögen bleiben bestehen
Umstellen auf
niederohmige
SPE
-2-
Freileitungsnetze
Kabelnetze
Umstellen auf
Resonanz-SPE
Umstellen auf
niederohmige
SPE
Beibehaltung
des freien SP
ESiemens AG
.
1996
7
."/!&)14/0.,*
6/!&1+%
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Zum Zeitpunkt des StromnulldurchĆ
ganges führen die gesunden Leiter
den 1,5fachen Wert der normalen
Leiter-Erdespannung. Die NullspanĆ
nung 0 = ME hat genau den Wert
der Leiter-Erdespannung. Da sich
die Spannung über den Kapazitäten
nach Verlöschen des Stromes nicht
sprungartig ändern kann, bleibt dieĆ
ser Zustand je nach SystemdämpĆ
fung einige Zeit bestehen. Zum ZeitĆ
punkt 3 besteht infolge des hohen
Potentials im Leiter L1 und der unĆ
genügend entionisierten Fehlerstelle
erneut die Gefahr einer WiederzünĆ
dung. Die Spannung des Leiters L3
kann hierbei transiente ÜberspanĆ
nungsfaktoren bis zu 3,5 erreichen,
wogegen beim Erdschlußeintritt der
Faktor kt v2,7 erreicht wird.
In Drehstromsystemen mit isolierĆ
tem Sternpunkt und geringer AusĆ
dehnung, in denen einpolig geerdete
induktive Spannungswandler beĆ
nutzt werden, treten gelegentlich
Kippschwingungen auf, welche die
Spannungswandler thermisch zerĆ
stören können.
Anhand Bild 4 soll das Entstehen
solcher Kippschwingungen erläutert
werden.
Der Schwingkreis ist dann als kriĆ
tisch zu bewerten, wenn die DämpĆ
fung sehr gering ist, z. B. in NeuanĆ
lagen.
Im /-Diagramm sind neben nichtĆ
linearen Kennlinien des SpannungsĆ
wandlers die Kennlinien der KapaziĆ
tät C (āā) und der aussteuernden
Spannung a eingezeichnet.
Ausgangspunkt ist der Arbeitspkt. 1.
Er ist stabil. Die Spannung über der
Induktivität ist etwas größer als die
erregende Spannung a. Ohne beĆ
sondere Einflüsse kann dieser Punkt
nicht verlassen werden. Er entĆ
spricht dem Betriebszustand. Durch
transiente SpannungsbeanspruĆ
chung hervorgerufen, kann z. B. bei
Erdschlüssen der Strom und die
Spannung a auf größere Werte aufĆ
schwingen. Ist das Aufschwingen so
groß, daß der Punkt 4 etwas überĆ
schritten wird, so kippt das System
in den Arbeitspunkt 5. Der ArbeitsĆ
punkt 5 wird verlassen, wenn sich
die erregende Spannung auf den vor
der transienten Änderung vorhanĆ
dene Größe wieder einstellt. Im ArĆ
beitspunkt 3 schwingt das System
nun mit sehr großen Strömen und
Spannungen.
Der Arbeitspunkt 2 ist kein stabiler
Arbeitspunkt.
-4-
Ersatzschaltbild
a - c = L
a
E Netz
a c
a - c
2
LW
4
c
a
1
L
c
c
c
L
cĂ +Ă
L
āC EĂNetz
3
5
LW
Wandlerinduktivität
E Netz Erdkapazität
a
Bild 4
Harmonische Resonanz im nichtlinearen Kreis, kippen über der Spannung
Ersatzschaltbild
LW
a
c
a
L
c
Bild 5
Kippschwingungen
Durch die Aussteuerung der MagneĆ
tisierungskennlinie im nichtlinearen
Bereich entspricht der Strom nicht
der Sinusform.
Es bilden sich vorwiegend ungeradĆ
zahlige Oberwellen aus 3. und 5.
Harmonischen (Bild 5).
Dieser Zustand bleibt unter UmstänĆ
den sehr lange bestehen, was durch
Schwebungen der Zeiger der angeĆ
schlossenen analogen Instrumente
und einem starken Brummen des
Spannungswandlers zu beobachten
ist.
Abhilfe schafft die Bedämpfung des
Systems mit einem ohmschen WiĆ
derstand parallel zu in Dreieck geĆ
schalteten SpannungswandlerwickĆ
lungen (Neuwicklung).
Als Richtwert wird ein Widerstand
von ca. 50 /200 Watt angegeben.
Siemens AG
.
1996
Resonanz - Sternpunkterdung
(siehe Bild 6)
L3
Betriebsverhalten:
D Ein Betrieb mit Erdschluß ist mögĆ
lich.
D
L1
Automatisches Löschen der ErdĆ
schlüsse bei ordnungsgemäßer
Kompensation in wenigen MilliĆ
sekunden.
D
Induktiver Spulenstrom kompenĆ
siert kapazitiven Fehlerstrom an
der Fehlerstelle.
D
Erhöhte Betriebszuverlässigkeit
gegenüber dem isolierten Netz.
Isolationsniveau:
Gleiche Anforderungen wie beim
isolierten Netz.
D
Netzausdehnung:
größer als beim isolierten Netz
D
D
L2
durch Löschgrenze der LichtböĆ
gen begrenzt:
N 30 kV Rest 60 A
N 110 kV Rest 120 A
Aufwand bezüglich der SternpunktĆ
behandlung:
D groß, Erdschlußspulen (PetersenĆ
spulen), KompensationsgradüberĆ
wachung, VerstimmungsgradregĆ
ler
Erdfehler:
cf = 1,7
D
transiente Spannungsüberhöhung:
kf 2,5
L
CE
C1
C2
C3
Bild 6
Resonanz - Sternpunkterdung
Fehlerstrom:
Wirkanteil im Freileitungsnetz:
- Verluste der Petersenspulen
- Koronaverluste
D
Fehlererfassung:
D besondere Geräte zur selektiven
Erfassung sind notwendig
Wirkanteil im Kabelnetz:
- Verluste der Petersenspulen
- dielektrischen Verluste
D
Lichtbogen:
verlöschen größtenteils von
selbst, brennen durch ohmschen
Verhalten ruhig
D
Blindanteil:
- abhängig von Verstimmung und
Länge des fehlerbehafteten AbĆ
zweiges
D
nicht möglich bzw. unwahrscheinĆ
lich, da die Spannung im fehlerbeĆ
hafteten Leiter langsam wiederĆ
kehrt
D
Schritt- und BerührungsspannunĆ
gen:
D keine unzulässigen BeanspruĆ
chungen aufgrund des geringen
Nullstromes
Verhalten nach Selbstlöschung oder
Fehlerabschaltung:
D Die Spannung kehrt im fehlerbeĆ
hafteten Leiter mit der EigenfreĆ
quenz des Netzes wieder (Bild 7).
Induktive Beeinflussung von
Informationsanlagen:
D unbedeutend
D
D
Die wirksamen Zeitkonstanten
sind verstimmungsabhängig.
t >300 ms bei exakter KompensaĆ
tion.
Grenzen der gelöschten Sternpunkterdung
Freileitungsnetze
Kabelnetze
Löschgrenze der Erdschlußlichtbögen wird
überschritten
Aufstellen weiterer Erdschlußspulen
unwirtschaftlich
Auftrennen in
Teilnetze
ESiemens AG
.
1996
Umstellen auf
niederohmige SPE
80 bis 90 % aller
Erdfehler sind
Erdschlußwischer
Erdschlüsse gehen
meist über in DoppelĆ
erdschlüsse
Beibehaltung der
Resonanz-SPE
Umstellen auf
niederohmige SPE
-5-
L1-E, L2-e, L3-E
Spannungen gegen Erde
L1-E
L2-E
A
Gesundes Netz
B
Beginn des Erdschlusses
C
Löschen des Erdschlusses
D
Durch Ausschwingen der PeterĆ
senspule hervorgerufene VerminĆ
derung der Erdspannung des geĆ
sunden Leiters L3
E
desgl. im Leiter L2
F
desgl. im Leiter L1
a)
Schwingfähiges System
Netzkapazität Löscheinrichtung
b)
Gesundes Netz
L3-E
Oszillogramm eines Erdschlusses mit nachfolgendem Einschwingungsvorgang
a)
L1
L2
L3
CE
L2
b)
L3
L2
c)
L1
L3
L2
L1
d)
L1
L3
L2
e)
L3
c)
Erdschluß der Phase L1
d)
Erdschluß beendet, Netz kehrt in
normalen Zustand zurück
e)
Weg des Erdpunktes (bei UnterĆ
kompensation)
L1
L1
Ersatzschaltbild und Spannungsdiagramme
Bild 7
Erdschluß und wiederkehrende Spannung im gelöschten Netz
Resistanz -Reaktanz - SternĆ
punkterdung (siehe Bild 8)
Kabelnetze
D Umstellung von Resonanz-SternĆ
punkterdung (auf Halbstarre) aufĆ
grund zunehmender ErdfehlerhäuĆ
figkeit
D
bei zunehmendem VermaschĆ
ungsgrad und Neuauflagen im
städtischen Bereich
Freileitungsnetze
Überwiegend in gemischten NetĆ
zen mit großem Anteil an Kabeln
Netzausdehnung:
Begrenzung durch Anregeprobleme
des Selektivschutzes, möglichst ofĆ
fene Ringe oder Strahlennetze.
L3
L2
L1
Lange Stiche oder Parallelkabel verĆ
meiden.
Aufwand bezüglich SternpunktĆ
behandlung:
D Reaktanz oder Resistanz mit
Steuerung und Schutzeinrichtung
für das Betriebsmittel
K
D
D
Reaktanz bei höheren Leistungen
wegen geringerer Kosten.
Bild 8
Resistanzāā-āāReaktanzāā-āāSternpunkterdung
Betriebsverhalten:
Fehler muß abgeschaltet werden,
Ausfall des Kabels
Erdfehlerfaktor:
cf 1,4 abhängig von Größe und Art
der Impedanz für die SternpunkterĆ
dung.
Fehlerstrom
Kann je nach Größe des SternpunktĆ
erdungswiderstandes kurzschlußarĆ
tige Werte annehmen.
transiente Spannungserhöhung:
kleiner als im gelöschtem Netz
kt = 1,8 bis 2,5
Begrenzung überlicherweise auf 0,3
bis 2 kA ,um Betriebsmittel nicht zu
hoch zu belasten.
Isolationsniveau:
reduzierte, eventuell abgestufte IsoĆ
lation möglich.
-6-
ESiemens AG
.
1996
Für die Schutzanregung ergeben
sich bei Resistanz- und ReaktanzerĆ
dung unterschiedliche Verhältnisse
(Bild 9 bzw. Bild 10).
L3
CE3
L3
CE2
L2
Resistanzerdung:
D
Der kapazitive Erdschlußstrom
wirkt anregeunterstützend.
D
Das System ist vom NetzschaltzuĆ
stand wenig beeinflußt.
D
Der Stromverlauf ist beim FehlerĆ
eintritt praktisch nicht verlagert.
L1
M
ME
L1
R
Relais
Reaktanzsternpunkterdung:
D
Kapazitiver Erdschlußstrom wirkt
nicht anregeunterstützend sonĆ
dern mindernd.
D
Der Stromverlauf ist je nach FehĆ
lereintrittszeitpunkt einseitig verĆ
lagert und während des FehlerverĆ
laufs nicht konstant.
L3
M
R
CE3
Schritt- und Berührungsspannung
kann unzulässige Werte je nach
Stromgröße annehmen.
Induktive Beeinflussung von InĆ
formationsanlagen
sind unwahrscheinlich, da vorwieĆ
gend in Kabelnetzen eingesetzt.
CE
L2
Bild 9
Resistanzerdung
Fehlererfassung
durch Netzschutz bzw. eigenständiĆ
gen Nullstromrichtungsschutz bzw.
Unterimpedanzanregung.
Lichtbogen:
Zerstörungsgefahr des BetriebsmitĆ
tels bei zu langer Fehlerdauer, keine
selbsttätige Löschung.
CE2
L3
CE3
L3
CE2
L2
L1
M
āxME
L1
L
nicht vorhanden
Transiente Überspannungen bei ReĆ
sistanzerdung, kleiner als im geĆ
löschten Netz.
L3
CE3
M
CE2
CE
L2
L
CE
Bild 10
Reaktanzsternpunkterdung
ESiemens AG
.
1996
-7-
Starre Sternpunkterdung:
(siehe Bild 11)
Starre Sternpunkterdung:
L3
D
alle 380/220-kV-Netze in
Deutschland
D
Netzausdehnung und KoronaverĆ
luste zu groß, um selbsttätiges
Lichtbogenverlöschen zu erreiĆ
chen.
L2
Teilstarre Erdung
Erdung nur an ausgewählten
Sternpunkten, um den einpoligen
KS-Strom zu begrenzen.
L1
K
D
Betriebsverhalten:
Fehlerabschaltung, d. h. Ausfall der
Leitung
Isolationsniveau:
reduzierte, eventuell abgestufte IsoĆ
lation möglich
Netzausdehnung:
keine Begrenzung
Aufwand bezüglich SternpunktbeĆ
handlung:
gering
Bild 11
Starre Sternpunkterdung
uKĂ(1)Ă
70
60
transiente Spannungserhöhung:
kt <1,8
20
Fehlerstrom:
Erdkurzschlußstrom abhängig von
der Größe des Verhältnisses 0
10
1
Z
2Ă ) Z 0
üblicher
Bereich
1
1,4
1,45
"KĂ(1)Ă +Ă 1, 5Ă "KĂ(3)Ă
"KĂ(1)Ă +Ă 1 Ă "KĂ(3)Ă
2
10
Schritt- und BerührungsspannunĆ
gen:
unzulässige Werte sind möglich
20
30
40
50
60
70
uKĂ(3)Ă
7
Z0
Z1
ȱ 3Ă Ă
ȳ
Ă ā + ā1, 1Ăȧ
Ă " Ă 0, 866ȧ
Ȳ2Ă ǒ Ă ) 2Ǔ
ȴ
Z0
f
Induktive Beeinflussung von InĆ
formationsanlagen:
unzulässige Beeinflussung, besonĆ
dere Schirmmaßnahmen erforderlich
1,6
Fehlererfassung:
durch Netzschutz, bei AnregeprobleĆ
men mit empfindlichen ErdfehlerĆ
schutz
1,2
keine besonderen Erscheinungen
+Ă
1,1
3Ă "KĂ(3)
40
30
nicht vorhanden
"KĂ(1)Ă
1,04
50
Erdfehlerfaktor:
cf = 1,4 an der Fehlerstelle
Lichtbogen
einpolige WE zur Fehlerbeseitigung
Parameter cf
0,95
Z1
f
Z0
Z1
1,4
1,0
0,8
1
2
3
4
5
6
Bild 12
Zusammenhang zwischen und ein- und dreipoligem Kurzschlußstrom unter der
Annahme gleicher Impedanzwinkel der Null- und Mitimpedanz
-8-
ESiemens AG
.
1996
#64$//(0)$4460*
64 '(3 !,(.)$.5 '(3 =*.,&+-(,5(0
'(3 5(30260-5%(+$0'.60* 8,3'
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Spannungen und Ströme bei Erdschluß
8
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U
U
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U
C
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I3B
L3
I2B
U3
L2
L1
U1
U2
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U3
I3B
CEB
I3 (A + B)
U2
I2B
3 I0B
I2 (A + B)
-(I2 + I3)
I1
A
U1T
I3A
IWL
L2
I1A
IL
U3
L3
I2A
L1
U0
IWR
I1A
I3A
CEA
IS
I2A
I2A + I3A
U2
3Ă I 0AĂ +Ă I RĂ ćjĂ Ǹ3 Ă Ă CEAĂ @Ă U NĂ ńĂ beiĂ VĂ +Ă 0
3Ă I Ă +Ă ćjĂ Ǹ3 Ă Ă C Ă @Ă U
0B
EB
N
3 I0A
IS
IL
3 U0 = U1 + U2 + U3
IWR
3 I0 = I1 + I2 + I3
Bild 15
Stationäre Spannungs- und Stromvektoren im gelöschten Netz
Gelöschtes Netz (siehe Bild 15)
Ein Maß für den Kompensationsgrad
ist die Verstimmung V.
I Ă ćĂ I L
VĂ +Ă CE
I CE
V < 0 = Überkompensation
V > 0 = Unterkompensation
Ziel der Kompensation ist es, den
kapazitiven Erdschlußstrom ICE an
der Fehlerstelle durch den induktiĆ
ven Spulenstrom IC aufzuheben.
Aufgrund der ohmschen Verluste
der Petersenspule (in Bild 15 durch
IWR dargestellt) sowie der Koronaund dielektrischen Verluste der FreiĆ
leitungen und Kabel wird der FehlerĆ
strom auch bei exakter KompensaĆ
tion (V = 0) eine Wirkkomponente
enthalten. Die Verluste der FreileiĆ
tungen und Kabel schwanken inĆ
folge Witterungsabhängigkeit, so
daß eine exakte Berechnung
schwierig ist.
Das Verhältnis Wattreststrom/kapaĆ
zitiver Erdschlußstrom wird als
Dämpfung bezeichnet.
dĂ +Ă
I WR
I CE
Siemens AG
.
1996
Der Reststrom an der Fehlerstelle
ist die Addition der ohmschen VerĆ
lustkomponenten der Petersenspule
und des Netzes.
In Kabelnetzen betragen die dielekĆ
trischen Verluste nur ca. 0,2 % des
Erdschlußstromes, so daß die
Dämpfung im wesentlichen durch
die Spulenverluste allein bestimmt
ist.
Typische Dämpfungen:
UN
d
v30 kV
v110 kV
0,02 bis 0,03
0,03 bis 0,06
Im praktischen Betrieb wird das
Netz leicht überkompensiert betrieĆ
ben (V = 0,05). Damit wird besonĆ
ders bei Freileitungsnetzen die aufĆ
grund der kapazitiven Unsymmetrie
auftretende Verlagerungsspannung
klein gehalten.
Im Gegensatz zum isolierten Netz
zeigen die Spannungen nach VerĆ
löschen des Erdschlusses noch eine
Schwebung. Diese Schwebung ist
durch das Ausschwingen des
Schwingkreises PetersenspuleNetzerdkapazität begründet.
Bei exakter Kompensation bilden
Spule und Erdkapazität des Netzes
einen auf 50 Hz abgestimmten
Schwingkreis. Mit Abschaltung einer
Leitung und durch ÜberkompensaĆ
tion bedingt liegt die Resonanz nicht
bei 50 Hz, sondern etwas darüber.
fe =
Ǹf
ā2
Ă (1Ă ćĂ V)
Netz
fe = Eigenfrequenz des SchwingĆ
kreises
Diese Schwingung klingt entspreĆ
chend der Verluste langsam ab.
Während die Verlagerungsspannung
U0 langsam verschwindet, kehrt die
Spannung des fehlerbehafteten LeiĆ
ters wieder.
Es vergehen mehrere Halbwellen
bis die volle Spannungsrückbildung
an der ionisierten Strecke erfolgt;
darin ist das erfolgreiche UnterdrükĆ
ken von Rückzündungen begründet.
Der Reststrom an der Fehlerstelle
setzt sich somit aus dem durch die
Dämpfung bestimmten WattrestĆ
strom und dem durch die VerstimĆ
mung bedingten Blindstrom zusamĆ
men.
IR = I CE Ǹd ā2Ă )Ă V 2
- 11 -
Der vom Relais erfaßte Strom 3 0
(3 0A im Bild 15) besitzt eine gröĆ
ßere Blindkomponente als der
Strom im fehlerbehafteten Leiter
(1A in Bild 15). Diese Tatsache ist
bei der Relaiseinstellung zu beachĆ
ten und wird im Punkt "Planen und
Inbetriebsetzen des ErdschlußschutĆ
zes" behandelt.
Kontrolle der PetersenspulenAbstimmung im Betrieb durch
Messen der restlichen VerlaĆ
gerungsspannung bei den verĆ
schiedenen Einstellungen der
Spule (Bild für Freileitungen,
bei Kabeln etwa 1/10 der
Werte). Aus Freileitungen und
Kabeln gemischte Netze ergeĆ
ben flachere Kurven.
L1 L2 L3
l1 l2 l3
Ein einfaches Verfahren, die AbstimĆ
mung während des Betriebes festĆ
zulegen, ist das Beobachten der
Sternpunkt-Erdspannung im fehlerĆ
freien Netz.
Man schließt dabei an das offene
Dreieck der Spannungswandler ein
Voltmeter an, dessen Meßbereich
man bei Freileitungen 3 bis 30 V und
bei Kabelnetzen etwa 0,3 bis 3 V
wählt. Stellt man jetzt die PetersenĆ
spule der Reihe nach auf ihre verĆ
schiedenen Anzapfungen ein, so
muß eine ausgeprägte ResonanzĆ
kurve entstehen (siehe Bild 16).
Bild 16
Resonanzkurve der Petersenspule
Einspeisung Transformator
fehlerfreie Abzweige
Ströme und Spannungen bei
Fehlereintritt
Anhand der Parameter eines StichĆ
netzes sollen die wichtigsten EigenĆ
schaften des Erdschlußeintritts disĆ
kutiert und erläutert werden. Bild 17
zeigt das Übersichtsschaltbild eines
Mittelspannungsnetzes mit einer
Einspeisung. Bild 18 zeigt die ErsatzĆ
schaltung in symmetrischen KompoĆ
nenten.
Bild 17
Stichnetz mit Erdschluß, Ersatzschaltbilder
Zusätzliche Erklärung zu Bild 18:
RN, XN Parameter der Einspeisung
RT, XT Parameter des TransformaĆ
tors
RL, XL Parameter des fehlerbehafĆ
teten Abzweiges
CbN
Betriebskapazität des verĆ
bleibenden Netzteils
CbA
Betriebskapazität des fehlerĆ
behafteten Abzweiges
CP
Erdkapazitäten (NullkapaziĆ
tät)
ZM
Magnetisierungsimpedanz
des Transformators
R0Tu,
X0Tu
Trafonullresistanz und ReakĆ
tanz der UnterspannungsĆ
geräte
0, 1, 2 Parameter des Null-, Mitund Gegensystems
RP, XP Resistanz und Reaktanz der
Petersenspule
RF
Übergangswiderstand
ZL
Last an der Sammelschiene
- 12 -
fehlerbehafteter
Abzweig
Petersenspule
Relaiseinbauort
R1N + R1T
j (X1N + X1T)
ûsin (wf + ö)
R2N + R2T
R1L
ZL
C bA
2
CbN
j (X2N + X2T)
R2L
R0Tu + 3 RP
j (X0Tu + 3 XP)
ZM
C bA
2
j X2L
C bA
2
CbN
R0Tu j X0Tu
j X1L
R0L
C0N
C 0A
2
C bA
2
3 RF
j X0L
C 0A
2
Bild 18
Ersatzschaltung in symmetrischen Komponenten
āSiemens AG
.
1996
Die im Relais meßbaren ÜbergangsĆ
vorgänge können im Wesentlichen
in drei deutlich unterscheidbare PhaĆ
sen unterteilt werden. Zunächst wird
beim Erdschlußeintritt die fehlerĆ
hafte Phase durch Wanderwellen
entladen. Die EntladungsschwinĆ
gung liegt im Frequenzbereich von
etwa 10 bis 100 kHz. Da solche VorĆ
gänge von den herkömmlichen ReĆ
lais aufgrund der begrenzenden EinĆ
gangsfilter nicht erfaßt werden, wird
hier nicht näher darauf eingegangen.
Ausgangspunkt für die weiteren BeĆ
trachtungen ist das symmetrische
Dreileitersystem. Die Ladung der
Betriebskapazitäten Cb ist proportioĆ
nal dem Momentanwert der LeiterErdespannung des fehlerbehafteten
Leiters zum Zeitpunkt des FehlereinĆ
tritts. Nach dem Erdschlußeintritt
treten folgende Vorgänge auf:
Bild 19
Ersatzschaltung zur Bestimmung der Entladeschwingung der fehlerhaften Phase
1. Entladung der Kapazität des fehĆ
lerbehafteten Leiters
Bild 20
Ersatzschaltung zur Bestimmung der Entladeschwingung der gesunden Phase
Der hierfür wirksame ErsatzĆ
schwingkreis kann unter VernachĆ
C
lässigung der Kapazitäten bA
2 R1L + 3 RF + R0L
j (2 X1L + X0L)
ǒ
+=0
C
C bNĂ )Ă bA
2
C 0NĂ )
û (sin ö)
Ǔ ǒ
C0A
C
@ C bNĂ )Ă bA
2
2
C 0NĂ )Ă
Ǔ
C0A
C
Ă )Ă C bNĂ )Ă bA
2
2
2 (R1N + R1T + R1L) + R0L + 3 RF
j 2 (X1N + X1T + X1L) + j X0L
û (sin t + ö)
C 0NĂ )Ă
C0A
Ă
2
R1N + R1T + 2 R1L+ 3 RF + R0L
C0A
j (X1N + X1T + 2 X1L + X0L) C 0NĂ )Ă 2 Ă
C bNĂ )Ă
CbA
2
des fehlerbehafteten Abzweiges
û (sin t ö)
ermittelt werden (siehe Bild 19).
Es ist ersichtlich, daß bei diesem
hochfrequenten Vorgang (FreĆ
quenzen bis ca. 5 bis 6 kHz) neĆ
ben diesen Kapazitäten nur die
Resistanzen und Reaktanzen des
fehlerbehafteten Abzweiges eine
Rolle spielen. Die Entladefrequenz
fe berechnet sich etwa zu
1
f eĂ [Ă
ǸLers @ C ers
Da Lers = L0L + 2 L1L wesentlich
geringer als die Induktivität des
Transformators und der PetersenĆ
spule ist, wird deutlich, daß es
sich hier um die Schwingung mit
der größten Frequenz handelt. Die
maximale Amplitude im Nullstrom
3 0 ist bei Fehlereintritt im SpanĆ
nungsmaximum zu erwarten.
2. Aufladung der Erdkapazitäten
(C0 im Ersatzschaltbild)
(Vor Fehlereintritt sind die LeiterErd-Kapazitäten aufgeladen. Dies
entspricht einer geladenen BeĆ
triebskapazität Cb = CE + 3 C12
im Mitsystem).
Die Aufladung erfolgt über eine
Nullspannung. Die Energiequelle
ist der einspeisende TransformaĆ
tor.
ESiemens AG
.
1996
R2N + R2T j (X2N + X2T)
ZM // Z0To + Z0Tu + 3 ZP
Bild 21
Ersatzschaltung in symmetrischen Komponenten
Damit ergibt sich ein ErsatzĆ
schwingkreis gemäß Bild 20. Die
Frequenz dieser Schwingung
1
f aĂ [Ă
ǸL ers @ C ers
liegt je nach Netzgröße bei etwa
70 bis 3ā000 Hz und ist damit die
der Entladeschwingung, da der
Transformator mit seiner großen
Induktivität eingeht. Aus dem ErĆ
satzschaltbild folgt weiterhin, daß
diese Komponente im Nullstrom
3 0 der Einspeisung nicht meßbar
ist, da bis zu diesem Zeitpunkt
kein Strom über die ErdschlußĆ
spule fließt. Die beschriebene
Schwingung entspricht im DrehĆ
stromsystem dem Aufladen der
Leiter-Erde-Kapazitäten der geĆ
sunden Leiter auf verkettete
Spannung bei sattem Erdschluß.
Es erfolgt ein Größensprung um
den Faktor Ǹ3 und einen WinkelĆ
sprung von 30_. Der Übergang
kann gemäß der Elemente R, L, C
nur in Form einer oszillierenden
Schwingung erfolgen.
3. Einstellen der stationären ErdĆ
schlußströme und Spannungen
In diesem Fall ergibt sich die ErĆ
satzschaltung gemäß Bild 21.
An diesem Vorgang ist jetzt auch
die Petersenspule beteiligt. Der
Strom kann anfangs einseitig verĆ
lagert sein, gemäß der ReihenĆ
schaltung R, Lpā. Die maximale
Verlagerung tritt beim Einschalten
im Spannungsnulldurchgang auf.
An der Fehlerstelle (über 3 RF)
fließt bei exakter Kompensation
nur noch der Wattreststrom.
- 13 -
(&$"
%##)#
%##)#
(&$"
%##)#
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%##)#
(&$"
!
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"+")" &
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!
&/-# !# (,*&.!(#''# )# #" !&#(&((',(%)# ( #" # ! *$# & # " %##)#'1
#)!!)&#
& &'!)- " (,(&
"#' Aus den Oszillogrammen (Bild 22
und Bild 23) lassen sich folgende InĆ
formationen ableiten:
1. Für einen Erdschluß Richtung LeiĆ
tung/Kabel haben Nullstrom und
Nullspannung zum EintrittszeitĆ
punkt entgegengesetztes VorzeiĆ
chen.
2. Die Spannungsbeanspruchung der
fehlerfreien Leiter sowie die aufĆ
tretenden 1. Amplituden im NullĆ
strom 3 0 sind bei ErdschlußeinĆ
tritt im Spannungsmaximum am
größten.
3. Der Nullstrom ist als eine ÜberlaĆ
gerung der erläuterten Vorgänge
meßbar; seine ersten Amplituden
betragen in der Regel das VielfaĆ
che des Wandlernennstromes.
Bild 25 zeigt die Größen EntladefreĆ
quenz e, Aufladefrequenz a und die
maximale Amplitude des NullstroĆ
mes bezogen auf die Amplitude des
Wandlernennstromes in AbhängigĆ
keit vom Fehlerort für ein typisches
20-kV-Stichnetz mit einem kapazitiĆ
ven Erdschlußstrom von 400 A.
e/kHz a/Hz
3ā0/
w
300
15
2,25
220
1,5
200
10
180
160
0,75
100
5
1
2
3
4
5
6
7
8
L/km
Bild 25
Netzgöße im Erdschlußfall
Diese Aussagen gelten im GrundĆ
satz auch für vermaschte Netze.
Oberschwingungsgehalt des staĆ
tionären Nullstromes
Im fehlerfreien Betrieb liegt die AusĆ
steuerung gemäß der ResonanzĆ
kurve im Arbeitspunkt.
Bild 24 zeigt die MagnetisierungsĆ
kennlinie der Einspeisetrafos.
Aufgrund der nichtlinearen ÜbertraĆ
gungsfunktion wird der stationäre
Erdschlußstrom je nach Größe der
Verlagerungsspannung bei ErdĆ
schluß (Arbeitspunkt B) ungeradzahĆ
lige Harmonische enthalten.
Die dominierende Frequenz ist dabei
250 Hz (Bild 26).
B
A
Bild 24
Trafomagnetisierung im Normalbetrieb
(A) und bei Erdschluß (B)
āSiemens AG
.
1996
Bild 26
Nullstrom oberwellenbehaftet
- 15 -
Übertragung der Primärgrößen durch die
Wandler
Zur Erdschlußrichtungsbestimmung
werden Verlagerungsspannung und
Erdschlußstrom ausgewertet. Für
die entsprechenden SekundärgröĆ
ßen ist die Übersetzung der Wandler
maßgebend.
Verlagerungsspannung
Das Übersetzungsverhältnis der
Spannungswandler wird so gewählt,
daß die Leiter-Leiter-Spannung der
Sekundärseite bei hochspannungsĆ
seitiger Nennspannung 100 V beĆ
trägt. Die im Dreieck geschaltete
dritte Wicklung der SpannungsĆ
wandler wird im Gegensatz hierzu
jedoch so bemessen, daß an ihm
bei sattem Erdschluß 100 V auftreĆ
ten, um an dem Relais eine geĆ
normte Spannung zu haben (siehe
Bild 27).
Diese Spannung entspricht definiĆ
tionsgemäß Ǹ3 U0. Sie wird gebildet,
indem man die Spannungswandler
z. B. für ein 110-kV-Netz mit einem
Übersetzungsverhältnis
ń ń
110000 100
Ǹ3
Ǹ3
ausführt.
100
3
Besitzen die verfügbaren SpanĆ
nungswandler keine zweite SekunĆ
därwicklung, so kann die VerlageĆ
rungsspannung Ǹ3 U0 durch einen
Satz zwischen Wandler mit dem
Übersetzungsverhältnis 100/(100/
Ǹ3 V) in der Schaltung nach Bild 27
gewonnen werden.
Zur Bildung der VerlagerungsspanĆ
nung sind stets drei gegen Erde geĆ
schaltete Spannungswandler erforĆ
derlich. Die sogenannte V-Schaltung
genügt nicht, da dort keine SpanĆ
nung gegen Erde gemessen wird.
L3
L2
U ĂȀ3
L1
U ĂȀ2
UL3
U ĂȀ3
U0
U ĂȀ3
üPS
U
UL2
Ǹ3 Ă U Ă
0
U PTĂ +Ă
UN
U Ă Ă Ǹ3
ĂĂ 3 Ă + N
Ǹ3 100
100Ă V
U PSĂ +Ă
U N Ǹ3
U
ĂĂ
Ă+ N
Ǹ3 100
100
Ǹ3 Ă U Ă +Ă (U ĂȀĂ )Ă U ĂȀ) @ 1 Ă +Ă (U ń150oĂ )Ă U ń150oĂ ) @ 100Ă V Ă
0
N
N
2
3
üPT
U NĂ Ǹ3
Ǹ3 Ă U Ă +Ă Ǹ3 Ă U Ă ń180oĂ @ 100Ă V ā +ā 100Ă Vń180oĂ
0
N
Ǹ3 Ă U Ă
N
Definition: 3 U0 = UL1 + UL2 + UL3
Bild 27
Bildung der Verlagerungsspannung
Erdschlußstrom
Für die meßtechnische Bestimmung
der vom Erdschluß betroffenen LeiĆ
tung ist neben der VerlagerungsĆ
spannung auch der Erdstrom
3 0 + = L1 + L2 + L3 heranzuzieĆ
hen.
Die Hauptstromwandler in den drei
Leitern bilden in ihrer ParallelschalĆ
tung gemäß der DefinitionsgleiĆ
chung diesen Strom ab. Die AnordĆ
nung nach Bild 28 wird als HolmĆ
greenschaltung bezeichnet.
Der Erdstrom ist die vektorielle
Summe der drei Leiterströme.
- 16 -
U ĂȀ2
U ĂȀ3
üPT
UL1
L3
L2
L1
3 0
KurzschlußĆ
schutz
ErdschlußĆ
relais
Bild 28
Holmgreenschaltung
Siemens AG
.
1996
Erdschlußstrom (Fortsetzung)
Die symmetrischen Betriebsströme
addieren sich dabei zu Null. Im prakĆ
tischen Betrieb werden infolge der
Wandlerübertragungsfehler und der
kapazitiven Unsymmetrie betriebsĆ
mäßig geringe Nullströme meßbar
sein. In vermaschten Netzen kommt
ebenfalls der Einfluß unterschiedliĆ
cher Leiterimpedanzen parallel geĆ
führter Leitungen zum Tragen. Um
einen Erdstrom in jedem Fall mesĆ
sen zu können, sind stets 3 Wandler
erforderlich.
Eine weitere Möglichkeit der ErdĆ
stromerfassung bietet ein alle drei
Leiter umfassender Wandler, der geĆ
mäß seines Anwendungsgebietes
als Kabelumbauwandler bezeichnet
wird (siehe Bild 29 und Bild 30).
L1
L2
L3
e
Bild 29
Kabelumbauwandler zum Erfassen des
Erdstromes
Bild 30
Kabelumbauwandler
Kenngrößen und Merkmale der AnĆ
schaltungen
D Holmgreenschaltung
Für einen Wandler 5P gilt:
- Hauptstromwandler mit großem
Übersetzungsverhältnis z. āB. 400/1
- Große Nennüberstromziffer zur
richtigen Abbildung der kurzĆ
schlußartigen Ströme z.āB. 5P10 =
Gesamtfehler <5 % bei 10fachem
Nennstrom.
- In gelöschten Netzen wird der
Wattreststrom, der in der GrößenĆ
ordnung (2 bis 6 %) CE Netz liegt,
zur Richtungsbestimmung ausgeĆ
wertet.
Der Einfluß des Fehlwinkels kann,
gerade in Netzen mit niedrigeren
Wattreststromansprechwerten (0,01
bis 0,02 x N), zu falschen Aussagen
bei der Anschaltung über HolmĆ
greenschaltung führen.
Anhand der Tabelle sollte die AbĆ
schätzung zum Einsatz der HolmĆ
greenschaltung erfolgen.
EāSiemens AG
.
1996
0,1 N
0,2 N
1,0 N
Stromfehler i in %
2,0
1,5
1
Fehlwinkel di _el.
2,0
1,5
1
Winkelanteil des max. Fehlerstromes 3 C
infolge Wandlerfehlwinkel bei einen LastĆ
winkel von 30_
0,007 N
0,01 N
0,035 N
Als Empfehlung gilt:
Holmgreenschaltung nur, wenn der
eingestellte Relaisansprechwert der
Richtungsmessung größer >0,05 N
eingestellt werden kann.
D
Eine Richtungsfehlentscheidung
wird somit bei einer gewählten
Ansprechsicherheit von 2 ausgeĆ
schlossen.
Für isolierte Netze können im allgeĆ
meinen Wandler in HolmgreenschalĆ
tung verwendet werden. Die Gründe
hierfür sind:
D
Wandlerfehler infolge WandlertoĆ
leranzen wirken sich vorwiegend
auf die ohmsche Komponente
wegen des nahezu ohmschen
Lastwinkels aus, während das
Verfahren hier jedoch den BlindĆ
strom (-, -, cos ö-Messung)
mißt.
Die Richtungsgerade liegt hier
(siehe stationäre Zeiger) nahezu
um 90 Grad zum Scheinstrom verĆ
schoben, so daß größere WinkelĆ
fehler zulässig sind.
D
Bei der Verwendung von ErdĆ
schlußwischerrelais zur selektiven
Erdschlußerfassung ist der AnĆ
schluß der Holmgreenschaltung
generell unproblematisch, da die
ersten Amplituden des transienĆ
ten Einschwingvorgangs ein VielĆ
faches des Wandlernennstromes
betragen.
- 17 -
Kabelumbauwandler
Weiterhin könnte durch die transforĆ
matorische Wirkung des WandlerfelĆ
des ein störender Kreisstrom über
den Erdleitungen entstehen
(Bild 35).
Die Eisenbandarmierung unter dem
Kabelumbauwandler braucht nicht
entfernt zu werden, da sie die MesĆ
sung nicht stört. Man kann sie jeĆ
doch wegnehmen, wenn man mit
der Lochweite nicht auskommt.
- 18 -
12
M6
14
∅ 6,4
b) 7XR9672
200
2
102
K
a) 7XR9602
(alte Bezeichnung AEK 0,5 - 80 b)
L
96
104
Die Notwendigkeit dieser MaßĆ
nahme ersieht man aus dem StromĆ
laufschema bei Erdschluß (Bild 34).
Wenn der gezeichnete Leiter ErdĆ
schluß gegen den Bleimantel beĆ
kommt, braucht an der Fehlerstelle
noch keine Verbindung zum Erdreich
zu bestehen, da der Kabelmantel
durch die Juteumwicklung gegen
Erdberührung geschützt sein kann.
Durch die transformatorische WirĆ
kung des Feldes wird der Erdstrom
auf dem Bleimantel zurückgesaugt.
Durch die Hin- und Rückführung
durch den Umbauwandler entsteĆ
hen, wie das Bild zeigt, für den KaĆ
belumbauwandler wirksame AmĆ
perewindungen erst, wenn der
Strom mit der Erdungsleitung durch
den Wandler wieder zurückgeführt
wird.
54
143
170
55
Das Trageisen für den Kabelkopf
muß gegen das Gerüst isoliert sein,
damit der Erdstrom gezwungen
wird, über die durch den KabelumĆ
bauwandler zurückgeführte ErdleiĆ
tung zu fließen. Es genügt, wenn die
Trageisen im Mauerwerk ohne VerĆ
bindung mit dem Gerüst oder unterĆ
einander eingebaut werden. Falls
durch Unterlegen von Material isoĆ
liert werden soll, genügt eine verĆ
hältnismäßig geringe Dicke der IsoĆ
lierschicht, da nur mäßige DifferenzĆ
spannungen auftreten.
81
Die Kabelumbauwandler (Bild 31,
Bild 32) haben eine lichte Weite von
84 oder 20 mm. Das ÜbersetzungsĆ
verhältnis beträgt 60/1 A. Sie müsĆ
sen so montiert werden, wie im
Bild 33 dargestellt ist.
∅149
94
Kabelumbauwandler sind besonders
für die Erfassung kleiner Ströme geĆ
eignet. Der bei Holmgreenschaltung
auftretende Fehlerstrom infolge unĆ
terschiedlicher Wandlerfehler tritt
durch die magnetische Addition
nicht auf.
k
14,5 x 6,5
l
K
120
Bild 31
Kabelumbauwandler 7XR96
Bei der Montage ist die dem WandĆ
ler bei der Lieferung mitgegebene
Vorschrift für den Einbau zu beachĆ
ten.
Die Wandler sind als SchnittbandĆ
kerne ausgeführt. Bei SchnittbandĆ
kernen ist magnetisch hochwertiges
Eisen zu einem Bandkern gerollt und
durch einen Kunststoff fest verbakĆ
ken. Der Kern wird dann nachträgĆ
lich in zwei halbringförmige Teile geĆ
schnitten und die Schnittflächen
werden geschliffen. Nach dem
Überschieben über das Kabel werĆ
den die Kernhälften mit der WickĆ
lung durch Spannschrauben zusamĆ
mengehalten (Bild 32).
Es hat sich gezeigt, daß bei SuchĆ
schaltungen, bei denen ein Relais
durch Umschalten für mehrere KaĆ
bel verwendet wird, die Gefahr beĆ
steht, daß über die Erdverbindungen
der Wandlersekundärseiten FremdĆ
ströme fließen können und das ArĆ
beiten der Relais stören. Da der UmĆ
bauwandler bei normaler Montage
genügend weit von der offenen
Hochspannung entfernt ist und über
dem fest geerdeten Kabelmantel
liegt, ist er gegen Hochspannung geĆ
schützt. Man kann daher die eine
Klemmenseite aller Umbauwandler
auf dem kürzesten Weg miteinander
verbinden und nur an einer Stelle erĆ
den.
āSiemens AG
.
1996
Die andere Klemmenseite führt
dann zu den Umschaltern (normale
Stromwandler müssen immer je
Kern ein Schutzerdung erhalten).
1
Bei Suchschaltungen hoher EmpĆ
findlichkeit sind für den Strompfad
geschirmte Leitungen zu verwenden
oder freie Adern im Hilfskabel zur
Schirmung der stromführenden
Adern an beiden Enden des HilfskaĆ
bels zu erden.
Beim Gebrauch der KabelumbauĆ
wandler sind die bei den ErdschlußĆ
relais gemachten Ausführungen zu
beachten, die besagen, daß die
Wandler und das Relais aufeinander
abgeglichen sind.
Bei der Montage der Umbauwandler
muß beachtet werden, daß der WiĆ
derstand zwischen Umbauwandler
und Relais (7SN93, 7SN73, 7SA5,
7SJ5) nicht mehr als 0,4 Ohm
Schleife (0,2 Ohm einfache Länge)
betragen darf bei Einstellungen ab
2 mA. Bei Einstellungen ab 20 mA
sind 1,2 Ohm zulässig. Bei WischerĆ
relais (7SN70, 7SN71) soll der
Schleifenwiderstand nicht mehr als
6 Ohm betragen. Abstand und QuerĆ
schnitte müssen entsprechend geĆ
wählt, d. h. die Relais in der Nähe
der Wandler montiert werden. Bei
Wischerrelais besteht diese BeĆ
schränkung nicht.
1
2
3
1 Kabelstrom
2 Meßstrom
3 Fehlerstrom
a) Falsch, Fehlerstrom 3 bildet sich aus
Bild 32
Die beiden Hälften eines KabelumbauĆ
wandlers
b) Richtig, metallenes Äußeres des ErdverĆ
schlusses schwach gegen Erde isoliert, ErdĆ
leitung durch den Wandler zurückgezogen
Bild 35
Verlegung der Kabelerdleitung
Meßgenauigkeit von Wandlern für
Meßzwecke
D Nennübersetzungsverhältnis
uĂ +Ă
D
Pu
NennstromĂ primär
Ă +Ă
Su
NennstromĂ sekundär
Betragsfehler (Stromfehler)
iĂ [%]Ă +Ă
D
Bild 33
Montage eines Kabelumbauwandlers
uĂ SĂ ćĂ P
@ 100
P
Gesamtfehler
9Ă [%]Ă +Ă 100 @
P
Ǹ
1 Ă T Ă (K Ă ć1 Ă ć1 )2Ă dt
mj
S
P
T O
ŕ
Erdstrom M
Bild 36
Kabelumbauwandler in FreileitungsabĆ
zweigen
(T = Periodendauer in [āsā]ā)
Fehlwinkel
di = öis - öip
Beispiel: Kabelumbauwandler 3M5
D
Zu Bild 35:
EisenbandĆ
armierung
Aus den Wandlerdaten folgt:
max. 3 % Betragsfehler im
Bereich (0,5 bis 1,2) N
Leiter
Wandler für Meßzwecke
bei 5fachem Nennstrom kann
der Gesamtfehler >15 % werĆ
den
StromumlaufĆ
schema bei
Erdschluß geĆ
gen Bleimantel
Bleimantel
Bild 34
Stromlaufschema eines KabelumbauĆ
wandlers bei Erdschluß
ESiemens AG
.
1996
Das Bild zeigt, daß ganz allgemein
Kabelumbauwandler, auch wenn sie
der Messung von Leiterströmen dieĆ
nen, eine Isolierung des Kabelkopfes
und die Rückführung der Erdleitung
durch den Wandler verlangen, da
sonst bei dem Wandler durch die
Erdberührung des Metallmantels
bzw. Kabelkopfes vor und hinter
dem Wandler die Sekundärwicklung
des Wandlers kurzgeschlossen ist
und nicht mehr richtig arbeitet. Ein
mit Bitumen geschützter KabelmanĆ
tel muß als geerdet angesehen werĆ
den.
- 19 -
i [ā%ā]
Stromfehler
+3
0 N
+2
0,5 N
+1
0
1 N
0,1 0,2
0,5
1,0
1,2
1,5
ā/āN
-1
-2
-3
2 N
1 N
Fehlwinkel
i [āminā]
120
2 N
60
0 N
0
0,1 0,2
0,5
1,0
1,2
2,0
ā/āN
-60
-120
Bild 37
Fehlergrenzen des Kabelumbauwandlers 7XR9602 (1,2 VA, Klasse 3M5)
i [āGradā]
Aus der Fehlwinkelkennlinie läßt sich eine Empfehlung für die EinstelĆ
lung der 2-Punkte-Winkelkorrektur im digitalen Schutz ableiten.
0,75 1
für Bürde von 0 bis N
0 2
1 0,1
2 0,5
ā/āN
Bild 38
Winkelkorrektur der Erdstromrichtungsmessung beim Digitalschutz 7SA511/7SJ512
- 20 -
Siemens AG
.
1996
Einrichtungen zur allgemeinen ErdschlußĆ
meldung
Bei den Erdschlußrelais muß man
grundsätzlich unterscheiden zwiĆ
schen Melderelais, die nur das VorĆ
handensein eines Erdschlusses im
Netz anzeigen, und solchen, die die
schadhafte Leitung angeben.
L1
L2
L3
Wie gezeigt, erhält der NetzsternĆ
punkt im isolierten, gelöschten oder
hochohmig geerdeten Netz bei ErdĆ
schluß die volle Sternspannung geĆ
gen Erde. Diese SpannungsverlageĆ
rung tritt unabhängig von der örtĆ
lichen Lage des Erdschlusses im
ganzen Netz gleichartig auf.1)
Man bemerkt also den Erdschluß in
allen Stationen eines metallisch zuĆ
sammenhängenden Netzes zur selĆ
ben Zeit. Wegen der Möglichkeit eiĆ
nes Überganges in Doppelerdschluß
(d. h. Kurzschluß) stellt das Fahren
mit Erdschluß eine Fortsetzung des
Betriebes in einem weniger sicheren
Zustand dar. Die Erdschlußmeldung
ist eine Warnung.
Wie im Bild 13 gezeigt, erhält der
isolierte Netzsternpunkt bei sattem
Erdschluß die volle VerlagerungsĆ
spannung ā/ 3. Erfolgt der ErdĆ
schluß über einen ErdübergangswiĆ
derstand F, so bewirkt dieser eine
Verminderung der VerlagerungsĆ
spannung.
Eine einfache Erdschlußmeldung erĆ
hält man durch Erfassen der VerlageĆ
rungsspannung 0 = 1/3 (L1 + L2
+ L3) an der offenen DreieckwickĆ
lung eines Spannungswandlers oder
eines Erdungstransformators.
Um einerseits unabhängig von StörĆ
spannungen zu sein, andererseits
aber schon bei kleineren VerlageĆ
rungsspannungen eine Meldung zu
bekommen, wird in der Praxis ein
Spannungsrelais mit etwa 30 bis
60 V Ansprechwert an die offene
Dreieckwicklung eines SpannungsĆ
wandlers gelegt, die bei sattem ErdĆ
schluß eine Spannung von 100 V abĆ
gibt (Bild 39 und Bild 41).
L1
L2
L3
Bild 39
Erdschlußmeldung, Spannungswandler mit zweiter Sekundärwicklung
für Erdschlußerfassung
L1
L2
L3
L1 L2 L3
Bild 40
Erdschlußmeldung, Spannungswandler ohne zweite Sekundärwicklung für
Erdschlußerfassung, mit zusätzlichen drei Einphasen-Zwischenwandlern
1) Vorschrift in VDE 0101 ("Errichten von Starkstromanlagen über 1 kV") § 6.1.2
Siemens AG
.
1996
- 21 -
(*#
/#0"'*27+$*#2,& +(1 $*$)1/-,(0"'$, 2&/2..$,
Gerätezeichen
Baugruppe
5
. ,,2,&0&$!$/ 2&/2..$
5
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5
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5
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$/ /#0"'*27 (+ $16!$1/($!
($+$,0 Ermittlung der erdschlußbehafteten Leitung
durch Erdschlußrichtungsrelais
Um die schadhafte Leitung im Netz
zu finden, werden Erdschlußrelais
verwendet, die aus Nullstrom 3 e
und Nullspannung 3 e die ErdĆ
schlußrichtung bestimmen.
Wenn es sich um ein isoliertes Netz
handelt, genügen in Stationen mit
ausschließlich Stichleitungen unter
besonders günstigen Verhältnissen
empfindliche Stromrelais zur ErmittĆ
lung der Leitung, auf der sich der
Erdschluß befindet. Jedoch können
schon stark unterschiedliche LeiĆ
tungslängen dieses Verfahren unĆ
brauchbar machen. Deshalb sind
fast immer Richtungsrelais erforderĆ
lich.
Aus den Angaben der RichtungsreĆ
lais kann man auch in vermaschten
Netzen die fehlerbehaftete Leitung
schnell herausfinden (Bild 42).
Die Erdschlußrichtungsrelais liegen
mit ihrem Strompfad in der VerbinĆ
dungsleitung der StromwandlerSternpunkte oder am KabelumbauĆ
wandler. Als Steuerspannung für
den Spannungspfad dient die NullĆ
spannung 3 e. Man mißt die vekĆ
torielle Lage des Nullstromes gegen
die Nullspannung, die in allen StatioĆ
nen des Netzes bei Erdschluß
gleichartig auftritt und im ZeigerdiaĆ
gramm die gleiche Lage hat.
Jede Leitung erhält ein ErdschlußreĆ
lais; bei den langsamen Relais wird
manchmal auch nur zeitweilig ein
Relais in die zu untersuchende LeiĆ
tung eingeschaltet. Vom Relais wird
verlangt, daß es eine Meldung abĆ
gibt, wenn der Fehler in Richtung
der betreffenden Leitung liegt. Das
Gesamtbild (Bild 42) ergibt dann die
Lage der Erdschlußstelle. Wenn von
einer Station nur Stichleitungen abĆ
gehen, zeigt das Relais unmittelbar
die schadhafte Leitung an. Unter BeĆ
nutzung der beschriebenen Ströme
und Spannungen beim Auftreten eiĆ
nes Erdschlusses sind die folgenden
Verfahren der Richtungsmessung
möglich:
Siemens AG
.
1996
Bild 42
Richtungsangabe der Erdschlußrelais im strahlenförmigen und vermaschten Netz
3 0A
Vorwärts
0
Rückwärts
3 0B
Bild 43
Vektorielle Lage der Nullspannung und -ströme
Richtungsmessung mit langĆ
samen Relais
Die Art der Messung unterscheidet
sich nach der Art der Erdung. Bei
isolierten Netzen erfolgt die RichĆ
tungsbestimmung mit dem kapazitiĆ
ven Erdstrom (-, -, sin ö- MesĆ
sung) bei kompensierten Netzen mit
dem Wattreststrom (-, -, cos öMessung).
Isolierte Netze
Wenn der Netzsternpunkt völlig frei
ist, also keinerlei Verbindung mit
Erde hat, mißt man nach Abklingen
der Zündschwingung an den MeßĆ
punkten der Abgänge nahezu reine
Blindströme.
Bild 43 zeigt die vektorielle Lage der
Nullspannung und der Nullströme
für den fehlerbehafteten Abzweig A
und den fehlerfreien Abzweig B,
übernommen aus Bild 13 (siehe
Seite 10).
- 23 -
Daraus läßt sich die Festlegung der
Richtungsgeraden im isolierten Netz
ableiten. Sie liegt parallel zur NullĆ
spannung 0.
Für die Erdschlußrelais liegen sehr
gute Meßbedingungen vor, da sich
die Größen A und B stark unterĆ
scheiden (180_ Winkeldrehung). BeĆ
tragsmäßig werden im fehlerbehafĆ
teten Abzweig die ErdschlußladeĆ
ströme des gesamten galvanisch
verbundenen Netzes abzüglich des
Ladestromes des eigenen AbzweiĆ
ges gemessen. Als praktische
Größe können hier je nach NetzĆ
größe 20 bis 50 A angesetzt werĆ
den. An das Übertragungsverhalten
der Wandler werden keine so groĆ
ßen Anforderungen wie im gelöschĆ
ten Netz gestellt. Eine Anschaltung
der Relais an Holmgreenschaltung
kann möglich sein.
Bei der Verwendung von KabelumĆ
bauwandlern können eventuell auch
normale Überstrom-Zeitrelais die
fehlerbehaftete Leitung ermitteln.
Kritisch sind Netze mit stark unterĆ
schiedlich langen und wenigen LeiĆ
tungen, dort versagt die FehlererfasĆ
sung mit reiner Erdstrommessung
(siehe Tabelle). Bei der Einstellung
der Ansprechwerte der wattmetriĆ
schen Richtungsrelais muß diese
Erscheinung ebenfalls berücksichtigt
werden.
Gelöschtes Netz
Die Strom- und Spannungsvektoren
für den fehlerbehafteten Abzweig A
und den fehlerfreien Abzweig B werĆ
den aus Bild 15 (siehe Seite 11)
übernommen. Für die Relais in den
fehlerfreien Abgängen B sind die
Meßgrößen die gleichen wie im isoĆ
lierten Netz. Der Stromvektor 3 0
des fehlerbehafteten Abzweiges ist
dagegen in Betrag und Phase völlig
verschieden zum isolierten Netz. Die
Konstruktion wurde bereits im KapiĆ
tel "Spannungen und Ströme bei
Erdschluß"(siehe Seite 10) behanĆ
delt.
Da der Wirkreststrom die für den
fehlerbehafteten Abzweig charakteĆ
ristische Größe ist, wird die RichĆ
tungsgerade hier durch diesen VekĆ
tor bestimmt.
Wenn die Wirkkomponente des
Nullstromes 3 0 entgegengesetzt
der Verlagerungsspannung 0 zu lieĆ
gen kommt, wird auf ErdschlußrichĆ
tung vorwärts erkannt (Bild 44).
Der Betrag und die Phase des
Stromvektors 3 0A sind von der VerĆ
stimmung V, dem kapazitiven ErdĆ
schlußstrom des fehlerbehafteten
Abzweiges CE1 und der Dämpfung
abhängig.
Für das Stichnetz gilt:
Beispiel:
Ein Netz besteht aus 3 Abzweigen
(Stichleitung):
3 0 Abzweig A = 5 A
Abzweig B = 10 A
Abzweig C = 15 A
A
Fehler
Meßstrom
B
C
A
[25]
5
5
B
10
[20]
10
C
15
15
[15]
Wattmetrische Relais, welche in isoĆ
lierten Netzen die Blindkomponente
des Nullstromes zur RichtungsbeĆ
stimmung verwenden, werden geleĆ
gentlich auch als Erdschlußrelais mit
sin ö-Messung bezeichnet.
- 24 -
Somit kann sich dieser Vektor im 1.
oder 4. Quadranten befinden. DaĆ
raus resultiert auch die UnbrauchbarĆ
keit der sin ö-Messung. Die Relais
in fehlerfreien Abgängen werden
durch diese Kennlinie, auch als
cos ö-Messung bezeichnet, bedingt
keine Richtungsbestimmung durchĆ
führen, da der (Freigabewert) AnĆ
sprechwert nicht erreicht wird. KriĆ
tisch sind hier jedoch kleine Netze
CE < 50 A, wo Ansprechwerte von
weniger 10 mA gewählt werden
müssen. Durch den Phasenfehler
des Kabelumbauwandlers kann der
Nullstrom langer fehlerfreier AbĆ
zweige in den nahegelegenen AnĆ
sprechbereich gedreht werden.
RückĆ
wärts
VorĆ
wärts
WR
e
3 0B
3 0A
Bild 44
Wirkkomponente des Erdstromes
In solchen Fällen ist die in den digitaĆ
len Geräten 7SJ52, 7SJ512, 7SJ531,
7SA511 einstellbare Winkelkorrektur
sorgfältig zu verwenden. Besonders
in Kabelnetzen liegen die Nullströme
der fehlerfreien Abzweige bei naĆ
hezu -90_.
Beim Einsatz von empfindlichen
langsamen Erdschlußrelais in geĆ
löschten Netzen mit Parallelkabeln
und -leitungen ist einige Vorsicht geĆ
boten. Hier können über die Relais
Fehlströme durch ungleiche VerteiĆ
lung des Laststromes auf die einzelĆ
nen Stränge von Parallel- oder
Mehrfachkabeln auftreten.
Die Widerstände der Leiter bei den
parallelgeschalteten Kabeln
(Bild 45āa) oder Leitungen sind häufig
nicht ganz gleich. Das eine Kabel
nimmt z.āB. im Leiter L1 mehr BeĆ
triebsstrom auf als das NachbarkaĆ
bel. In den anderen Leitern kann die
Aufteilung gleich oder auch umgeĆ
kehrt sein. Die Gesamt-StromĆ
summe des Betriebsstromes für die
gesamten Parallelkabel ist dann
zwar noch gleich Null, nicht aber
mehr für das Einzelkabel. In der
Sternpunktverbindung der Wandler
oder im Umbauwandler des einen
Kabels tritt der Unterschied der BeĆ
triebsströme als Falschstrom in eiĆ
ner Richtung auf, bei dem ParallelkaĆ
bel der gleiche Strom jedoch in der
umgekehrten Richtung. Addiert man
die Ströme der Kabelumbauwandler
der parallelen Kabel, so sind die AusĆ
gleichsströme wieder verschwunĆ
den, da sie gleich groß sind, aber
entgegengesetzt verlaufen.
ESiemens AG
.
1996
Man darf also zwei oder mehrere
Parallelleitungen nicht einzeln mit
empfindlichen Erdschlußrelais ausrüĆ
sten, da dies zu Fehlangaben führen
könnte. In Maschen- und RingnetĆ
zen können diese Schwierigkeiten
ebenfalls auftreten, da auch hier
eine unsymmetrische Aufteilung
des Laststromes möglich ist.
Man muß die Kabelumbauwandler
der parallelen Leitungen summieren
(Bild 45āāb). Bei geringen ErdschlußĆ
strömen sollte man wegen der MaĆ
gnetisierungsströme nicht mehr als
zwei bis drei Kabelumbauwandler
parallelschalten. Dann kann man
feststellen, ob der Fehler in dem
Strang liegt oder nicht. Liegt der
Fehler in dem Strang, so müssen die
Parallelkabel nacheinander am Ende
aufgetrennt werden und anschlieĆ
ßend muß der Erdschlußstrom der
Einzelkabel gemessen werden. Ein
weiterer Fehlstrom über die ErdĆ
schlußrelais kann durch ungleiche
Kapazitäten der einzelnen HochspanĆ
nungsleiter gegen Erde vor und hinĆ
ter der Meßseite entstehen.
a)
b)
S = 0
Wattmetrische Relais finden vorwieĆ
gend ihren Einsatz in Stichnetzen.
Im vermaschten Netz müssen die
Einstellung und das Auswerten von
Anzeigen sehr sorgfältig durchgeĆ
führt werden.
Siemens AG
.
1996
B
richtig
S = -DR = bis 10 % R
falsch
Bild 45
Stromaufteilung bei Erdschlußrelais in Parallelleitungen. Wandler in HolmgreenschalĆ
tung oder Kabelumbauwandler
A, B usw. Leitungen
a, b usw. Taster zum Einlegen
des Relais oder MeßĆ
instrumentes
C
Relais oder MeßinĆ
strument
UM
Spannung an der ofĆ
fenen DreieckwickĆ
lung der SpannungsĆ
wandler
Die ganze Schaltung kann autoĆ
matisiert werden, wobai wegen
der Gleichstromglieder im ErdĆ
schlußstrom jede Abfrage 3 bis
5 s dauern soll.
c
M
UM
a)
b)
L1
L2
L3
L1
L2
L3
A
B
C
Bild 46
Erdschlußsuchschaltung zum Ausmessen eines Dauererdschlusses
L1
L2
L3
Durch die in Freileitungsnetzen wirkĆ
samen Korona und Ableitverluste
liegt der Vektor 3 0A in diesen NetĆ
zen im 3. Quadranten.
Für die wattmetrische Messung in
gelöschten Netzen wird daher die
Verwendung von KabelumbauwandĆ
lern empfohlen. Wenn man KabelĆ
umbauwandler in Stationen einĆ
bauen will, die FreileitungseinfühĆ
rungen haben, kann man auch faĆ
brikmäßig angefertigte kurze KabelĆ
stücke (Kunststoffkabel) mit ErdverĆ
schlüssen erhalten. Diese KabelĆ
stücke lassen sich dann leicht einĆ
bauen (siehe Seite 19, Bild 36).
RW
A
L1
L2
L3
Für das Erdschlußsuchen mit langĆ
samen Erdschlußrelais verwendet
man oft die sogenannte SuchschalĆ
tung (Bild 46).
Mehrere Leitungen erhalten aus
Ersparnisgründen nur ein gemeinsaĆ
mes Erdschlußrelais, das mit Hilfe
von Umschaltern nacheinander jeĆ
weils an die Wandler oder den KaĆ
belumbauwandler der einzelnen
Kabel angeschlossen wird.
RW
S = +DiR = bis 10 % R
A
durch eine Erddrossel Dr mit
Belastungswiderstand R1 für
Niederspannung
B
durch Belastungswiderstand
parallel zur Petersenspule P.
Ausführung mit
Hochspannungswiderstand
R2 und Schalter S2 oder mit
über Transformator Tr
angeschlossenem
Niederspannungswiderstand
R1
L
Leistungstransformator
S1 Niederspannungsschütz
Bild 47
Verstärken des Erdstromes
Ein anderes erfolgreiches Verfahren,
die Meßmöglichkeiten bei kleinen
Erdströmen zu verbessern, besteht
darin, hochspannungsseitig den ErdĆ
strom durch Belastungswiderstände
im Erdstromkreis dauernd oder auch
nur kurzzeitig zu vergrößern.
Man kann, wie im Bild 47 angegeben
(Teilbild B), zur Petersenspule P im
Sternpunkt des LeistungstransformaĆ
tors L einen HochspannungswiderĆ
stand R2 parallelschalten, der den
Wattreststrom z.āB. auf 5 bis 12 A verĆ
größert.
- 25 -
Anstelle des HochspannungswiderĆ
standes ist es auch möglich, über
einen Transformator einen NiederĆ
spannungswiderstand und ein
Schütz anzuschließen. Die gleiche
Wirkung kann auch erzielt werden,
wenn man eine Hilfswicklung (als
Leistungswicklung belastbar) der PeĆ
tersenspule auf einen BelastungswiĆ
derstand arbeiten läßt. Will man
vom Sternpunkt des LeistungstransĆ
formators unabhängig sein, kann
man an einer passenden Stelle des
Netzes eine dreipolige ErdungsdrosĆ
selspule (Bild 47, Teilbild A) einĆ
bauen (Eisenkern mit 5 Schenkeln),
dessen besondere NiederspanĆ
nungs-Dreieckwicklung einen WiĆ
derstand speist. Diese ErdungsdrosĆ
sel stellt einen vergrößerten SpanĆ
nungswandler dar. Er enthält neben
der in Dreieck geschalteten ErdĆ
stromwicklung zur Vergrößerung
des Wattreststromes drei MeßwickĆ
lungen für 100/ 3 SekundärspanĆ
nung bei 1 % Genauigkeit. Man
kann diese Erdungsdrossel also anĆ
stelle der SammelschienenspanĆ
nungswandler einbauen und für die
Betriebsmessung und Zählung mitĆ
verwenden.
- 26 -
Wenn alle Leitungsenden mit Relais
ausgerüstet sind, genügt es, den
Widerstand für den Erdstrom nur
wenige Sekunden lang einzuschalĆ
ten. Die Schalter S 2 oder die
Schütze S 1 werden dabei von der
Sternpunkterdspannung aus über
Zeitwerke gesteuert.
Bei sogenannten Suchschaltungen,
wobei ein Erdschlußrelais nacheinĆ
ander für mehrere Leitungen benutzt
wird, muß der Widerstand während
der ganzen Suchzeit eingeschaltet
werden, ist also thermisch größer
auszulegen. Wie schon erwähnt, beĆ
ginnt der Erdschluß mit einer kräftiĆ
gen "Zündschwingung", deren VerĆ
lauf sehr unregelmäßig sein kann.
Besonders die einseitige VerlageĆ
rung, d.āh. das auftretende GleichĆ
stromglied, stört das Arbeiten der
langsamen wattmetrischen ErdĆ
schlußrelais. Aus diesem Grunde ist
mit den beschriebenen langsamen
Relais eine Einmessung des ErdĆ
schlusses erst möglich, wenn der
Fehler fest eingebrannt ist und sich
beruhigt hat. Die Meßwerke sind
deshalb absichtlich träg gemacht
worden (Ansprechverzögerung im
Mittel 0,5 bis 3 s).
Siemens AG
.
1996
Schnelle Richtungsmessung mit Hilfe der
Zündschwingung
Wie auf den Seiten 14 und 15 in den
Bildern 22, 23 und 26 angezeigt
wurde, beginnt jeder Erdschluß mit
einem verhältnismäßig starken
Stromstoß, der sogenannten ZündĆ
schwingung. Dieser Stromstoß
fließt von allen Leitungen aus über
die Erdschlußstelle. Er gibt also, von
allen Meßstellen aus gesehen, zuĆ
sammen mit der entstehenden LeiĆ
ter-Erdspannung die Richtung zur
Fehlerstelle an. Diese Erscheinung
ist unabhängig vom Vorhandensein
einer Petersenspule. Sie wird im
Erdschlußwischerrelais ausgeĆ
wertet.
Siemens AG
.
1996
Da durch die Größe dieses StromĆ
stoßes die bei gelöschten Netzen
sonst infolge der Kleinheit des StroĆ
mes auftretenden meßtechnischen
Schwierigkeiten nicht vorhanden
sind, ist dieses Relais heute das beĆ
vorzugte Gerät zum Erfassen aller
Erdschlüsse in wichtigen Netzen geĆ
worden. Da alle Erdschlüsse mit
dem Stromstoß beginnen, erfaßt
man sowohl die vorübergehenden
(Wischer) als auch die DauererdĆ
schlüsse in gelöschten und isolierĆ
ten Netzen.
Im vermaschten Netz ist im GegenĆ
satz zu den wattmetrischen Relais
eine eindeutige Aussage über das
fehlerbehaftete Kabel/Freileitung
möglich. Dazu müssen alle im Netz
installierten Relais ausgewertet werĆ
den. Die fehlerbehaftete Leitung ist
durch die beiderseitige VorwärtsanĆ
zeige der Relais erkennbar.
- 27 -
Die Bauformen der Erdschlußrichtungsrelais
Die langsamen Relais
Die langsamen Erdschlußrelais wurĆ
den früher in zwei konventionellen
Bauformen gefertigt. Außerdem
gibt es eine elektronische AusfühĆ
rung in Einschubtechnik, die wahlĆ
weise entweder zusammen mit anĆ
deren Geräten in einem FlachbauĆ
rahmen eines Schutzschrankes oder
aber als Einzelgerät in einem GeĆ
häuse untergebracht werden kann.
Für verhältnismäßig große ErdĆ
ströme wurde eine zählerartige BauĆ
form, Typ 7RM18, hergestellt. Sie
enthält die drei Meßwerke eines
Drehstromzählers, jedoch in SonderĆ
ausführung als Erdschlußrelais.
Wenn verhältnismäßig große EmpĆ
findlichkeit notwendig ist, z. B. für
gelöschte Netze, werden alle drei
Meßwerke im Strompfad in Serie in
den Erdstromkreis geschaltet, im
Spannungspfad parallel an die SternĆ
punkterdspannung, so daß sich die
drei Drehmomente addieren (einsĆ
tellbar 30 bis 60 mA). Bei großen
Strömen genügt stromseitig der
Anschluß eines Meßwerkes. Das
Relais wird auf cos = 1 genau abĆ
geglichen. Das gleiche Relais läßt
sich ohne Änderung einfach durch
Vorschalten eines ohmschen WiderĆ
standes im Spannungspfad auch für
ungelöschte Netze verwenden. Der
Widerstand dreht die Phasenlage
des Erregerstromes für die SpanĆ
nungsspulen. Ein Winkelabgleich ist
in diesem Fall nicht erforderlich (AnĆ
sprechwert = Skalenwert x 2,5).
Für kleine Erdschlußströme (EmpĆ
findlichkeit 2 bis 50 mA, umschaltĆ
bar 20 bis 500 mA) wurde das empĆ
findliche Erdschlußrelais 7SN93,
gebaut, das eine GleichrichterbrükĆ
kenschaltung enthielt. Über kleine
Meßübertrager werden die Summen
M +M und M - M gebildet und
nach der Gleichrichtung einem DrehĆ
spulrelais zugeführt (Schaltung
Bild 48). Man erhält so die Richtung
des Erdstromes M gegenüber der
Sternpunkterdspannung M mit groĆ
ßer Empfindlichkeit.
- 28 -
n
Umschaltung 1 : 10
KabelumbauĆ
wandler
n
e
L1
L2
L3
Bild 48
Erdschlußrelais 7SN93 Schaltung, Anschluß der Umbauwandler
Bild 49
Baugruppe 7TG20 für Erdschlußrichtungsmessung
Wenn die hohe Empfindlichkeit geĆ
braucht wird, hat es meistens keiĆ
nen Sinn, das Relais in HolmgreenĆ
schaltung in die SternpunktverbinĆ
dung der Stromwandler zu schalten,
da hier die Fehlerströme oft größer
sind als der Wirkstromanteil des ErdĆ
schlußstromes. Dieses Relais sollte
daher für die Einstellwerte 2 bis
50 mA nur an Kabelumbauwandler
angeschlossen werden, die bei EinĆ
fachleitungen kaum Fehlerströme
führen.
Auch dieses Relais läßt sich durch
Umlegen der Klemme am Relais für
nicht gelöschte Netze verwenden.
Vor dem Spannungspfad liegt dann
ein Kondensator (Ansprechwert =
Skalenwert).
Da diese wattmetrischen ErdschlußĆ
relais in ihrer Arbeitsweise absichtĆ
lich langsam gemacht sind, können
sie in ihren Angaben nicht durch einĆ
seitig verlagerte Erdschlußströme
(wie in Bild 26) gestört werden. Man
wartet das Abklingen dieser stoßarĆ
tigen Vorgänge durch eine ArbeitsĆ
zeit von etwa 0,5 s ab.
Siemens AG
.
1996
Zählerartige Meßsysteme sind von
Natur aus träge gegen gleichstromĆ
artige Stöße, den Brückenrelais mit
Gleichrichtern gibt man eine künstĆ
liche Dämpfung, z. B. durch KurzĆ
schlußrähmchen.
Bei der Baugruppe 7TG20, die zur
Generation elektronischer NetzĆ
schutzgeräte in Einschubtechnik geĆ
hört, wird der Meßwert ebenso wie
beim 7SN93 durch den Vergleich der
Beträge von M + M und M - M
gewonnen. Die Auswertung erfolgt
jedoch hier durch eine statische
Meßschaltung.
Auch das 7TG20 mißt je nach AnĆ
schluß entweder die WirkkompoĆ
nente des Erdschlußstromes, die in
gelöscht betriebenen oder über eiĆ
nen Wirkwiderstand geerdeten NetĆ
zen die Richtung der Erdschlußstelle
angibt, oder die Blindkomponente
beim Einsatz in isoliert betriebenen
Netzen.
Summenstrom von
Kabelumbauwandlern
Verlagerungsspannung
vom SpannungswandlerĆ
satz
Bild 50
Schaltplan des 7TG20
Für kleine Erdschlußströme besitzt
das 7TG20 Einstellmöglichkeiten
von 2 bis 30 mA; der höhere Bereich
von 20 bis 300 mA gilt für die zweite
Anschlußmöglichkeit des StrompfaĆ
des.
Wenn der für die Messung verwenĆ
dete Anteil des Erdschlußstromes
den Einstellwert überschreitet, gibt
die Baugruppe statisch und mit eiĆ
nem Relaiskontakt Signal.
Die nötige Dämpfung ist durch kapaĆ
zitive Beschaltung der Meßstufe erĆ
reicht.
Das Erdschlußrichtungsrelais 7SN73
enthält in einem Gehäuse 7XP7720
eine Baugruppe 7TG20 und eine
Umrichterbaugruppe, die aus der
Batteriespannung der Station die
Versorgungsspannung für die elekĆ
tronische Schaltung des 7TG20 erĆ
zeugt. Die elektronische Schaltung
besitzt keine galvanische Verbindung
mit den Klemmen des Gehäuses.
Die Funktion wattmetrische ErdĆ
schlußrichtungsbestimmung im isoĆ
lierten oder gelöschten Netz ist in
den digitalen Abzweigschutzgeräten
enthalten:
D
Digitaler Abzweigschutz (DistanzĆ
schutz) 7SA500, 7SA511
D
Digitaler Abzweigschutz (ÜberĆ
stromzeitschutz) 7SJ52, 7SK52,
7SJ512, 7SJ531
Bild 51
Digitaler Abzweigschutz 7SA511
Bild 53
Erdschlußrichtungsrelais 7SN73
Verbindungen - - - - nur bei
Ausführungen 7SN7300-*A0*
ohne die Baugruppe 7TW60
RückĆ
Batterie
Meldung wärts
Hilfsspg. Richtg.
fehlt
Anschlüsse:
Strom:
Kl. 1 - 2:
Kl. 3 - 4:
Spannung: Kl. 5 - 6:
Kl. 5 - 8:
Kl. 5 - 7:
(Siehe Anschlußbilder der Geräte
7SA511/7SJ512, Bilder 54 und 55)
VorĆ
wärts
Richtg.
2 - 18 mA
300 mA
cos -Messung
sin -Messung
sin -Messung
(empfindlich)
Bild 52
Schaltplan des Erdschlußrichtungsrelais 7SN73
ESiemens AG
.
1996
- 29 -
Ausführung Schalttafelaufbau
L1
L2
L3
1
3A1
5
2
2A1
6
3
2A2
1A1
7
4
1A2
1D1
8
9
1D2
3B1
10
3B2
11
3B3
12
2B3
IL1
IE
IL2
IL1
IL2
IL3
IL3
IE1)
UāL1
UāL1
UāL2
UāL3
UāN
UāL2
UāL3
Uāe
UāN
Ausführung Schalttafeleinbau
Binäreingaben, Melderelais, KomĆ
mandorelais und LED's sind frei
rangierbar.
1) optionsabhängige EmpfindlichĆ
keit des IEā-Eingangs:
- normale Empfindlichkeit
- hohe Empfindlichkeit für
wattmetrische ErdschlußĆ
erfassung
2) x -Eingang ist funktionsabĆ
hängig verwendbar
- Uen -Spannung
- U2 -Spannung für SynchronĆ
kontrolle
2C2
Uān
2C3
L1
2C4
L2
Uāx2)
L3
Uāxn
13
1C1
14
1C2
Bild 54
Schaltplan für Abzweigschutz 7SA511
Ausführung Schalttafelaufbau
Ausführung Schalttafeleinbau
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
17
1A1
18
1
1A2
4C1
5
2
4C2
3C1
6
3
3C2
2C1
7
4
2C2
1C1
8
21
1C2
3A1
22
3A2
3A3
*
23
3A4
2A1
*
24
19
2A2
2A3
*
20
2A4
L1
* wahlweise Richtungszusatz
oder Binäreingaben
L2
L3
Bild 55
Schaltplan, Digitaler Überstromzeitschutz 7SJ512
- 30 -
āSiemens AG
.
1996
L1 L2 L3
0
a, b Zwischenwandler mit drei Wicklungen
d
Anordnung zur Gewinnung der LeiterErdspannung
e
Schnell arbeitendes polarisiertes Relais
1, 2 Kondensatoren
f
Drossel im Erdstrompfad
Bild 56
Schnell arbeitende Meßschaltung des
konventionellen Erdschlußwischerrelais
Die schnellen ErdschlußwischerĆ
relais (siehe Bild 56)
100 bis 240 ~
50 Hz
Netzanschlußgerät 7SN92
zu weiteren ErdĆ
schlußrelais
7SN90
(bis zu 30 Stück)
Erdschlußwischerrelais gibt es in der
konventionellen Ausführung 7SN90
und als elektronische Baugruppe
7TG23 in Einschubtechnik, die wahlĆ
weise entweder zusammen mit anĆ
deren Geräten in einem FlachbauĆ
rahmen eines Schutzschrankes oder
aber als Einzelgerät in einem GeĆ
häuse untergebracht werden kann.
Die stets vorhandene ZündschwinĆ
gung (Bild 56/Bild 57) ist durch den
vom Erdschluß eingeleiteten ÜberĆ
gang der Stromverhältnisse vom
Normalzustand in den Zustand des
Dauererdschlusses bedingt. Die
Richtung dieses Schwingstromes
gibt die Lage der Fehlerstelle im
Netz an, da der Strom durch die ErdĆ
schlußstelle fließt, also an allen
Meßstellen zur Fehlerstelle weist.
Die Erdschlußwischerrelais sind
Brücken-Richtungsrelais, die zum
schnellsten Erfassen des StoßstroĆ
mes über Stoßkreise angeschlossen
sind und eine sehr kurze AnsprechĆ
zeit haben.
Dadurch bestimmen die ersten steiĆ
len Anstiege im Strom- und SpanĆ
nungspfad die Richtungsangabe. Bei
Spannungen über 50 kV kann das
Abschirmen der WandlersekundärĆ
leitungen gegen Überspannungen
aus dem Hochspannungsnetz erforĆ
derlich werden.
Siemens AG
.
1996
Prüfknöpfe für
rote Lampe
gelbe Lampe
L1 L2 L3 0
100 V~
Erdschlußwischerrelais 7SN90
Bild 57
Innen- und Außenschaltung des Erdschlußwischerrelais 7SN90 mit Netzanschlußgerät
Im Gegensatz zu den langsamen ReĆ
lais müssen die ErdschlußwischerreĆ
lais ihren Richtungsentscheid sehr
schnell treffen und das Ergebnis soĆ
gleich festhalten. Der erste von der
Meßbrücke abgegebene Stromstoß
mit weniger als einer Millisekunde
Dauer muß dazu genügen.
In konventionellen ErdschlußwiĆ
scherrelais wird das durch den EinĆ
satz eines sehr schnell arbeitenden
Relais erreicht, das dabei durch eine
besondere Schaltung unterstützt
wird, die mit dem Umladen von KonĆ
densatoren arbeitet.
- 31 -
Dabei wird die Möglichkeit verwenĆ
det, durch entsprechende Wahl der
Kapazitäten und Widerstände die
Zeitkonstanten der einzelnen Ladeund Entladekreise auf geeignete
Werte zu bringen. Eine HalteschalĆ
tung speichert die von der roten
(vorwärts) oder von der gelben (rückĆ
wärts) Signallampe gegebene AnĆ
zeige der Meßrichtung bis zur RückĆ
stellung. Hilfskontakte ermöglichen
die Ferndurchgabe (Bild 56/Bild 57).
Die schnelle Auswertung des ersten
Stromstoßes im konventionellen WiĆ
scherrelais wird anhand von Bild 56,
das die Meßschaltung zeigt, erläuĆ
tert.
Der erste steile Stromanstieg im
Strompfad erzeugt an der Drossel C
(Induktivität) einen kräftigen SpanĆ
nungsabfall, der einen entsprechenĆ
den Strom über die Zwischenwandler
a und b zur Folge hat.
Der sprungartige Anstieg der SternĆ
punkt-Erdspannung erzeugt im
Spannungspfad des Relais über die
Kondensatoren und die SpannungsĆ
wicklung der beiden BrückenwandĆ
ler einen entsprechenden Impuls.
Die Stromstöße von Strom- und
Spannungspfad werden im ZwiĆ
schenwandler a addiert, im ZwiĆ
schenwandler b subtrahiert. Die beiĆ
den Brückengleichrichter erhalten
verschieden hohe Ströme, die DiffeĆ
renz gleicht sich über das polariĆ
sierte Relais e aus. Das Relais mißt
daher die Richtung der Stromwelle
bei der Erdschlußzündung gegenĆ
über der auftretenden SternpunktErdspannung.
Der Kondensator 1 ist über einen
großen Vorwiderstand auf die vom
Speisegerät her anstehende GleichĆ
spannung aufgeladen. Bei der ersten
Kontaktgabe des schnellen Relais e
übernimmt der Kondensator 2 der
entsprechenden Seite mit sehr kurĆ
zer Zeitkonstante die Ladung von
1. Diese Ladung bringt das parallel
dazu angeschlossene Relais zum
Ansprechen; dieses geht in SelbstĆ
haltung und verhindert ein erneutes
Ansprechen des Gerätes auf einen
weiteren Vorgang, solange die AnĆ
zeige nicht quittiert ist. Ein nachträgĆ
liches Ansprechen des gegenüberĆ
liegenden Relais beim ersten VorĆ
gang infolge anschließend entgeĆ
gengesetzter Kontaktgabe durch e
ist nicht möglich, weil 1 mit der erĆ
sten Kontaktgabe weitgehend entĆ
laden wurde.
- 32 -
Bild 58
Erdchlußwischerrelais 7SN70
Bild 59
Erdschlußwischerrelais 7SN71
Für die elektronische Ausführung
des Erdschlußwischerrelais 7SN70
verlangt die schnelle Auswertung
und Speicherung des vor Ablauf der
ersten Millisekunde nach Eintritt des
Erdschlusses gebildeten Impulses
keine besonderen Maßnahmen. Die
Baugruppe 7TG21 aus der GeneraĆ
tion elektronischer Netzschutzgeräte
in Einschubtechnik enthält für die
Bildung des Meßwertes unverändert
die bewährte Eingangsschaltung des
konventionellen ErdschlußwischerĆ
relais 7SN90; der Unterschied liegt
in der statischen Auswertung.
Kernstück des Relais ist die BauĆ
gruppe 7TG23, welche bereits in
den Geräten 7SN70 neuerer Bauart
Anwendung fand. Bild 60 zeigt das
Innenschaltbild des 7SN71 mit der
Baugruppe 7TG23, die vollelektroĆ
nisch arbeitet. Die Baugruppe
7TG23 enthält den Funktionsumfang
der Baugruppen.
Der von der Eingangsschaltung abĆ
gegebene Stromstoß gibt sofort
nach Eintritt eines Erdschlusses mit
seinem Vorzeichen die Richtung zur
Fehlerstelle an. Dieser Strom geĆ
langt nach Durchlaufen eines Filters
(je nach seinem Vorzeichen) an eiĆ
nen der beiden entkoppelten StromĆ
gebereingänge, der bei ÜberschreiĆ
ten eines Grenzwertes anspricht.
Gleichzeitig wird der andere StromĆ
geber gesperrt. Dieser Zustand beĆ
steht so lange, bis die Löschung
über die Rückstelltaste oder das
Fernrückstellsignal erfolgt.
Funktionsumfang 7TG23: 7TG21,
7TM49, 7TF12, 7TR35 siehe Bild 61
7SN70 alte Ausführung.
D
Richtungsbestimmung aus 3 0
und 3ā0 durch vollelektronische
Richtungsleistung
D
Speicherung der ermittelten RichĆ
tung
D
SchalthandlungsmeldungsunterĆ
drückung.
Mit je einer Prüftaste kann die FunkĆ
tion der Stromgeber beider RichtunĆ
gen überprüft werden.
Das Erdschlußwischerrelais 7SN70
(Bild 58) im Gehäuse 7XP7720
wurde durch das ErdschlußwischerĆ
relais 7SN71 im Gehäuse 7XP20 abĆ
gelöst.
ESiemens AG
.
1996
$! # $$%% $ ##!%#&"# "%
# " "#%( $'$"
Meldung
Hilfsspg.
fehlt
Prüfen
Rot
Gelb
Batterie
AnsprechSammlung
Sammelltg.
FernrückĆ
stellung
Meldungen nur bei Erdschlußvorgängen
Rückstellung nach Schalthandlungen
Bild 61
Schaltplan des Erdschlußwischerrelais 7SN70, Ausführung mit 7TM49 und 7TF12
(alte Ausführung)
Durch das ungleichmäßige Öffnen
bzw. Schließen der Schalterpole
kann es zu transienten Strom- und
Spannungsimpulsen kommen.
Mit dem auf der Frontplatte befindĆ
lichen Jumper kann die Ausgabe der
gespeicherten Richtung von dem
Anstehen der VerlagerungsspanĆ
nung über eine Mindestzeit von
70 ms abhängig gemacht werden.
Im gelöschten Netz schwingt die
Verlagerungsspannung auch bei ErdĆ
schlußwischern langsam aus, so
daß der getroffene RichtungsentĆ
scheid auch nach 70 ms ausgegeĆ
ben wird.
- 34 -
D
Dauererdschlußmeldung nach
Richtungsentscheid und Ablauf
eines Zeitgliedes von 3 s.
D
Je nach Bestellvariante wird das
Gerät mit AC-Versorgung oder
DC/DC-Wandler ausgerüstet.
Die Dauererdschlußmeldung kann
wahlweise nur bei Erdschluß in
Leitungsrichtung ausgegeben
werden.
Mit dem Schalter S8 ist ein autoĆ
matisches Rücksetzen der
Speicher nach 3 s möglich. Das
Rücksetzen kann auch von extern
erfolgen. Das Relais kann wahlĆ
weise mit Gleichspannung oder
220-V-Wechselspannung bzw.
100-V-Wechselspannung aus
dem Spannungswandler (LL) zur
Hilfsspannungsversorgung betrieĆ
ben werden.
ESiemens AG
.
1996
Zu weiteren ErdschlußĆ
relais 7SN11 bzw. RN1b
(bis zu 30 Stück)
Zählwerk
Erdschluß in Leitungsrichtung
Erdschluß in Sammelschienenrichtung
7SN11
L1 L2 L3
L1
L2 Sammelschiene
L3
100 bis 110 V~
Betätigen von Hand, Automatik oder Fernsteuerung
Bild 62
Innenschaltung und Anschlußschaltung des kombinierten Erdschlußrelais 7SN11
Das kombinierte Erdschlußrelais
(siehe Bild 62)
Das kombinierte Erdschlußrelais
7SN11 vereinigt in sich die EigenĆ
schaften des Erdschlußwischerrelais
7SN90 mit denen des DauererdĆ
schlußrelais 7SN93. Es ermöglicht
also neben der Erfassung von ErdĆ
schlußwischern auch eine Erfassung
von Dauererdschlüssen nach dem
wattmetrischen Prinzip X-fach unĆ
terteilten Ringleitungen sehr günĆ
stig. Nach der schnellen Erfassung
des Erdschlusses kann durch UmĆ
schalten auf wattmetrische MesĆ
sung der fehlerhafte Leitungsteil fast
immer ohne Lastabschaltung ermitĆ
telt werden.
Siemens AG
.
1996
Das 7SN11 arbeitet normal als WiĆ
scherrelais (wie 7SN90) und wird
nach Anzeige eines Erdschlusses
auf wattmetrische Messung (wie
7SN93) umgeschaltet.
Vom 7SN90 unterscheidet sich das
7SN11 durch das Fehlen von MeldeĆ
lampen; dafür sind entsprechende
Meldekontakte an Klemmen geführt
(Bild 62).
Die Wirkungsweise und Einstellung
für den Betrieb als Wischerrelais ist
die gleiche wie beim 7SN90.
Auf wattmetrische Messung wird
durch ein von außen betätigtes ReĆ
lais umgeschaltet. Dieses macht im
Strompfad anstelle der Drossel eiĆ
nen Wandler und in der Brücke ein
Drehspulrelais wirksam.
Die Wirkungsweise der wattmetriĆ
schen Messung ist die gleiche wie
beim 7SN93. Für die Einstellung entĆ
fallen jedoch die im 7SN93 vorhanĆ
denen unteren Ansprechwerte von
2 und 3 mA.
Der Einsatz des 7SN11 ist folgenderĆ
maßen gedacht:
Normal arbeitet das Gerät als WiĆ
scherrelais. Wurde damit die erdĆ
schlußbehaftete Leitungsfolge geĆ
funden, so trennt man diese auf und
stellt dann mit wattmetrischer MesĆ
sung den betroffenen Abschnitt fest.
So kann eine nähere Lokalisierung
des Erdschlusses erfolgen, ohne
daß eine Lastabschaltung durchĆ
geführt werden muß.
Seite 36 enthält Hinweise für das InĆ
betriebsetzen von Erdschlußrelais.
- 35 -
Planen und Inbetriebsetzen des ErdschlußĆ
schutzes
Einstellen der wattmetrischen
Relais
CāȀ Ă bezogeneĂ Betriebskap.
Wie die Ausführungen gezeigt haĆ
ben, ist der Aufbau eines ErdschlußĆ
schutzes stets eine Angelegenheit
des gesamten galvanischen zusamĆ
menhängenden Netzes. Man kann
also nie für einzelne Stationen ein
Schutzkonzept entwerfen ohne das
ganze Netz zu kennen.
āb
CāȀĂ bezogeneĂ LeiterćLeiterĂ Kap.
āȀ
CāȀĂ bezogeneĂ LeiterćErdeĂ Kap.
āȀ
CāȀ + 3ȀCĂ )Ă CāȀ
āȀ
Cā +Ă 0, 25Ă Cā
āE
CE +Ă Ǹ3 Ă U NĂ Ă wĂ C EĂ
Grundlage ist in jedem Fall der kapaĆ
zitive Erdschlußstrom CE = Ǹ3 UN w
CE des Netzes. Er kann, wenn nicht
vorhanden, überschlagsmäßig aus
den in den Bildern 63 bis 66 enthalĆ
tenen Diagrammen abgelesen werĆ
den.
Bild 63 zeigt ein Diagramm, aus
dem nach Umrechnung der ErdĆ
schlußstrom für Freileitungen beĆ
rechnet werden kann.
D
Für isolierte Netze, welche naheĆ
zu ausschließlich StichnetzcharakĆ
ter haben, muß ebenfalls der AbĆ
zweig mit dem größten ErdĆ
schlußstrom ermittelt werden.
CE +Ă
Ǹ3 @ 10 ć6
Ă wĂ U NĂ (kV) @ lĂ [km]Ă @Ă C āȀbĂ [nF]Ă
1, 75
Bild 63
Betriebskapazität C'b in nF/km je Leiter für Betriebsspannungen bis 150 kV
Der Einstellwert wird mit einer
Ansprechsicherheit von 2 ermitĆ
telt zu:
D
In gelöschten Netzen geht man
entweder vom eingestellten SpuĆ
lenstrom L oder ebenfalls vom
kapazitiven Erdschlußstrom aus.
Für die wirksame Dämpfung kann
in Kabelnetzen der SpannungseĆ
benen 10 - 30 kV d = 0,02 bis
0,03 und in den 110-kV-FreileiĆ
tungsnetzen d = 0,03 bis 0,06 anĆ
genommen werden. Da wattmeĆ
trische Relais vorwiegend in MitĆ
telspannungsnetzen mit dominieĆ
renden Kabelanteil Anwendung
finden, sollte nicht der kapazitive
Erdschlußstrom WR = CE @ d
sondern der Spulenstrom WR =
C @ d zur Berechnung verwendet
werden.
- 36 -
āE
fürĂ FreileitungenĂ gilt
z.B. NAZ x SZY
NAZ x S (F) ZY
NZ x SZY
CE +Ă Ǹ3 @ 10 ć3Ă wĂ U NĂ (kV) @ lĂ [km]Ă @Ă C āȀbĂ [mF]Ă
Bild 64
Betriebskapazität Cā'b in mF/km je Leiter von einadrigen Kunststoffkabeln mit
PE- oder VPE-Isolierung mit Kupfer- oder Aluminiumleiter für Nennspannungen
von 6/10 bis 18/30 kV
Die Bild 64 bis Bild 66 zeigen DiaĆ
gramme für die Bestimmung der
Erdschlußströme von Kabeln.
ESiemens AG
.
1996
Wie im Kapitel Spannungen und
Ströme bereits erwähnt, sind die diĆ
elektrischen Verluste der Kabel verĆ
nachlässigbar klein ( [ 0,002).
Bei der Ermittlung des EinstellwerĆ
tes braucht im gelöschten Netz nicht
mit einer Ansprechsicherheit von 2
gerechnet werden, da hochohmige
Erdfehler zur Vergrößerung der WirkĆ
komponete führen. Um SchaltzuĆ
standsänderungen ausgleichen zu
können, wird empfohlen, ca. 65 %
des berechneten Wattreststromes
als Ansprechwert zu wählen. Der erĆ
mittelte Sekundärwert muß den AnĆ
forderungen bezüglich der WandlerĆ
toleranzen bei Holmgreenschaltung
bzw. bei Ansprech v10 mA sehr geĆ
nauer Winkelkorrektur des KabelumĆ
bauwandlerfehlers entsprechen.
z.B. NYSEY3'X...
PVC-Isolierung
Der Anschluß der Relais an die
Meßkerne der Kabelumbauwandler
wird empfohlen.
Einstellen der ErdschlußwischerĆ
relais
Erdschlußwischerrelais sprechen auf
die erste Amplitude im Nullstrom
3 0 an. Die Größe der ersten AmpliĆ
tude ist jedoch nicht so einfach wie
die Werte des stationären NullstroĆ
mes zu ermitteln. Abhängigkeiten
hierzu sind unter dem Punkt SpanĆ
nungen und Ströme zu finden.
Da die Größenordnungen neben der
Leitererde-Kapazität des gesamten
Netzes auch von den Reaktionen der
einspeisenden Umspannern und der
Fehlerstrombahn abhängen, können
die zu erweiternden Amplituden nur
mit speziellen Rechenprogrammen
ermittelt werden.
Eine andere Möglichkeit ist die BeĆ
obachtung der Anzeigen der Relais
infolge Erdfehler und eine daraus abĆ
geleitete Korrektur der EinstellunĆ
gen.
Durch den Anschluß am 5-A-EinĆ
gang wird der Ansprechwert um den
Faktor 5 erhöht. Es stehen somit
acht Einstellmöglichkeiten zur VerfüĆ
gung.
Bild 65
Betriebskapazität ā'b in F/km je Leiter von dreiadrigen Kunststoffkabeln mit Kupferoder Aluminium für Nennspannungen von 3,5/6 und 6/10 kV
z.B. NAKBA
NAEKEDBA
NKBA
NEKEBA
Bild 66
Betriebskapazität ā'b in F/km je Leiter von einadrigen Kabeln mit Papierisolierung
mit Kupfer- oder Aluminiumleiter für Nennspannungen von 6/10 bis 18/30 kV
Tabelle zeigt die AnsprechempfindĆ
lichkeiten der verfügbaren WischerĆ
relais 7TG23, 7SN70, 7SN71
Stecker gesteckt
Ansprechgrenze
1, 2 und 3
(0,2 bis 0,3) A
1 und 2
(0,1 bis 0,15) A
1
(0,03 bis 0,04) A
-
0,02 A
Durch den Anschluß am 5-A-EinĆ
gang wird der Ansprechwert um den
Faktor 5 erhöht. Es stehen somit
acht Einstellmöglichkeiten zur VerfüĆ
gung.
Siemens AG
.
1996
- 37 -
L1
L2 Sammelschiene
L3
e
n
Ǹ3 Ă Ă
0
Die Erdung des Kabelschirmes
muß an der Kabelseite erfolgen!
13
13/1C1
9
19/2A3
3
14
14/1C2
10
20/2A4
4
8
8/1D2
8
18/1A2
2
4
4/1D1
4
17/1A1
1
7SA500 7SA511 7SJ52 7SJ512 7SN73
Bild 67
Wandleranschluß wattmetrischer Relais
Wandleranschluß wattmetrischer
Relais
D
Besonderheiten bei abweichenĆ
den Anschaltungen:
D
Grundsätzlich ist für die Abbildung
des Nullstromes die Einbaulage
des Kabelumbauwandlers oder
Holmgreenschaltung nicht die
Seite der Erdung bedeutend.
Beispiel:
Anschluß eines 7SN73 an HolmĆ
greenschaltung/Wandlererdung
sammelschienenseitig. Die AnĆ
schaltung erfolgt analog zu der
des Kabelumbauwandlers. Der leiĆ
tungs-/kabelseitige Sternpunkt
wird an Klemme 1 angeschlossen.
D
D
7SA500
Unabhängig von der Erdung der
Hauptstromwandler - Anschluß
des Kabelumbauwandlers immer
wie abgebildet. Bei Anschluß an
Holmgreenschaltung immer den
kabelseitigen Sternpunkt an
Klemme 4.
7SA511
Abhängig von der Erdung der
der leitungsseitigen KabelumbauĆ
wandlerklemme bei HauptstromĆ
wandlererdung sammelschienenĆ
seitig aus Klemme 8 des SchutzĆ
gerätes. Bei Anschluß an HolmĆ
greenschaltung den geerdeten
Wandlersternpunkt immer an
Klemme 4.
7SJ52/7SK52
Hauptstromwandler wegen der
korrekten StromsummenüberwaĆ
chung.
Für Geräte, welche mit einer FirmĆ
wareversion V4.0 und größer ausĆ
geliefert werden, gilt:
- 38 -
Wandlersternpunkt leitungsseitig
³ Anschluß wie Bild 67
Wandlersternpunkt SS-seitig ³
Drehung der KabelumbauwandlerĆ
anschlüsse und der Anschlüsse
an der offenen Dreieckswicklung.
Anschluß der ErdstrommeßeinĆ
gänge der Schutzgeräte
Bei Holmgreenschaltung immer
Verbindung der Klemmen 5, 6, 7,
8. Bei Hauptstromwandlererdung
SS-seitig, Drehung der AnschlüsĆ
se der offenen Dreieckswicklung
gegenüber Schaltbild.
Für Geräte, welche mit einer FirmĆ
wareversion kleiner V4.0 geliefert
werden, sind die StromwandleranĆ
schlüsse 4 und 8 gegenüber der
Firmwareversion V4.0 zu drehen.
D
7SJ512
der leitungsseitigen KabelumbauĆ
wandlerklemme an Klemme 18
des Schutz-Gerätes bei HauptĆ
stromwandlererdung.
Sammelschienenseitig:
Bei Anschluß HolmgreenschalĆ
tung den geerdeten Sternpunkt
immer an Klemme 17.
EāSiemens AG
.
1996
Sammelschiene
L1 L2 L3
7SN71
Aufbau
A/E
Einbau
7SN70
7TG23
14
2B1
2
S3
13
1B2
1
S2
1A
14
1B1
3
S1
5A
Bild 68
Wandleranschluß wattmetrischer Relais
Anschluß der ErdschlußwischerĆ
relais
Die Anschaltung gilt immer und ist
von der Seite der StromwandlererĆ
dung unabhängig.
Beim Anschluß an KabelumbauĆ
wandler muß die leitungsseitige
Klemme wie der leitungsseitige
Sternpunkt der Holmgreenschaltung
angeschlossen werden.
Kontrolle der Wandleranschlüsse
Beim gerichteten Erdschlußschutz
ist es besonders wichtig, die richtige
Anschaltung der Wandler zu überĆ
prüfen. Der Wickelsinn und AnĆ
schluß der EN-Wicklung ist insbeĆ
sondere bei älteren SpannungsĆ
wandlern oft unklar. Weiterhin kann
es im Strompfad beim Anschluß an
Kabelumbauwandler zu VertauĆ
schungen kommen. Mit der digitaĆ
len Prüfeinrichtung 7VP15 ist es
möglich, den richtigen Anschluß der
Kabelumbauwandler zu überprüfen.
Hierzu werden die AnschlußleitunĆ
gen des Prüfstromes von der SamĆ
melschienenseite aus beginnend
durch den Kabelumbauwandler gefäĆ
delt (siehe Bild 69). Der SpannungsĆ
anschluß Prüfeinrichtung-SchutzgeĆ
rät kann wahlweise 3phasig oder
einphasig erfolgen (z. B. bei Relais,
die nur die Nullspannung 3 Ă 0 verĆ
wenden) .
Siemens AG
.
1996
Erdschlußrelais
Bild 69
Anschaltung der 7VP15 Prüfeinrichtung
Durch die digitale Prüfeinrichtung ist
es insbesondere für die Prüfung von
Erdschlußwischerrelais möglich, den
Erdschlußeintritt mit netzspeziĆ
fischen Daten zu simulieren und als
praxistaugliche Größe in Bezug auf
Frequenz, Amplitude und PhasenĆ
lage auszugeben.
Diese Prüfschaltung setzt den richtiĆ
gen Anschluß der Spannungswandler
voraus. Beim Erdschlußwischerrelais
(7SN71; 7SN70) wird die VerlageĆ
rungspannung aus den angeschlosseĆ
nen Leiter-Erdespannungen ermittelt
30 = L1 + L2 + L3.
- 39 -
Ein Vertauschen der Leiter-ErdeSpannungen ist somit unkritisch,
wenn der richtige Anschuß des
Wandlersternpunktes sichergestellt
ist. Der richtige Anschluß des SternĆ
punktes kann mit einem einfachen
Vielfachmesser überprüft werden.
Eine Überprüfung auf den richtigen
Spannungswandleranschluß kennĆ
zeichnet Bild 70 für ErdschlußwiĆ
scherrelais und Bild 71 für Relais
welche nach dem wattmetrischen
Prinzip arbeiten.
Die auf dem Umbauwandler angeĆ
gebenen Bezeichnungen K-L, k-I
geben wie bei allen Wandlern nur
an, wie die Klemmen einander zugeĆ
ordnet sind. Deshalb ist in der ZeichĆ
nung kein "K-L" eingetragen. Man
muß nur beachten: Liegt z. B. "K"
zur Leitungsseite, so ist "k" der leiĆ
tungsseitige Sekundäranschluß und
muß bei allen Erdschlußrelais zur
Klemme 1 führen.
Zeigt "L" zur Leitungsseite, so ist
"I" der leitungsseitige Anschluß.
Man sollte jedoch Wert darauf leĆ
gen, in einer Anlage möglichst alle
Wandler gleichartig einzubauen. Die
empfindlichen Erdschlußrelais
7SN93, 7TG20 und 7SN73 sind auf
das Zusammenarbeiten mit den UmĆ
bauwandlern durch ein besonderes
Filter abgeglichen. Man darf deshalb
nicht den Strompfad umdrehen und
die Meldekontakte tauschen, sonĆ
dern muß genau der Zeichnung nach
anschließen.
Alle diese Versuche dürfen nur
durch sehr fachkundiges Personal
ausgeführt werden. Bei den ArbeiĆ
ten an den Wandlern ist größte
Vorsicht geboten.
Beim Inbetriebsetzen der ErdschlußĆ
wischerrelais muß nur sorgfältig auf
den Anschluß der Stromwandler geĆ
achtet werden (siehe insbesondere
die Betriebsanleitung für das
7SN90). Der leitungsseitige SternĆ
punkt der Wandler führt beim 7SN90
und beim 7SN70 zur Klemme 1,
beim 7TG21 zum Anschluß mit
der kleineren Nummer.
- 40 -
20 mal
durchfädeln
Kondensator,
ca. 20 F
mind. für 220 V~
nur für die PrüĆ
fung.
L1
L2
L3
Bild 70
Anschluß- und Prüfschaltung für ein Erdschlußwischerrelais
Bei etwa 80 bis 90 % der Tastenbetätigungen spricht das Wischerrelais an. Wenn das
Schließen des Kontaktes zufällig gerade in der Nähe des Nulldurchganges der SpanĆ
nung erfolgt, kann das Relais nicht ansprechen.
Das Wischerrelais muß bei der gezeichneten Schaltung "rot" bei entgegengesetzter
Polung der Stromleitung durch den Umbauwandler "gelb" anzeigen.
Der Anschluß kann auch an KabelĆ
umbauwandler erfolgen. Man rechĆ
net dann mit dem ÜbersetzungsverĆ
hältnis 300/5 statt 60/1 und schließt
an die 5-A-Wicklung im Relais an.
Um zu vermeiden, in großen AnlaĆ
gen mit Sammelschienenwandlern
die Sternpunkterdspannung mit über
die Trennschalterkontakte schleifen
zu müssen, bildet das Wischerrelais
in sich die Verlagerungsspannung
aus den drei Sternspannungen. AuĆ
ßerdem vermeidet man so alle
Zweifel über den Anschlußsinn, da
die Meßwicklungen der Wandler imĆ
mer
geschaltet sind. Die ReiĆ
henfolge der Spannungsanschlüsse
L1, L2, L3 (Drehfeld) ist ohne EinĆ
fluß.
Durch die Reihenschaltung der
Spannungen L2 und L3 der offeĆ
nen Dreieckswicklung erhält das ReĆ
lais folgende Spannung:
L1
L3
0 meß
L1
meß
L2
Bild 71
Zeigerdiagramm zur Prüfschaltung von
Bild 70
Gleichzeitig wird durch die SpanĆ
nung L1 der Sekundärwicklung des
Spannungswandlers ein Strom meß
über den Widerstand getrieben,
welcher gleichphasig zu L1 ist. Das
Zeigerdiagramm Bild 71 zeigt die
Lage der Vektoren.
Trägt man die Vektoren in das RichĆ
tungskennlinienfeld Bild 44 ein, so
wird die Simulation eines ErdschlusĆ
ses in Richtung Leitung deutlich.
Siemens AG
.
1996
7RM18
7SN93 (R1W3b im EG11)
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Inhalt - Siemens

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