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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur
Fehlerdiagnose, d. h. im wesentlichen zur Erkennung und Ortung von
Fehlern wie insbesondere einpoligen Fehlern (Erdfehlern, Erdschlüssen) in
Hochspannungsnetzen, und zwar insbesondere solchen Netzen mit einer
Resonanzsternpunkterdung mit Erdschlussspule (Petersenspule) wie
sie zum Beispiel in Drehstromnetzen eingesetzt wird.
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Zur
Beseitigung dieser Fehler in Hochspannungsnetzen ist es zum einen
von Bedeutung, zuverlässig festzustellen,
in welchem der ggf. zahlreichen Kabel- oder Freileitungsabgänge des
Netzes sich der Fehler befindet und andererseits den Ort des Fehlers
zu ermitteln, das heißt
zum Beispiel in welchem Abstand von einer Sammelschiene einer Umspann-
oder Schaltanlage oder einer Einspeisung der Fehler liegt. Schließlich muss auch
sichergestellt werden, dass beim Auftreten eines Fehlers der Fehlerstrom
nicht zu hoch wird.
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Zur
Lösung
des letztgenannten Problems ist seit langem die sogenannte Erdschlussspule
oder Petersenspule bekannt, mit der beim Auftreten eines einpoligen
(Erd-) Fehlers in einem (isolierten) Hochspannungsnetz der kapazitive
Fehlerstrom begrenzt bzw. kompensiert werden kann, wenn die Spule
eine der Kapazität des
Hochspannungsnetzes äquivalente
Induktivität
aufweist. Dadurch wird auch verhindert, dass der Fehlerstrom an
der Fehlerstelle einen Lichtbogen verursacht, so dass das Netz über eine
längere
Zeit mit dem Fehler weitergefahren werden kann.
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Technisch
bedingt kann zwar mit der Petersenspule der kapazitive Fehlerstrom
kompensiert werden, es verbleibt jedoch ein Wirkreststrom, der insbesondere
in einem resonanzsternpunktgeerdeten Netz eine beträchtliche
und je nach Netzgröße variierende
Größe aufweisen
kann.
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Weiterhin
ist dieser Wirkreststrom im allgemeinen auch nicht geeignet, um
mit den klassischen statischen Selektionsverfahren sicher erkennen
zu können,
in welchem Kabel-/Freileitungsabgang sich der Fehler befindet. Auch
zur Ermittlung des Fehlerortes auf einem Kabel-/Freileitungsabgang
ist der Wirkreststrom insbesondere bei Stichleitungen zumindest
mit sinnvollem Aufwand nicht anwendbar.
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In
einem hochohmig induktiv geerdeten oder isolierten Hochspannungsnetz
tritt bei einem einpoligen Fehlerfall eine Verlagerungsspannung
auf, die die Spannung in den fehlerfreien Leiterphasen um einen
Faktor von bis zu etwa 1,73 erhöht.
Dies wiederum erhöht
das Risiko eines ungewollten Doppelerdschlusses, da die Spannungsbeanspruchung
der Betriebsmittel in dem Hochspannungsnetz ebenfalls entsprechend
ansteigt. Sollte es hierdurch zu einem Folgefehler kommen, so lag
im allgemeinen eine Vorschädigung
der Isolation vor, die früher
oder später
ohnehin zu Problemen geführt
hätte.
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Schließlich hat
sich gezeigt, dass generell die Zuverlässigkeit auch anderer bekannter
Verfahren zur Erkennung des erdfehlerbehafteten Kabel-/Freileitungsabgangs
in starkem Maße
von den physikalischen Gegebenheiten des betreffenden Hochspannungsnetzes
sowie dem Erdübergangswiderstand
an der Fehlerstelle und am Sternpunkt der Netzeinspeisung abhängig ist.
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Eine
Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb darin,
ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Fehlerdiagnose, d.
h. insbesondere zur Erkennung und Ortung von Fehlern in Hochspannungsnetzen
insbesondere mit Sternpunkterdung zu schaffen, das/die im Vergleich
zu bekannten Verfahren und Schaltungsanordnungen wesentlich unabhängiger von
den physikalischen Gegebenheiten des betreffenden Netzes arbeitet.
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Insbesondere
soll mit der Erfindung ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
geschaffen werden, mit dem/der zuverlässig erkannt werden kann, welcher
Kabel-/Freileitungsabgang
eines Hochspannungsnetzes fehlerbehaftet ist, das heißt insbesondere
einen Erdfehler aufweist.
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Weiterhin
soll mit der Erfindung ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
geschaffen werden, mit dem/der in relativ einfacher Weise der Ort
des Erdfehlers in dem betreffenden Kabel-/Freileitungsabgang des Hochspannungsnetzes
ermittelt werden kann.
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Schließlich soll
mit der Erfindung auch ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
geschaffen werden, mit dem/der die Strom- und Spannungsbeanspruchung
an einer Erdfehlerstelle erheblich gesenkt werden kann, und zwar
insbesondere in dem Fall, in dem das Hochspannungsnetz eine Resonanzsternpunkterdung aufweist.
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Gelöst wird
die Aufgabe gemäß Anspruch
1 mit einem Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem Hochspannungsnetz,
mit folgenden Schritten:
- – Erfassen einer fehlerbehafteten
Phase in dem Hochspannungsnetz,
- – Aktivieren
einer erste Betriebsart zur Einleitung eines Doppelerdschlusses
durch Erdung einer nicht fehlerbehafteten Phase des Hochspannungsnetzes über einen
Widerstand, und
- – Ermitteln
einer Leitungslänge
zu der Fehlerstelle anhand der gemessenen Werte der Impedanz am
Fußpunkt
des Widerstandes und des durch diesen fließenden Kurzschlussstroms, und/oder
- – Erfassen
des fehlerbehafteten Kabel-/Freileitungsabgangs durch ein durch
den Kurzschlussstrom verursachtes Ansprechen eines in den Kabel-/Freileitungsabgang
geschalteten Abgangsschutzrelais.
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Die
Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch
7 mit einer Schaltungsanordnung zur Fehlerdiagnose in einem Hochspannungsnetz,
insbesondere zur Durchführung
des Verfahrens gelöst,
die ein Steuergerät
zur Ansteuerung eines Leistungsschalters aufweist, mit dem mindestens
ein Widerstand in einer ersten Betriebsart zwischen eine nicht fehlerbehaftete
Phase des Hochspannungsnetzes und Erdpotential schaltbar ist.
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Durch
geeignete Wahl des Widerstandswertes kann der durch die Fehlerstelle
fließende
Strom so bemessen werden, dass ein in den betreffenden Kabel-/Freileitungsabgang
geschaltetes Abgangsschutzrelais sicher anspricht, so dass auch
eine Selektion des fehlerbehafteten Abgangs möglich ist. Dies ist ein besonderer Vorteil
gegenüber
den eingangs genannten bekannten Anordnungen mit einer Petersenspule,
die den Fehlerstrom im allgemeinen so stark reduziert, dass ein
sicheres Ansprechen des betreffenden Abgangsschutzrelais nicht mehr
möglich
ist.
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Die
Unteransprüche
haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Insbesondere
der Anspruch 6 hat den Vorteil, dass in relativ einfacher Weise
eine Entlastung der Erdfehlerstelle erzielt und gleichzeitig Informationen
hinsichtlich des fehlerbehafteten Kabel-/Freileitungsabgangs sowie
des Fehlerortes gewonnen werden können.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
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1 ein
Teil eines Hochspannungsnetzes mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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2 die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
in einer ersten Schaltstellung; und
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3 die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
in einer zweiten Schaltstellung.
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1 zeigt
ein Prinzipschaltbild eines Teils eines Hochspannungsnetzes mit
einer Umspannanlage und einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Die
Umspannanlage umfasst einen Hochspannungstransformator 1,
dessen Sternpunkt mit einer Petersenspule 2 verbunden ist.
Die Induktivität
dieser Spule ist, wie oben bereits erläutert wurde, so eingestellt, dass
sie etwa äquivalent
zu der Kapazität
des Hochspannungsnetzes ist, so dass sie in bekannter Weise zur Begrenzung
eines Erdfehlerstroms und damit auch zur Unterdrückung eines durch diesen an
der Erdfehlerstelle verursachten Lichtbogens dient.
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Der
Hochspannungstransformator 1 speist eine dreiphasige Sammelschiene 3,
von der in bekannter Weise eine Mehrzahl von dreiphasigen Kabeln
oder Freileitungen 4 abgeht, die über jeweils ein Abgangsschutzrelais 5 mit
der Sammelschiene 3 verbunden sind.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
umfasst ein mit der Sammelschiene 3 verbundenes programmierbares
Schutz- und Steuergerät 6,
das einen Leistungsschalter 7 steuert.
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Der
Leistungsschalter 7 ist entweder ein dreipoliger Leistungsschalter,
der einpolig schaltbar ist, oder in Form von drei einpoligen Leistungsschaltern
oder sonstigen geeigneten Schaltelementen (wie zum Beispiel SF6 -Lastschaltern usw.) realisiert, wobei
jeweils ein Pol für
eine Phase der Sammelschiene 3 vorgesehen ist.
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Schließlich ist
zwischen die drei miteinander verbundenen Ausgänge des Leistungsschalters 7 und Erdpotential
ein Hochspannungswiderstand 8 geschaltet.
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Das
Schutz- und Steuergerät 6 dient
zur Steuerung des Leistungsschalters 7 und hat im wesentlichen folgende
Aufgaben und Funktionen:
- – Messung der Spannungssymmetrie
zwischen den drei Phasen der Sammelschiene 3 und Signalisierung eines
Erdfehlers, wenn eine Unsymmetrie zwischen den drei Phasen einen
bestimmten Grenzwert überschreitet;
- – Zuschalten
einer solchen Phase über
den Leistungsschalter 7, die keinen Erdfehler aufweist,
um auf diese Weise über
den Widerstand 8 einen Doppelerdschluss herbeizuführen (erste
Betriebsart);
- – Messen
der Leitungslänge
zwischen dem Schutz- und Steuergerät 6 und dem Fehler über den
erzeugten Doppelerdschluss auf der Grundlage der bekannten Impedanz
am Fußpunkt
des Widerstandes 8;
- – Ausschalten
des Widerstandes 8 (Öffnen
der zugeschalteten Phase) über
eine von der Stromhöhe
unabhängige
Zeitstufe (UMZ-Auslösung),
die in Abhängigkeit
von der Auslegung des Widerstandes 8 verzögert oder
unverzögert
vorgenommen werden kann;
- – Zuschalten
derjenigen Phase über
den Leistungsschalter 7, die den Erdfehler aufweist (Phasenerdung), um
den Widerstand 8 zu erden und die Fehlerstelle zu entlasten
(zweite Betriebsart);
- – Schutz
des Widerstandes 8 während
dessen Erdung mittels einer von der Stromhöhe abhängigen Zeitstufe (AMZ-Auslösung bzw.
-Algorithmus).
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Der
Widerstand 8 ist hochspannungsfest und hinsichtlich seiner
Größe und seiner
Belastbarkeit einerseits so dimensioniert, dass bei einem Doppelerdschluss
auch bei langen Leitungen ein zum Ansprechen des betreffenden Abgangsschutzrelais 5 ausreichend
hoher Kurzschlussstrom (im allgemeinen im Kurzzeitbetrieb) fließt, um auf
diese Weise eine Selektion des fehlerbehafteten Kabel-/Freileitungsabgangs 4 vornehmen
zu können,
und im Falle der Phasenerdung eine ausreichende Entlastung der Fehlerstelle
von dem Dauer-Reststrom erzielt wird. Andererseits darf der Widerstand 8 jedoch
auch nicht so klein sein, dass insbesondere im Falle des Doppelerdschlusses
der Strom zu stark ansteigt. Ein typischer Wert des Widerstandes 8 liegt
zum Beispiel für
ein 20 kV Netz im Bereich zwischen etwa 10 Ohm und etwa 12 Ohm bei
einem Kurzschlussstrom Ik im Bereich zwischen
etwa 1.600 A und etwa 2.000 A.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
wird vorzugsweise an der Sammelschiene einer Umspann- oder Schaltanlage,
das heißt
also in unmittelbarer Nähe
einer Einspeisung angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass der induktive
Anteil der Impedanz des künstlich
eingelegten Fußpunktes
des Doppelerdschlusses annähernd
auf Null gesetzt werden kann. Sofern die Schaltungsanordnung in
einer größeren Entfernung
von einer Einspeisung angeordnet wird, sollte jedoch der induktive
Anteil der Impedanz des Fußpunktes
bekannt sein und entsprechend berücksichtigt werden.
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Ein
Abgangsschutzrelais 5 kann auch in diesem Fall vorgesehen
und zwischen die Sammelschiene 3 und das Schutz- und Steuergerät 6 geschaltet
sein. Es kann als Überstromzeitschutz
insbesondere bei einem Doppelerdschluss während der Selektion des erdfehlerbehafteten
Kabel-/Freileitungsabgangs (z. B. durch UMZ-Anregungen oder -Auslösung) sowie
als Backup-Schutz (n-1-Sicherheit) dienen, wenn aufgrund einer Störung das
Abgangsschutzrelais 5 an dem fehlerbehafteten Abgang nicht
anspricht. Damit kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch
unmittelbar in Energieversorgungsunternehmen eingesetzt werden.
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Im
folgenden soll zunächst
die Funktion der Schaltungsanordnung in der ersten Betriebsart zur
Erkennung des erdfehlerbehafteten Kabel- bzw. Freileitungsabgangs
sowie zur Bestimmung des Fehlerortes und anderer Parameter beschrieben
werden. Hierzu wird auf 2 Bezug genommen. Gleiche bzw.
einander entsprechende Teile und Komponenten wie in 1 sind
mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, so dass im wesentlichen nur
auf die Unterschiede eingegangen werden braucht.
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Es
sei angenommen, dass an der in 2 mittleren
Phase eines Kabels bzw. einer Freileitung 4 des Netzes
ein Fehler F in Form eines Erdfehlers aufgetreten ist.
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Die
durch diesen Fehler F verursachte Unsymmetrie der Spannungen auf
den drei Phasen des Netzes wird gemäß obiger Erläuterung
durch das Schutz- und Steuergerät 6 erkannt.
Anschließend
schaltet das Schutz- und Steuergerät 6 eine nicht erdfehlerbehaftete
Phase ein, indem einer der betreffenden Pole des Leistungsschalters 7 geschlossen
wird.
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Dadurch
wird diese Phase über
den Widerstand
8 mit Erdpotential verbunden und ein Doppelerdschluss
herbeigeführt,
der zu einem im Vergleich zu dem bekannten Fall einer Sternpunkterdung
(NOSPE, KNOSPE) um einen Faktor von bis zu 1,73 höherer Betrag
des (Kurzschluss-) Stroms I
k über die
Fehlerstelle F führt.
Dieser Strom berechnet sich gemäß folgender
Gleichung (1) wie folgt:
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Darin
bezeichnen:
- c
- Spannungsbeiwert (1,1
für Hochspannungsnetze),
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- Nennspannung des Netzes
(Leiter-Erde-Spannungsvektor, Leiter 1 und 2),
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- Edungsimpedanz – Nullsystem
3·(Rw
+ Ra) und Mitsystem (Rw + Ra) (Hochspannungswiderstand zzgl. Erdübergangswiderstand,
ggf. Impedanzanteil der Kabel-/Freileitung bis zum Widerstand),
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- Leitungsimpedanz – Nullsystem
und Mitsystem (Impedanz bis zur Fehlerstelle),
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- Impedanz des vorgelagerten
Netzes – Mitsystem,
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- Transformatorimpedanz – Mitsystem.
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Aus
dieser Gleichung können
durch entsprechende Umstellung alle für den jeweiligen Anwendungsfall interessierenden
Größen berechnet
werden. Dies sind zum Beispiel:
- 1.) die Berechnung
des maximal zulässigen
Kurzschlussstroms bei =
0 Ω sowie =
0 Ω,
- 2.) die Berechnung des minimal auftretenden Kurzschlussstroms
bei =
LMax· sowie LMax·wobei
LMax die maximale Leitungslänge bezeichnet,
- 3.) die Berechnung der Leitungslänge L = bis
zum Fehlerort F bei gemessenem Strom Ik,
wobei die Werte und die
jeweiligen spezifischen Impedanzen pro Kilometer Leitungslänge bezeichnen.
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Wie
eingangs bereits erwähnt
wurde, ist der Strom Ik aufgrund der geeigneten
Bemessung des Widerstands 8 so groß, dass das Abgangsschutzrelais 5 der
fehlerbehafteten Leitung 4 anspricht und somit nicht nur die
Leitungslänge
zu dem Fehlerort ermittelt, sondern auch der fehlerbehaftete Abgang
selektiert werden kann.
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Diese
erste Betriebsart wird vorzugsweise nur kurzzeitig, zum Beispiel
im Bereich von einigen 100 ms aktiviert, um in keinem Fall die Belastbarkeit
des Widerstandes 8 zu überschreiten.
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Im
folgenden soll nun die Funktion der Schaltungsanordnung in der zweiten
Betriebsart zur Widerstandserdung der erdfehlerbehafteten Phase
erläutert
werden. Hierzu wird auf 3 Bezug genommen. Gleiche bzw.
einander entsprechende Teile und Komponenten wie in 1 sind
mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, so dass im wesentlichen nur
auf die Unterschiede eingegangenen werden braucht.
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Es
sei wiederum angenommen, dass an der in 3 mittleren
Phase eines Kabels bzw. einer Freileitung 4 des Netzes
ein Fehler F in Form eines Erdfehlers aufgetreten ist.
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Die
durch diesen Fehler F verursachte Unsymmetrie der Spannungen auf
den drei Phasen des Netzes wird wiederum gemäß obiger Erläuterung
durch das Schutz- und Steuergerät 6 erkannt.
Anschließend
schaltet das Schutz- und Steuergerät 6 über den
Leistungsschalter 7 die erdfehlerbehaftete Phase ein, so
dass diese über
den Widerstand 8 mit Erdpotential verbunden wird (Phasenerdung).
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Durch
dieses Zuschalten des Widerstandes 8 zu der erdfehlerbehafteten
Phase des Hochspannungsnetzes wird der Fehlerstrom, der bei Anwendung
der Petersenspule 2 der oben erläuterte Wirkreststrom ist, und
der ohne die Widerstandserdung in voller Höhe über die Fehlerstelle fließen würde, entsprechend
des Widerstandsverhält nisses
zwischen dem Widerstand 8 und der Fehlerstelle F auf einen
ersten und einen zweiten Fehlerstromanteil (hier Wirkreststromanteil)
IResst1, IRest2 aufgeteilt.
Im Idealfall ergibt sich eine Halbierung des Fehlerstroms über der
Fehlerstelle. In entsprechender Weise wird damit auch die Strom-
und Spannungsbeanspruchung an der Fehlerstelle erheblich gesenkt.
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Die
beiden oben erläuterten
Betriebsarten können
in beliebiger Reihenfolge und sowohl manuell, als auch automatisch
eingeleitet bzw. aktiviert werden.
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Durch
Kombination beider Betriebsarten, nämlich der Widerstandserdung
der erdfehlerbehafteten Phase (Phasenerdung), mit der der Fehler-Reststrom
und damit die Strom-/Spannungsbeanspruchung an der Fehlerstelle
sehr gering gehalten wird, mit einem vorzugsweise kurzzeitigen Doppelerdschluss
(KUDE), durch den der Strom so stark erhöht wird, dass eine sichere
Erkennung des erdfehlerbehafteten Kabel-/Freileitungsabgangs möglich ist
und auch der Fehlerort ermittelt werden kann, kann in besonders
einfacher Weise ein Erdfehler umfassend diagnostiziert und damit
auch relativ schnell behoben werden.