DE102011082554A1

DE102011082554A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Erdschlussstroms in einem erdschlussbehafteten Drehstromnetz

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Publication number: DE102011082554A1
Application number: DE102011082554A
Authority: DE
Inventors: Peter Ulrich; Stefan Dorendorf; Gunnar Groß; Rosenbaum Tobias
Original assignee: KEMA-IEV INGENIEURUNTERNEHMEN fur ENERGIEVERSORGUNG GmbH; H Kleinknecht & Co KG GmbH; KEMA IEV INGENIEURUNTERNEHMEN fur ENERGIEVERSORGUNG GmbH; Kema-Iev Ingenieurunternehmen fur Energieversorgung GmbH; Kleinknecht & Co KG H GmbH; EOn Edis AG
Current assignee: H Kleinknecht & Co De GmbH; EDis Netz GmbH
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2031-09-13
Also published as: DE102011082554B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Erdschlussstroms in einem erdschlussbehafteten Drehstromnetz (1) mit drei Leitern (L1, L2, L3), bei dem an einem Speisepunkt des Netzes (1) Leiterströme und Leiter-Erde-Spannungen der Leiter (L1, L2, L3) gemessen werden, wobei zumindest einmalig ein Gegensystem aus den im erdschlussfreien Fall gemessenen Leiterströmen berechnet wird, wobei ein Nullsystem aus den im Erdschlussfall gemessenen Leiterströmen berechnet wird, wobei durch Subtraktion des Nullsystems von den im Erdschlussfall gemessenen Leiterströmen ein bisymmetrisches System der Leiterströme ermittelt wird, wobei das Gegensystem der bisymmetrischen Leiterströme berechnet wird, wobei der Anteil der die Erdkapazitäten (CL1, CL2, CL3) des Netzes (1) speisenden Ströme am Gegensystem der bisymmetrischen Leiterströme durch Subtraktion des Gegensystems im erdschlussfreien Fall vom Gegensystem der bisymmetrischen Leiterströme ermittelt wird, wobei eine Grundschwingungskomponente des Erdschlussstroms durch Multiplikation des Anteils der die Erdkapazitäten (CL1, CL2, CL3) des Netzes (1) speisenden Ströme am Gegensystem mit einem Faktor (k) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Erdschlussstroms in einem erdschlussbehafteten Drehstromnetz.
Die Ansprüche an die Versorgungsqualität mit Elektroenergie sind in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Das gilt insbesondere für die Stromversorgung hochproduktiver industrieller Anlagen, aber auch für Haushalt und Gewerbe und bezieht sich sowohl auf eine qualitätsgerechte Versorgung mit Elektroenergie als auch auf eine hohe Zuverlässigkeit bei der unterbrechungsfreien Bereitstellung. Demgegenüber stellen jedoch die Netzbetreiber fest, dass die die Elektroenergiequalität mindernden Abnehmernetzrückwirkungen in einem Umfang zugenommen haben, der den gewohnten sicheren Netzbetrieb gefährden kann.
Eine hohe Qualität und Zuverlässigkeit der Elektroenergieversorgung kann durch mit Resonanzsternpunkterdung betriebene Netze unter Beachtung wirtschaftlicher und technischer Aspekte erreicht werden, weil bei dem am häufigsten auftretenden Netzfehler, dem einpoligen Erdschluss, keine unmittelbare Unterbrechung der Stromversorgung erforderlich ist. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass der Erdschlussreststrom nicht zu unzulässig hohen Berührungsspannungen im Netz führt. Beispielsweise bedeutet dies für ein 20 kV-Netz, dass der Effektivwert des Erdschlussreststroms 60 A nicht überschreitet, damit der Personenschutz sichergestellt ist. Es ist bekannt, dass in Netzen bei einer Verstimmung ν ≤ 2 % und einer Dämpfung d ≤ 4 % eine Überschreitung des zulässigen Erdschlussreststroms infolge der unvermeidbaren Verzerrung der Versorgungsspannung nicht auszuschließen ist. Diese Gefahr besteht selbst in Netzen, bei denen Grenzwerte für die zulässige Spannungsverzerrung nicht überschritten werden.
Ein aus DE10 2007 049 667 A1 bekannter fünfphasiger Kompensator wird zur Begrenzung des Erdschlussreststroms in einem erdschlussbehafteten Netz mit Resonanzsternpunkterdung eingesetzt. Der Kompensator ermöglicht durch seine Drehstromeinheit die Begrenzung ausgewählter Oberschwingungsanteile im Erdschlussreststrom und mittels der Wechselstromeinheit kann auf die Größe der 50-Hz-Komponente des Erdschlussreststroms Einfluss genommen werden.
Die 50 Hz-Komponente kann mittels einer Erdschlussdrosselspule auf möglichst kleine Werte während eines Erdschlusses begrenzt werden, indem die Verstimmung annähernd auf Null gebracht wird. Dies ist möglich, da die Größe des 50 Hz-Erdschlussstroms im erdschlussfreien Netz problemlos bestimmt werden kann und damit der Sollwert für die Einstellung der Erdschlussdrosselspule bekannt ist.
Hingegen ist die Bestimmung des 50 Hz-Erdschlussstroms in einem erdschlussbehafteten Netz nicht ohne weiteres möglich. Ein solches Erfordernis ergibt sich dann, wenn in einem Netz im einpoligen Erdschlussfall beispielsweise sogenannte Eingrenzungsschaltungen zur Fehlerortung vorgenommen werden. Dabei werden einzelne Leitungsabgänge ein- oder ausgeschaltet, um den Erdschluss zu lokalisieren. Mit jeder solchen Ein- oder Ausschaltung verändert sich der 50 Hz-Blindstromanteil im Erdschlussstrom. Dabei kann sich der Erdschlussreststrom über einen unzulässig langen Zeitraum erhöhen, da der Sollwert für die Kompensation, beispielsweise der Strom der Erdschlussdrosselspule nicht vorliegt.
Die DE 101 46 294 C1 offenbart ein Verfahren, das die Abstimmung einer Erdschlusslöschspule auch während des Erdschlusses ermöglicht.
Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwändig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung des Erdschlussstroms in einem erdschlussbehafteten Netz anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Erdschlussstroms in einem erdschlussbehafteten einseitig gespeisten Drehstromnetz mit drei Leitern, werden an einem Speisepunkt des Netzes Leiterströme und Leiter-Erde-Spannungen der Leiter gemessen. Diese Messung ist zumindest einmalig im erdschlussfreien Netz und wiederholt, beispielsweise periodisch oder kontinuierlich im erdschlussbehafteten Netz erforderlich. Bei mehrfachgespeisten Netzen ist das Verfahren auf alle Einspeisungen anzuwenden und die so ermittelten Erdschlussströme sind zu addieren.
Im Folgenden werden die symmetrischen Komponenten der Einspeiseströme des Drehstromsystems ermittelt. Hierbei werden Phasoren der symmetrischen Komponenten Mitsystem, Gegensystem und Nullsystem aus den Leiterströmen mit Hilfe der Symmetrierungsmatrix bestimmt.
Zumindest einmalig wird das Gegensystem der im erdschlussfreien Fall gemessenen Leiterströme berechnet. Das Nullsystem aus den im Erdschlussfall gemessenen Leiterströmen, das heißt ein Nullstrom, wird berechnet. Durch Subtraktion des Nullstroms vom im Erdschlussfall gemessenen Leiterstrom des erdschlussbehafteten Leiters wird ein bisymmetrisches System der Leiterströme ermittelt. Das Gegensystem aus den bisymmetrischen Leiterströmen im Erdschlussfall wird berechnet. Der Anteil des die Erdkapazitäten des Netzes speisenden Gegensystemstroms der bisymmetrischen Leiterströme im Erdschlussfall wird durch Subtraktion des Gegensystems im erdschlussfreien Fall vom Gegensystem der bisymmetrischen Leiterströme im Erdschlussfall ermittelt. Eine Grundschwingungskomponente des Erdschlussstroms wird durch Multiplikation des Anteils der die Erdkapazitäten des Netzes speisenden Ströme am Gegensystem mit einem Faktor k bestimmt. Der Faktor k ist bei einem Drehstromnetz mit drei Leitern 3.
Dem Verfahren liegen folgende Annahmen zugrunde:

– Im Erdschlussfall ist der Quotient aus dem Gegensystem zum Mitsystem der die Erdkapazitäten speisenden Ströme konstant und Bestandteil der im Einspeisetransformator fließenden Leiterströme.
– Das Gegensystem der durch Abnehmerlasten des Drehstromnetzes bedingten Ströme ohne den Anteil des Gegensystems der die Erdkapazitäten speisenden Ströme ist sehr gleichmäßig und deutlich kleiner als der Anteil des Gegensystems der die Erdkapazitäten speisenden Ströme.
– Aus der Änderung des Gegensystems der Leiterströme bei Eintritt des Erdschlusses kann auf den kapazitiven Erdschlussstrom geschlossen werden.
– Aus der Änderung des Gegensystems der Leiterströme während des Erdschlusses kann auf die Änderung des kapazitiven Erdschlussstroms geschlossen werden.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine kompensatorische Einrichtung zur Begrenzung des Erdschlussstroms abhängig von der ermittelten Grundschwingungskomponente des Erdschlussstroms so gesteuert und/oder geregelt werden, dass der Erdschlussstrom auf einen vorgegebenen Wert verringert wird.
Beispielsweise kann die Induktivität einer Erdschlussdrosselspule durch mechanisches Verstellen ihres Kerns zur Kompensation der Grundschwingungskomponente des Erdschlussstroms verändert werden.
Üblich ist auch die Anwendung von zur Erdschlussdrosselspule parallelgeschalteten Kondensatoren zur schnellen Änderung des 50-Hz-Kompensationsstroms.
Vorzugsweise wird jedoch als kompensatorische Einrichtung ein fünfphasiger aktiver Kompensator mit Anschluss am Speisepunkt des Drehstromnetzes verwendet. Auf diese Weise kann besonders flexibel und schnell auf Änderungen des Gegensystems reagiert werden, beispielsweise wenn zur Ortung des Erdschlusses einzelne Leitungsabgänge des Drehstromnetzes ein- oder ausgeschaltet werden.
Vorzugsweise ist mindestens ein Sternpunkt des Drehstromnetzes auf einer Sekundärseite mindestens eines Einspeisetransformators über eine Erdschlussdrossel mit einem Erdpunkt verbunden. Der fünfphasige aktive Kompensator umfasst steuerbare elektronische Schalter, wobei für jeden der Leiter des Drehstromnetzes je zwei Schalter vorgesehen sind, über die der Leiter mit Eingängen einer Schaltbrücke verbindbar ist, als deren Brückenzweig ein der Erdschlussdrossel parallel geschalteter erster Koppeltransformator oder eine Hilfswicklung der Erdschlussdrossel angeschlossen wird, so dass der fünfphasige Kompensator induktiv mit dem Erdpunkt der Erdschlussdrossel verbunden ist, wobei zwischen den Eingängen der Schaltbrücke mindestens ein Kondensator vorgesehen ist. Der auf diese Weise als aktiver Filterkreis gestaltete fünfphasige aktive Kompensator ist prinzipiell flexibler an eine veränderte Topologie des Drehstromnetzes anpassbar als ein passiver Filterkreis.
Mit dem parallel zur Erdschlussdrossel geschalteten Koppeltransformator kann durch den mittels elektronisch steuerbarer Schalter gebildeten und als Filterkreis wirkenden Stromrichter ein beliebiger Wechselstrom eingespeist werden, um sowohl Fehlerströme infolge des Erdfehlers als auch Unsymmetrien sowohl im Bereich einer Grundschwingung als auch im Bereich von Oberschwingungen zu kompensieren. Im Falle der Nutzung der Leitungshilfswicklung der Erdschlussdrossel, die meist ohnehin vorhanden ist, wird statt eines Stroms eine Spannung eingespeist, die aber letztlich den Strom im Erdpunkt bestimmt.
Der fünfphasige aktive Kompensator kann auch in einem Stromnetz mit mehr oder weniger als drei Außenleitern angewandt werden, beispielsweise in einem Bahnstromnetz, in dem zwei gegen Erde isolierte Leiter vorgesehen sind.
Die Schaltbrücke kann vier steuerbare elektronische Schalter oder zwei steuerbare elektronische Schalter und zwei Kondensatoren umfassen.
Der fünfphasige aktive Kompensator kann auch benutzt werden, um dem Drehstromnetz im erdfehlerfreien Betrieb einen Nullstrom aufzuprägen, beispielsweise in einem Bereich von 0.1 Hz bis 2000 Hz, mittels dessen frequenzabhängige Nulladmittanzen ermittelt werden, die als Sollwert in einer Erfassungseinrichtung gespeichert werden. Durch Vergleich mit im Falle eines einpoligen Erdschlusses auf gleiche Weise ermittelten Nulladmittanzen mit dem Sollwert kann der Abstand eines Ortes des Erdschlusses vom fünfphasigen aktiven Kompensator bestimmt werden. In den Fällen, bei denen beispielsweise im Erdschlussfall infolge einer fehlerhaften Bewertung der Eingrenzungsschaltungen irrtümlich ein fehlerfreier Abgang ausgeschaltet wird, wird die nunmehr veränderte Kompensationsleistung, die nicht kurzfristig durch die Erdschlussdrossel zur Verfügung gestellt werden kann oder wird, vom fünfphasigen aktiven Kompensator übernommen.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Leiter mit den Schaltern des fünfphasigen aktiven Kompensators über einen zweiten Koppeltransformator induktiv verbunden. Auf diese Weise sind elektronische Schalter mit herkömmlichen Sperrspannungen verwendbar, auch wenn im Drehstromnetz höhere Spannungen verwendet werden. Beispielsweise kann das Drehstromnetz als ein Mittelspannungsnetz mit einer Spannung von 20 kV ausgebildet sein, während die elektronischen Schalter nur für Sperrspannungen von etwa 1 kV ausgelegt sind. Der zweite Koppeltransformator ist insbesondere als ein dreiphasiger Koppeltransformator ausgebildet.
Der fünfphasige aktive Kompensator kann zusätzlich direkt mit einem Erdpunkt verbunden sein.
Der fünfphasige aktive Kompensator und seine Steuerung sind vorzugsweise als ein mehrfrequenter Filterkreis so ausgebildet, dass er bei mindestens einer ersten Frequenz eine Saugkreisfunktion übernimmt und bei mindestens einer zweiten Frequenz als Sperrkreis wirkt. Durch eine mehrphasige, insbesondere beim Drehstromnetz dreiphasige, aktive und zum entsprechenden Fehlerstromanteil gegenphasige Einspeisung von mindestens einem harmonischen Stromanteil wird der Fehlerstromanteil unterdrückt. Eine einphasige, aktive und zu einem Fehlerstromanteil, vorzugsweise zum Grundschwingungsanteil des Fehlerstroms, gegenphasige Einspeisung eines Stromanteils, erfolgt mit dem Ziel, den Grundschwingungsanteil, beispielsweise 50 Hz, des Fehlerstroms (Blind- und Wirkreststrom) und/oder weitere Frequenzanteile im Fehlerstrom zu unterdrücken. Auf diese Weise wird vermieden, dass ein Stromfluss bei dieser zweiten Frequenz über eine Fehlerstelle zustande kommt, so dass keine zusätzlichen unerwünschten Berührungs- und Schrittspannungen an der Fehlerstelle auftreten.
Die zu kompensierende Frequenzkomponente bei der ersten Frequenz ist vorzugsweise eine Harmonische der Grundfrequenz, insbesondere die fünfte oder die siebte Harmonische, da deren Anteil an dem Fehlerstrom besonders hoch sein kann. Beispielsweise bei einer Grundfrequenz von 50 Hz, wie in Europa und weiten Teilen der Welt üblich, entspricht die fünfte Harmonische 250 Hz und die siebte Harmonische 350 Hz.
Die zweite Frequenz, bei der ein Stromfluss über den Filterkreis unterbunden wird, ist vorzugsweise die Grundfrequenz des Drehstromnetzes.
Die elektronischen Schalter sind vorzugsweise als steuerbare Halbleiterbauelemente, wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgebildet. Sie bieten den Vorteil schnellerer Schaltzeiten verglichen mit herkömmlichen Schaltern. Ein den Fehlerstrom an der Erdfehlerstelle zumindest partiell kompensierender Stromfluss wird dann vorzugsweise durch gesteuertes, gepulstes Schalten von Gleichspannungsquellen, insbesondere den Kondensatoren in den Strompfad des fünfphasigen aktiven Kompensators verursacht. Der fünfphasige aktive Kompensator reagiert schneller als eine veränderbare voreingestellte Erdschlussdrosselspule auf Änderungen der Erdkapazität des Drehstromnetzes, die eine Erhöhung des Fehlerstroms an der Erdfehlerstelle bewirken kann. Dies geschieht beispielsweise dann, wenn bei einem detektierten Erdfehler in einem verzweigten Drehstromnetz der Erdfehler in einem falschen Abzweig lokalisiert und dieser Abzweig daraufhin abgeschaltet wird, während der vom Erdfehler betroffene Abzweig noch unter Spannung bleibt.
Der fünfphasige aktive Kompensator kann auch dann verwendet werden, wenn auf keinem der Leiter ein Erdschluss vorliegt, insbesondere so, dass ein Strom zum Fließen kommt, der im Drehstromnetz vorhandene Blindleistung, wie z.B. Deformationen der Versorgungsspannung (Verzerrung, Unsymmetrie, Einbrüche, etc.) oder eine Verschiebungsblindleistung auf vorgegebene Werte begrenzt oder reduziert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 eine Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes an einer Erdschlussstelle bei einem einpoligen Erdschluss in einem Drehstromnetz mit einem fünfphasigen aktiven Kompensator mit steuerbaren elektronischen Schaltern, der über einen ersten Koppeltransformator mit einer Erdschlussdrossel und deren Erdpunkt verbunden ist,
2 eine Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes an einer Erdschlussstelle bei einem einpoligen Erdschluss in einem Drehstromnetz mit einem fünfphasigen aktiven Kompensator mit steuerbaren elektronischen Schaltern, der über eine Hilfswicklung der Erdschlussdrossel mit deren Erdpunkt verbunden ist und
3 eine alternative Ausführungsform des fünfphasigen aktiven Kompensators.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes bei einem einpoligen Erdschluss E. Ein Drehstromnetz 1 mit den Leitern L1, L2 und L3 ist als Mittelspannungsnetz mit Freileitungen und/oder Erdkabeln ausgeführt. Die Spannung des Drehstromnetzes 1 beträgt z. B. 20 kV bei einer Grundfrequenz von 50 Hz und wird über einen Einspeisetransformator 2, der mit einer Hochspannungsseite HS an ein nicht dargestelltes Hochspannungsnetz und mit einer Mittelspannungsseite MS an das Drehstromnetz 1 angeschlossen ist, eingespeist. Ein auf der Mittelspannungsseite MS gelegener Sternpunkt 3 des Einspeisetransformators 2 ist über eine Erdschlussdrossel 4 geerdet, d.h. mit einem Erdpunkt 5.1 verbunden. Bei dem Erdpunkt 5.1 handelt es sich gewöhnlich um eine Erdungsanlage, bei der ein großflächiger Kontakt zur Erde hergestellt wird. Die Leiter L1, L2 und L3 des Drehstromnetzes 1 besitzen jeweils eine Erdkapazität CL1, CL2 und CL3, deren Größe mit der Länge des Drehstromnetzes 1 bzw. mit seiner flächenmäßigen Ausdehnung steigt. Die gezeigten Erdkapazitäten CL1, CL2, CL3 repräsentieren die kapazitive Verkettung der Leiter L1, L2 und L3 mit der Erde. Bei Verwendung von Erdkabeln ist die Erdkapazität CL1, CL2, CL3 bei gleicher Länge etwa um den Faktor 20 bis 40 größer als bei Freileitungen. Am Leiter L3 tritt im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Erdschluss E auf, beispielsweise in Form eines Lichtbogens vom Leiter L3 zu einem Erdpunkt 5.2. Der Erdschluss E kann in der Nähe des Einspeisetransformators 2 oder in einem beliebigen Bereich des Drehstromnetzes 1 auftreten. Die Erdkapazität CL3 des Leiters L3 wird dabei nach Erde kurzgeschlossen und ist somit etwa 0. Dabei erhöhen sich die Spannungen an den Erdkapazitäten CL1 und CL2 jeweils maximal um den Faktor √3. Über den Erdschluss E an der Erdschlussstelle fließt daher eine kapazitive Fehlerstromkomponente. Ist die Netzspannung unverzerrt, d.h. nahezu ideal sinusförmig, wird diese kapazitive Fehlerstromkomponente durch die Erdschlussdrossel 4 kompensiert. Es bleibt an der Erdschlussstelle lediglich ein Reststrom, der aus einer Wirkstrom- und einer Blindstromkomponente besteht. Die Blindstromkomponente ergibt sich aus einer nicht exakten Abstimmung eines aus der Erdschlussdrossel 4 und den Erdkapazitäten CL1, CL2 gebildeten Schwingkreises. Die Wirkstromkomponente resultiert auch aus den ohmschen Verlusten der Erdschlussdrossel 4. Die Netzspannung in Drehstromnetzen ist jedoch infolge von Netzrückwirkungen moderner, beispielsweise mit Schaltnetzteilen ausgestatteter Geräte und stromrichtergespeister Anlagen in Industrie und Haushalten nicht ideal sinusförmig, sondern enthält harmonische Frequenzkomponenten der Grundfrequenz, insbesondere die fünfte und siebte Harmonische, d.h. Oberschwingungen mit Frequenzen von 250 Hz und 350 Hz. Die in Drehstromnetzen 1 mit so verzerrter Netzspannung im Falle eines Erdschlusses E auftretenden harmonischen Anteile der Fehlerströme machen einen erheblichen Anteil des Effektivwertes des Gesamtfehlerstromes (auch Reststrom genannt) aus. Diese harmonischen Anteile des Fehlerstroms können von der Erdschlussdrossel 4 nicht kompensiert werden, da diese nur auf die Grundfrequenz abgestimmt ist und erhöhen damit den Reststrom. Zum Kompensieren dieser harmonischen Anteile des Fehlerstroms an der Erdschlussstelle dient ein fünfphasiger aktiver Kompensator 6. Dieser umfasst sechs elektronisch gesteuerte Schalter 7.L1.1, 7.L1.2, 7.L2.1, 7.L2.2, 7.L3.1, 7.L3.2. Durch gesteuertes Schalten der elektronischen Schalter 7.L1.1, 7.L1.2, 7.L2.1, 7.L2.2, 7.L3.1, 7.L3.2 wird die Wechselspannung gleichgerichtet und den Eingängen 8.1, 8.2 einer Schaltbrücke 8 zugeführt, so dass zwei in der Schaltbrücke 8 angeordnete Kondensatoren C1 und C2 aufgeladen werden. Die Schaltbrücke 8 umfasst zwei weitere elektronisch steuerbare Schalter 7.L.1 und 7.L.2. An Ausgängen 8.3, 8.4 der Schaltbrücke 8 ist als Brückenzweig ein erster Koppeltransformator 10 angeschlossen, über den der fünfphasige aktive Kompensator 6 induktiv mit der Erdschlussdrossel 4 und deren Erdpunkt 5.1 verbunden ist. Im Erdschlussfall wird die in den Kondensatoren C1 und C2 gespeicherte Gleichspannung gepulst (beispielsweise per Pulsweitenmodulation) dem betroffenen Leiter L1, L2, L3 aufgeprägt, indem beispielsweise bei einem Erdschluss auf dem Leiter L1 die Schalter 7.L1.1, 7.L1.2, 7.L.1, 7.L.2 entsprechend gesteuert werden.
Über den ersten Koppeltransformator 10 kann durch entsprechendes Steuern der elektronischen Schalter 7.L.1 und 7.L.2 in der Schaltbrücke 8 gezielt ein Nullstrom in den Erdpunkt 5.1 eingespeist werden.
Die Schalter 7.L1.1, 7.L1.2, 7.L2.1, 7.L2.2, 7.L3.1, 7.L3.2 sind beispielsweise als IGBT ausgebildet. Ein zweiter Koppeltransformator 11 ist zwischen dem fünfphasigen aktiven Kompensator 6 und den Leitern L1 bis L3 vorgesehen, um die auf den Leitern L1 bis L3 vorliegende Spannung auf für die elektronischen Schalter 7.L1.1, 7.L1.2, 7.L2.1, 7.L2.2, 7.L3.1, 7.L3.2, 7.L.1, 7.L.2 geeignete Werte zu transformieren. Der fünfphasige aktive Kompensator 6 kann zusätzlich direkt geerdet sein.
In 2 ist eine Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes bei einem einpoligen Erdschluss E ähnlich wie in 1 gezeigt. Statt des ersten Koppeltransformators 10 ist an der Erdschlussdrossel 4 eine Hilfswicklung 4.1 vorgesehen, die mit einer Spannung aus dem fünfphasigen aktiven Kompensator 6 beaufschlagt werden kann, um den Strom im Erdpunkt 5.1 zu beeinflussen. Die Wirkungsweise entspricht der für 1 beschriebenen.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform des fünfphasigen aktiven Kompensators 6 gezeigt. In diesem Fall umfasst die Schaltbrücke vier Schalter 7.L.1, 7.L.2, 7.L.3, 7.L.4. Es ist nur ein Kondensator C1 zwischen den Eingängen 8.1, 8.2 vorgesehen. Die Wirkungsweise entspricht prinzipiell der des in den 1 und 2 gezeigten fünfphasigen aktiven Kompensators 6.
Um einen Erdschluss E zu lokalisieren, werden einzelne Abgänge des Drehstromnetzes 1 kurzzeitig abgeschaltet und wieder eingeschaltet. Mit jeder solchen Ein- oder Ausschaltung verändert sich der Grundschwingungs-Blindstromanteil im Erdschlussstrom. Dabei kann sich der Erdschlussreststrom über einen unzulässig langen Zeitraum erhöhen, da der Sollwert für die Kompensation, beispielsweise der Strom der Erdschlussdrosselspule im erdschlussfreien Netzbetrieb voreingestellt vorliegt.
Zur Bestimmung des Erdschlussstroms im erdschlussbehafteten Drehstromnetz wird daher folgendes Verfahren angewandt: An einem Speisepunkt, beispielsweise dem Einspeisetransformator 2, werden sowohl im erdschlussfreien Fall als auch im
Erdschlussfall Leiterströme
und Leiter-Erde-Spannungen der Leiter L1, L2, L3 gemessen.
Es werden folgende Schritte ausgeführt:
Zumindest einmalige Bestimmung des Gegensystemstroms ohne Erdschluss I _{g_ohne ES} der Leiterströme
im erdschlussfreien Fall mit Hilfe der Formel [1].
wobei gilt:
Der Gegensystemstrom I _{g_ohne ES} ist das Gegensystem der Abnehmerlast am Drehstromnetz 1, das durch Unsymmetrien verursacht wird, und liegt meist in der Größenordnung von 1 % des Mitsystemstroms.
Im nächsten Schritt wird der Strom des Nullsystems I _{n_mit ES} der Leiterströme
im Erdschlussfall bestimmt. Im gewählten Beispiel liegt der Erdschluss auf dem Leiter L3 vor.
Der mit einem Faktor k = 3 multiplizierte Wert des Nullsystemstroms I _{n_mit ES} entspricht dem im Erdschlussfall über die Erdschlussdrossel 4 fließenden Strom.
Im nächsten Schritt wird durch Subtraktion des Stroms im Nullsystem I _{n_mit ES} im Erdschlussfall von dem im Erdschlussfall gemessenen Leiterstrom
des erdschlussbehafteten Leiters L3 ein bisymmetrisches System
der Leiterströme
ermittelt:
Das bisymmetrische System
enthält nach Eliminierung des Nullsystems I _{n_mit ES} nur noch das Mitsystem I _{m_mit ES} und das Gegensystem der Ströme I _{g_mit ES} im Erdschlussfall.
Im nächsten Schritt wird das Gegensystem der Ströme I _{g_mit ES} des bisymmetrischen Systems
bestimmt, das dem Gegensystem der Ströme der Abnehmerlast und der Erdkapazitäten entspricht.
Im nächsten Schritt wird der Anteil des die Erdkapazitäten speisenden Stroms des Gegensystems I _gCE aus den bisymmetrischen Leiterströmen während des Erdschlusses I _{g ci mit ES} ermittelt. I _gCE = I _{g bi mitES} – I _{g ohneES} [6]
Schließlich wird eine Grundschwingungskomponente I_CE des Erdschlussstroms durch Multiplikation des Anteils der die Erdkapazitäten des Netzes speisenden Ströme I _gCE am Gegensystem I _{g_bi mit ES} mit einem Faktor (k) bestimmt. I _CE = k·I _gCE [7] ermittelt. Der Faktor k ist bei einem Drehstromnetz mit drei Leitern 3.
Die ermittelte Grundschwingungskomponente I_CE des Erschlussstroms wird dann zur Steuerung des fünfphasigen aktiven Kompensators 6 oder eines anders ausgebildeten Kompensators verwendet, um die Grundschwingungskomponente I_CE des Erdschlussstroms zu eliminieren oder auf einen zulässigen oder angestrebten Wert einzustellen.
Das Drehstromnetz 1 kann auch andere Netzspannungen und Grundfrequenzen aufweisen.
Statt des Drehstromnetzes 1 kann auch ein Stromnetz mit mehr oder weniger als drei Phasen mit einer Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstroms versehen sein oder eine Sternpunkterdung kann statt an einem Einspeisetransformator auch an einem Sternpunktbildner vorgenommen werden, wenn ein anders ausgebildeter Kompensator verwendet wird..
Das Verfahren kann auch in Netzen mit mehr oder weniger als drei Außenleitern und/oder bei von 50 Hz abweichenden Grundfrequenzen angewendet werden. Der Faktor k ist dann entsprechend der Anzahl der Außenleiter zu wählen.
Der fünfphasige aktive Kompensator 6 und seine Steuerung sind vorzugsweise auf die dominante Harmonische, im Allgemeinen die fünfte Harmonische des Fehlerstromes abgestimmt. Der fünfphasige aktive Kompensator 6 kann jedoch auch mehrfrequent sein, so dass Frequenzkomponenten des Fehlerstromes in einem Frequenzband kompensiert werden. Beispielsweise kann das Frequenzband durch die Steuerung des fünfphasigen aktiven Kompensators 6 so gestaltet sein, dass Frequenzkomponenten im Bereich von 220 Hz bis 380 Hz und somit sowohl die fünfte als auch die siebte Harmonische kompensiert werden.
Die Einrichtung kann auch verwendet werden, um die Erdschlussstelle E zu lokalisieren. Hierzu wird der fünfphasige aktive Kompensator 6 im erdschlussfehlerfreien Zustand des Drehstromnetzes 1 so gesteuert, dass ein Nullstrom (beispielsweise mit einer Frequenz zwischen 0.1 Hz und 2000 Hz) zum Fließen kommt, der unter Nutzung der entsprechenden Komponenten der Netzspannung zur periodischen Ermittlung frequenzabhängiger Nulladmittanzen benutzt wird. Es werden auf diese Weise die Nulladmittanz des Drehstromnetzes 1 (aus den Nullströmen der Leiter-Erdpotential-Verbindungen) und die Nulladmittanzen der Leitungsabgänge (aus den Nullströmen der Leitungsabgänge) bestimmt. Die auf diese Weise ermittelten Nulladmittanzen werden in einer Erfassungseinrichtung als Sollwert verwendet. Im einpoligen Erdschlussfall ändert sich die mit einer Frequenz kleiner als die Grundfrequenz ermittelte Nulladmittanz des erdschlussbehafteten Leitungsabgangs. Aus Vergleich mit dem Sollwert wird der erdschlussbehaftete Abgang bestimmt. Der Nulladmittanzvergleich, der bei einer Ermittlung der o. g. Nulladmittanzen mit Frequenzen von 0,1 Hz bis 2000 Hz vorgenommen wird, gestattet unter Nutzung der elektrischen Parameter des Leitungsabgangs die Bestimmung des Fehlerortes (Abstand des Fehlerortes von Messort der Nulladmittanz).
Bezugszeichenliste

1: Drehstromnetz
2: Einspeisetransformator
3: Sternpunkt
4: Erdschlussdrossel
4.1: Hilfswicklung
5.1, 5.2: Erdpunkt
6: fünfphasiger aktiver Kompensator
7: Schalter
8: Schaltbrücke
8.1, 8.2: Eingang
8.3, 8.4: Ausgang
10: erster Koppeltransformator
11: zweiter Koppeltransformator
CL1, CL2, CL3: Erdkapazität
C1, C2: Kondensator
E: Erdschluss
HS: Hochspannungsseite
L1, L2, L3: Leiter
MS: Mittelspannungsseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007049667 A1 [0004]
DE 10146294 C1 [0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Erdschlussstroms (I_CE) in einem erdschlussbehafteten Drehstromnetz (1) mit drei Leitern (L1, L2, L3), bei dem an einem Speisepunkt des Netzes (1) Leiterströme
und Leiter-Erde-Spannungen der Leiter (L1, L2, L3) gemessen werden, wobei zumindest einmalig ein Gegensystemstrom ohne Erdschluss (ES) (I _{g_ohne ES}) aus den im erdschlussfreien Fall gemessenen Leiterströmen
berechnet wird, wobei ein Nullsystem (I _{n_mit ES}) aus den im Erdschlussfall gemessenen Leiterstrom des fehlerbehafteten Leiters
berechnet wird, wobei durch Subtraktion des Nullsystems (I _{n_mit ES}) von den im Erdschlussfall gemessenen Leiterströmen
ein bisymmetrisches System
der Leiterströme ermittelt wird, wobei das Gegensystem (I _{g_mit ES}) der bisymmetrischen Leiterströme
berechnet wird, wobei der Anteil (I _gCE) des die Erdkapazitäten (CL1, CL2, CL3) des Netzes (1) speisenden Gegensystemströme (I _{g_mit ES}) der bisymmetrischen Leiterströme
durch Subtraktion des Gegensystems (I _{g_ohne ES}) im erdschlussfreien Fall vom Gegensystem (I _{g_mit ES}) der bisymmetrischen Leiterströme
ermittelt wird, wobei eine Grundschwingungskomponente (I_CE) des Erdschlussstroms durch Multiplikation des Anteils (I _gCE) der die Erdkapazitäten (CL1, CL2, CL3) des Netzes (1) speisenden Ströme am Gegensystem (I _{g_mit ES}) mit einem Faktor (k) bestimmt wird, wobei der Faktor (k) 3 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine kompensatorische Einrichtung zur Begrenzung des Erdschlussstroms abhängig von der ermittelten Grundschwingungskomponente (I_CE) des Erdschlussstroms so gesteuert und/oder geregelt wird, dass der Erdschlussstrom auf einen vorgegebenen Wert verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als kompensatorische Einrichtung ein fünfphasiger aktiver Kompensator (6) mit Anschluss am Speisepunkt verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sternpunkt (3) auf einer Sekundärseite mindestens eines Einspeisetransformators (2) oder an einem Sternpunktbildner zumindest über eine Erdschlussdrossel (4) mit einem Erdpunkt (5.1) verbunden wird, wobei der fünfphasige aktiver Kompensator (6) steuerbare elektronische Schalter (7) umfasst, wobei für jeden der Leiter (L1, L2, L3) je zwei Schalter (7) vorgesehen sind, über die der Leiter (L1, L2, L3) mit Eingängen (8.1, 8.2) einer Schaltbrücke (8) verbindbar ist, als deren Brückenzweig ein der Erdschlussdrossel (4) parallel geschalteter erster Koppeltransformator (10) oder eine Hilfswicklung (4.1) der Erdschlussdrossel (4) angeschlossen wird, so dass der fünfphasige Kompensator (6) induktiv mit dem Erdpunkt (5.1) der Erdschlussdrossel (4) verbunden ist, wobei zwischen den Eingängen (8.1, 8.2) der Schaltbrücke (8) mindestens ein Kondensator (C1, C2) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltbrücke (8) mit vier elektronisch steuerbaren Schaltern (7.L.1, 7.L.2, 7.L.3, 7.L.4) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltbrücke (8) mit zwei elektronisch steuerbaren Schaltern (7.L.1, 7.L.2) und zwei Kondensatoren (C1, C2) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (L1, L2, L3) mit den Schaltern (7) über einen zweiten Koppeltransformator (11) induktiv verbunden werden.