DE102020114018A1

DE102020114018A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Richtung zu einem Erdschluss

Info

Publication number: DE102020114018A1
Application number: DE102020114018.5A
Authority: DE
Inventors: Erwin Burkhardt; Frank Jenau
Original assignee: Dipl Ing H Horstmann GmbH
Current assignee: Dipl Ing H Horstmann GmbH
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-12-03

Abstract

Es werden ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung einer Richtung zu einem Erdschluss eines Leiters in einem kompensierten Energieversorgungsnetz beschrieben, basierend auf der Polarität der Steilheit der Spannung des Leiters sowie des Gleichanteils des Nullstromes bzw. des Summenstromes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Richtung eines einphasigen Erdschlusses in kompensierten Energieversorgungsnetzen sowie eine entsprechend eingerichtete Vorrichtung zur Ermittlung der Richtung des Erdschlusses.
Energieversorgungsnetze werden als gelöschte oder kompensierte Netze bezeichnet, wenn deren Sternpunkt, beispielsweise der Sternpunkt des speisenden Transformators über eine Kompensationsdrossel, die auch als Petersenspule oder Erdschlusslöschspule bezeichnet wird, mit der Erde verbunden ist. Typischerweise aber nicht ausschließlich wird eine solche Kompensationsdrossel in dreiphasigen Energieversorgungsnetzen in Spannungsebenen von mehr als 1kV und bis zu 110kV verwendet. Eine solche Kompensationsdrossel hat während des ungestörten Betriebs des Netzes keinerlei Einfluss auf das Netz, weil sich die Ströme der drei Phasen im symmetrischen Betrieb, der typischerweise angestrebt wird und näherungsweise vorhanden ist, zu Null addieren und der Sternpunkt eines dreiphasigen Energieversorgungsnetzes damit Erdpotential hat. Erst im Falle eines Fehlers, hier eines einpoligen Erdschlusses, kommt es zu einem Stromfluss durch die Kompensationsdrossel aufgrund der Potentialdifferenz zwischen dem Sternpunkt des Netzes zum Erdpotential.
Ein erheblicher Anteil aller Störungen in dreiphasigen Energieversorgungsnetzen ist auf Erdschlüsse zurückzuführen, beispielsweise durch Kabelbeschädigungen oder eine andere fehlerhafte oder beschädigte Isolation eines Leiters. Insbesondere sind einphasige Erdschlüsse die häufigste Störungsursache. Im Falle eines Erdschlusses eines Leiters, beispielsweise Isolationsfehlers in einem Kabelnetz, entsteht in einem solchen kompensierten Netz ein Stromkreis von dem erdschlussbehafteten Leiter über den Erdschluss zur Erde und über die Kompensationsdrossel. Aufgrund der hohen Kapazität insbesondere eines Kabelnetzes würde dabei ein sehr hoher kapazitiver Erdschlussstrom über den Fehlerort fließen. Dieser Erdschlussstrom könnte bei einem Netz ohne Kompensationsdrossel dabei so groß sein, dass die Berührspannung am Fehlerort entsprechend hoch und die Sicherheit von Personen gefährdet wäre, und das Netz sofort abgeschaltet werden müsste. In einem kompensierten Netz bewirkt jedoch die Kompensationsdrossel, dass zusätzlich ein induktiver Strom über den Fehlerort fließt, welcher den kapazitiven Strom am Fehlerort im Idealfall vollständig kompensiert. Die Höhe des induktiven Stromes sollte dementsprechend möglichst gleich zur Größe des fließenden kapazitiven Erdschlusstroms sein, sodass ein nur möglichst kleiner geringer Wirkstrom am Ort des Erdschlusses resultiert. Die Induktivität der Kompensationsdrossel wird dazu so bemessen, dass deren Impedanz gleich der Netzkapazität ist. Auf diese Weise bewirkt die Kompensationsdrossel einen induktiven Strom zur Kompensation des großen kapazitiven Erdschlusstroms.
Im Falle eines solchen Erdschlusses soll der Ort der Fehlerstelle schnellstmöglich ermittelt werden, sodass der Fehler schnellstmöglich behoben werden kann. Dazu wird typischerweise von einem Messort aus ermittelt, in welcher Richtung, also vom Messort aus gesehen in Richtung des Lastflusses oder entgegen der Richtung des Lastflusses der Fehlerort liegt, sodass der Ort des Erdschlusses eingegrenzt werden kann. Der Lastfluss ist dabei gleich dem Stromfluss im ungestörten Zustand.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu beispielsweise das sog. Wischerverfahren oder das sog. wattmetrische cos(cp)-Verfahren oder das QU-Verfahren aus der DE 102 02 058 bekannt. Diese Verfahren benötigen jeweils den Nullstrom und die Nullspannung. Das Wischer-Verfahren ist ein transientes Verfahren und wertet die ersten Transienten des Nullstroms und der Nullspannung aus, sodass dementsprechend diese Werte permanent aufgezeichnet werden müssen, damit sie im Fehlerfall vorliegen. Dies ist für Freileitungsanzeiger dementsprechend aufwändig. Für das stationäre cos(cp)-Verfahren müssen Nullstrom und Nullspannung mit sehr hoher Genauigkeit zum Zeitpunkt des Erdschlusses vorliegen; dies ist in der Praxis kaum möglich. Die weiterhin bekannte sogenannte Pulsortung benötigt eine Vorrichtung zur Einspeisung eines Pulses in den Sternpunkt des Netzes und ist darüber hinaus nur bei niederohmigen Erdschlüssen einsetzbar, unzuverlässig bei einer Unterkompensation des Netzes und erfordert, dass der Erdschluss für ca. 30 Sekunden stationär fortbesteht.
Daher besteht die Aufgabe ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung vorzuschlagen, mit der ausgehend von dem Messort die Richtung zu dem Ort des Erdschlusses ermittelt werden kann. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren sowie die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Im Folgenden werden das Verfahren sowie die Vorrichtung anhand von Figuren näher beschrieben.
Es zeigen

1 eine vereinfachte Darstellung eines Strangs eines kompensierten Netzes mit einem Erdschluss einer Phase;
2 ein RL-Modell für die Modellierung des Fehlereintritts;
3a einen Spannungsverlauf für einen einphasigen Erdschluss t0;
3b einen Nullstromverlauf für einen einphasigen Erdschluss;
4 eine vereinfachte Darstellung eines kompensierten Ringnetzes;
5 ein Flussdiagramm mit den Schritten zur Erkennung der Richtung zu einem Erdschluss eines Leiters.

1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines an sich bekannten Strangnetzes 100, hier dreiphasig mit den entsprechenden Leitern 110a, 110b und 110c. Das Netz wird auf der einen Seite von einer Quelle 120 gespeist, die in der Figur durch die Spannungsquellen 120a-120c dargestellt ist. Das Netz versorgt eine Last 160. Die Induktivitäten der Leiter 110a-110c sind durch die Leitungsinduktivitäten 130a-130c schematisch dargestellt, die Kapazitäten der Leiter 110a-110c gegenüber Erde sind durch die Kapazitäten CE 140a-140c dargestellt. Das Strangnetz 100 ist an seinem Sternpunkt N über eine Kompensationsdrossel 150, die auch Petersenspule L_p oder Löschspule genannt wird, mit der Erde verbunden.
Der einpolige Fehler des Leiters 110a mit der Erde, also im Falle eines Erdschlusses des Leiters 110a mit Erde, lässt sich im Wesentlichen als ohmscher Widerstand 170 RF darstellen, über den der erdschlussbehaftete Leiter 110a mit der Erde verbunden ist.
Im Unterschied zu einem herkömmlichen Netz umfasst das hier schematisch dargestellte Netz mindestens ein Vorrichtung 190, welche eingerichtet und vorgesehen zur Ermittlung der Richtung zu einem Erdschluss eines Leiters 110a-110c ist. In dem schematisch gezeigten Strangnetz 100 ist mindestens eine solche Vorrichtung 190 so angeordnet, dass sie die im Folgenden beschriebenen Messwerte bereitstellt.
Im Folgenden wird angenommen, dass im Normalfall, also ohne einen Erdschluss eines Leiters, der Strom in dem Strangnetz 100 von den Quellen 120a-120c zu der Last 160 und damit auch im Leiter 110a in Richtung der dargestellten Pfeile fließt. Im Falle eines Erdschlusses, hier des Leiters 110a, entsteht ein neuer Stromkreis, in welchem der Strom von der Spannungsquelle 120 über den Leiter 110a, die Induktivität 130a der Leitung, den Widerstand 170 R_F des Erdschlusses, die Erde und die Kompensationsdrossel 150 fließt.
2 zeigt schematisch ein Modell eines Schaltkreises 200 im Moment des Erdschlusses des Leiters 110a mit der Erde. Wie oben kurz beschrieben fließt im Falle eines Erdschlusses ein Strom i(t) von der Quelle 220 über die Induktivität 230 und den Widerstand R 240 des Erdschlusses über die Erde. Die Induktivität 230 ist dabei die Summe der Leitungsinduktivität des erdschlussbehafteten Leiters auf der Länge von der Quelle bis zum Ort des Erdschlusses und der Kompensationsdrossel des Netzes. Der Erdschluss wird in dem R-L-Modell durch das Schließen des Schalters S zum Zeitpunkt t=t₀ abgebildet.
Bekanntermaßen fließt im Falle eines Erdschlusses zunächst ein großer Strom i(t) mit einem transienten Ausgleichsvorgang, der sich mit einem homogenen i_h(t)und einen partikulären Anteil i_p(t) beschreiben lässt: $i (t) = i_{h} (t) + i_{p} (t)$
Ein Maschenumlauf führt damit zu $L \cdot \frac{d i (t)}{d t} + R \cdot i (t) = \hat{u} \cdot cos (ω t + φ_{u})$
Dabei bezeichnet û die Scheitelpunktspannung, ω die Frequenz der Spannung und φ_u den Phasenwinkel der Spannung.
Unter der Annahme, dass der transiente Ausgleichsvorgang zu einem späteren Zeitpunkt vernachlässigt werden kann, verbleibt nur der partikuläre Anteil des eingeschwungenen Stromverlaufs, sodass sich aus [2] für t → ∞ ergibt: $L \cdot \frac{d i_{p} (t)}{d t} + R \cdot i_{p} (t) = \hat{u} \cdot cos (ω t + φ_{u})$
Die homogene Lösung ergibt sich durch Subtraktion [2] von [3]: $L \cdot \frac{d i_{h} (t)}{d t} + R \cdot i_{h} (t) = 0$
Da die partikuläre Lösung in [3] den eingeschwungenen Zustand beschreibt, kann hier die Annahme getroffen werden, dass der Schalter S in 2 vor unendlich langer Zeit geschlossen wurde. Die partikuläre Lösung kann dann mit nachfolgender Cosinus-Schwingung beschrieben werden: $i_{p} (t) = \hat{i} \cdot cos (ω t + φ_{i})$
wobei für den Strom î $\hat{i} = \frac{\hat{u}}{\sqrt{R^{2} + {(ω L)}^{2}}}$
und für den Phasenwinkel des Stroms φ_i $φ_{i} = φ_{u} - {tan}^{- 1} (\frac{ω L}{R})$
gilt.
Für die Beschreibung der homogenen Lösung wird der allgemeine Ansatz gewählt: $i_{h} (t) = k \cdot e^{- \frac{R}{L} \cdot t}$
Dieser Ansatz erfüllt die Bedingung, dass die homogene Lösung im Unendlichen abgeklungen sein muss. Dabei wird die Unbekannte k über die Anfangsbedingung bestimmt, nämlich dass vor dem Einschaltvorgang des Schalters S, also vor dem Eintreten des Erdschlusses, in dem kein Strom über den Erdschluss fließt und im Zeitpunkt t=t₀ des Erdschlusses, in dem in 2 gezeigten Kreis also der Strom i(t) Null ist, sodass gilt $(t_{0}) = i_{h} (t_{0}) + i_{p} (t_{0}) \overset{!}{=} 0$
Einsetzen von [8] in diese Gleichung ergibt die Unbekannte k als $k = - \hat{i} \cdot cos (ω t_{0} + φ_{i}) \cdot e^{\frac{R}{L} \cdot t_{0}}$
Die homogene Lösung für den Strom i(t) ergibt sich durch Einsetzen von k in [8] zu $i_{h} (t) = - \hat{l} \cdot c o s (ω t_{0} + φ_{i}) \cdot e^{- R} /_{L} \cdot^{(t - t 0)}$
Gleichung [11] beschreibt damit den abklingenden Gleichanteil des Stroms i(t), welcher ab t=t₀ im Stromkreis der 2 und damit durch den erdschlussbehafteten Leiter und über den Erdschluss fließt. Die Höhe des Gleichanteils ist abhängig vom Fehlereintrittszeitpunkt und ergibt sich durch Einsetzen von [7] in [11] zu $i_{h} (t) = - \hat{i} \cdot cos (ω t_{0} + φ_{u} - {tan}^{- 1} (\frac{ω L}{R})) \cdot e^{- \frac{R}{L} \cdot (t - t_{0})}$
Da die Kompensationsdrossel typischerweise einen sehr großen Induktivitätswert hat, in obiger Gleichung [12] durch das L abgebildet, kann der tan^-1- Term in [12] zu 90° vereinfacht werden. Damit bestimmt bei der Definition des Phasenbezugs der Zeitpunkt des Erdschlusses ob ein Gleichanteil vorliegt und gegebenenfalls wie hoch dieser ist. Tritt der Erdschluss genau im Maximum oder Minimum der Spannung auf, d.h. der Schalter S in 2 wird genau im Maximum oder Minimum des cosinusförmigen Spannungsverlaufs geschlossen, so ist der Cosinus-Term in [12] gleich Null. Daraus folgt unmittelbar, dass es keinen Gleichanteil gibt, wenn der Erdschluss genau im Zeitpunkt des Spannungsmaximums oder Spannungsminimums (negatives Spannungsmaximum) eintritt, siehe Gleichung [8]. In allen anderen Fällen bewirkt der Erdschluss einen abklingenden Gleichanteil des Nullstromes von Strang 100 bzw. des Summenstromes der Phasenströme von Leiter 100a, 100b und 100c.
Damit kommt es im Falle eines Erdschlusses eines Leiters eines kompensierten Drehstromnetzes zu einem Stromfluss zwischen dem Ort des Erdschlusses und der Kompensationsdrossel 150. Der Gleichanteil des Stroms über den Erdschluss ist bei einem dreiphasigen Netz messbar über die Detektion des Nullstromes. Falls dies nicht möglich ist, z.B. bei Freileitungsanzeigern, kann der Summenstrom der einzelnen Leiterströme ermittelt werden. Der Summenstrom eines dreiphasigen Netzes ist stets das Dreifache des Nullstromes und weist somit den gleichen charakterisierenden Verlauf auf. In Ortsnetzstationen wird in der Praxis oft die sogenannten Holmgreen-Schaltung zur Auswertung des Nullstromes bzw. des Summenstromes angewendet. Dabei ist die Steigung der Spannung in dem erdschlussbehafteten Leiter zum Zeitpunkt kurz vor dem Eintritt des Erdschlusses ausschlaggebend für die Polarität des Gleichanteils des Stroms, also die Stromflussrichtung.
Die Polarität des Gleichanteils des Stroms über den Erdschluss, und damit die Polarität des Gleichanteils im Summenstrom eines dreiphasigen Netzes, entspricht dabei der Polarität der Steilheit der erdschlussbehafteten Phasenspannung kurz vor Eintritt des Erdschlusses, falls sich der Ort des Erdschlusses in Richtung der Last 160 und damit in Richtung des ungestörten Stromflusses befindet, gesehen vom Messort 190. Anderenfalls, wenn also der Ort des Erdschlusses gesehen vom Messort 190 in Richtung der Quelle liegt, ist der Gleichanteil in einem Strangnetz Null.
Für ein Ringnetz, siehe hierzu auch 4, gilt für einen Erdschluss dasselbe wie für ein Strangnetz nur falls der Ort des Erdschlusses in Richtung der Last, also in Richtung des ungestörten Stromflusses liegt. Liegt in einem Ringnetz der Ort des Erdschlusses vom Messort aus gesehen in Richtung der Quelle, so ist die Polarität des Gleichanteils des Nullstroms bzw. des Summenstroms entgegengesetzt zur Polarität der Steilheit der Spannung kurz vor dem Eintritt des Erdschlusses und ist nicht Null.
3a zeigt einen Spannungsverlauf in einem dreiphasigen kompensierten Strangnetz, bei dem es im Zeitpunkt t=t₀ zu einem einphasigen Erdschluss kommt. Dabei wird angenommen, dass zum Zeitpunkt des Erdschlusses, also zum Zeitpunkt t=t₀, die Spannungen 310a- 310c symmetrisch und sinusförmig sind. Der Erdschluss des Leiters der Spannung 310a tritt zum Zeitpunkt t=t₀ auf, also während die Spannung 310a auf der positiven Flanke ansteigt. Die Spannung 310a bricht zum Zeitpunkt des Erdschlusses ein und ist nach einem kurzen transienten Einschwingvorgang bei Null, während die Spannungen 310b und 310c der beiden nicht vom Erdschluss betroffenen Leiter mit erhöhter Amplitude weiterhin sinusförmig sind.
3b zeigt den dazugehörigen Verlauf des Gleichanteils 320 des transienten Verlaufs des Erdschlussstromes 330 über den Fehlerort, der über die Erde zu der Kompensationsdrossel des kompensierten Netzes fließt. Dabei ist angenommen, dass die Vorrichtung, welche den Stromfluss durch den Leiter misst, an der in 1 schematisch eingezeichneten Ort platziert ist. Der Gleichanteil des Stroms ist hier größer Null, d.h. der Strom fließt mit Bezug auf die Stromflussrichtung im Normalbetrieb, also ohne Erdschluss, in dieselbe Richtung. Daraus ist zu schließen, dass der Erdschluss vom Messort aus gesehen in Richtung der Last in Vorwärtsrichtung liegt. Für den Fall, dass der Ort des Erdschlusses zwischen der Quelle und dem Messort läge, würde der Gleichanteil 320a des Stroms in einem Strangnetz Null sein und in einem Ringnetz eine andere Polarität aufweisen, also kleiner als Null sein.
4 zeigt in schematischer Darstellung ein kompensiertes Netz 400 mit den Abgängen A-E und wobei über die Abgänge C, D ein ringförmiger Abschnitt 410 gebildet ist, wobei die Verbindung zwischen den Leitern des Abgangs C und den Leitern des Abgangs D mit einem geschlossenen Schalter S 420 schematisch dargestellt ist. Die Spannungen in den Leitern des Abgangs C sind damit gleich den Spannungen in den verbundenen Leitern des Abgangs D.
Ebenso wie das in 1 dargestellte Netz, weist dieses Netz Spannungsquellen 120, Leitungsinduktivitäten 130, sowie Leitungskapazitäten 140 auf, und das Netz versorgt mindestens eine Last 160. Weiterhin ist das Netz an seinem Sternpunkt N über eine Kompensationsdrossel L_P 150 mit geerdet.
Das Netz weist hier (mindestens) die Vorrichtungen 190A-190E zur Ermittlung der Richtung zu einem Erdschluss an den eingezeichneten Stellen auf, wobei die Vorrichtungen 190A diejenigen an den Leitern des Abgangs A bezeichnen, die Vorrichtungen 190B diejenigen an Leitern des Abgangs B und so weiter.
Im Falle eines Erdschlusses, der in der Figur schematisch durch den Widerstand RF 420 an einem Leiter im Abgang D dargestellt ist, ergibt sich ein Stromkreis zum einen über den erdschlussbehafteten Leiter im Abgang D und über die Erde und die Kompensationsdrossel 150. Weiterhin entsteht durch den Erdschluss ein Stromkreis über den Schalter 420 eines Leiters des Abgangs C, sodass auch der über den Schalter 420 mit dem erdschlussbehafteten Leiter verbundene Leiter des Abgangs C erdschlussbehaftet ist, wenngleich nicht direkt, sondern nur über den geschlossenen Schalter 420.
Unter der Annahme, dass zum Zeitpunkt des Eintritts des Erdschlusses in einem Leiter des Abgangs D der Spannungsverlauf so ist wie in 3a, d.h. zum Zeitpunkt des Erdschlusses steigt die Spannung des erdschlussbehafteten Leiters und ist größer Null, können die Erdschlussrichtungsanzeiger 190 die Richtung zu dem Erdschluss basierend auf dem oben beschriebenen ermitteln und anzeigen.
Die Pfeile 440A-440E zeigen die von den Vorrichtungen 190, also den Erdschlussrichtungsanzeigern ermittelten Richtungen für den erdschlussbehafteten Leiter und ausgehend vom jeweiligen Messort des Erdschlussanzeigers 190 an. Dabei zeigt Pfeil 440D1 in Richtung des ungestörten Stromflusses an, also vorwärts, sodass der Ort des Erdschlusses ausgehend vom Erdschlussrichtungsanzeiger 190D-1 in Richtung der Last liegt. Die beiden Erdschlussrichtungsanzeiger 190D-2 und 190D-3, siehe entsprechende Erdschlussrichtungspfeile 440D2 und 440D3, zeigen entgegen der Lastflussrichtung (von der Quelle in Richtung Last bei ungestörtem Betrieb) an, also in Rückwärtsrichtung, da der Ort des Erdschlusses 430 mit Bezug auf die ungestörte Lastflussrichtung und mit Bezug auf den jeweiligen Messort der Erdschlussrichtungsanzeiger jeweils rückwärts liegt.
Die Erdschlussrichtungsanzeiger 190C-1 und 190C-2, welche in dem nicht selbst vom Erdschluss betroffenen Abgang C des Netzes angeordnet sind, zeigen in Richtung des Lastflusses in Abgang C an, also in Vorwärtsrichtung, wohingegen der Erdschlussrichtungsanzeiger 190C-3 die Rückwärtsrichtung für den Ort des Erdschlusses anzeigt. Dementsprechend kann das Verfahren bzw. können Erdschlussrichtungsanzeiger auch zur Anzeige der Richtung zu einem Erdschluss auch in Ringnetzen verwendet werden.
5 zeigt die Schritte des Verfahrens zur Ermittlung der Richtung zu einem Erdschluss in einem Netz mit drei Phasen. Dabei wird angenommen, dass jede der drei Phasen in einem Leiter geführt ist. Weiterhin ist in dem nachfolgend beschriebenen Verfahren angenommen, dass nur eine der drei Phasen, also einer der drei spannungsführenden Leiter den Erdschluss aufweist.
Das Verfahren 500 beginnt im ersten Schritt 510 mit dem Feststellen des Vorliegens eines Erdschlusses. Dazu kann ein an sich bekanntes Verfahren verwendet werden, welches in einer Ausführungsform den Strom über die Kompensationsdrossel ermittelt. Im Falle eines sprunghaften Anstiegs des Stroms über die Kompensationsdrossel liegt typischerweise ein Erdschluss eines Leiters des Netzes vor
Im Schritt 520 des Verfahrens 500 wird dann der Leiter ermittelt, welcher den Erdschluss aufweist. Dazu kann beispielsweise die Spannung der Leiter überwacht werden. Wie oben mit Bezug auf 3a beschrieben fällt der Betrag der Spannung eines erdschlussbehafteten Leiters im Falle eines Erdschlusses des Leiters steil ab. So kann dementsprechend aus einem Spannungseinbruch eines Leiters 110a darauf geschlossen werden, dass bei diesem ein Erdschluss vorliegt. Alternativ dazu kann aus dem Spannungsverlauf der jeweils anderen beiden Leiter 110b und 110c auf einen Erdschluss des Leiters 110a geschlossen werden. Wie oben ebenfalls mit Bezug zu 3a beschrieben, steigt die Spannung der beiden nicht vom Erdschluss betroffenen Leiter 110b, 110c zum Zeitpunkt des Erdschlusses sprunghaft an. Damit kann der Erdschluss eines Leiters auch dann ermittelt werden, wenn der Spannungsverlauf des vom Erdschluss betroffenen Leiters gerade zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs stattfindet.
In einem weiteren Schritt, siehe Schritt 530, wird ermittelt, ob kurz vor dem Eintritt des Erdschlusses die Spannung des erdschlussbehafteten Leiters 110a anstieg oder abfiel, mathematisch ausgedrückt du/dt > 0 oder du/dt < 0, d.h. es wird ermittelt, ob unmittelbar kurz vor dem Eintritt des Erdschlusses in dem erdschlussbehafteten Leiter ein Spannungsanstieg oder ein Spannungsabfall vorlag. Mit anderen Worten wird die Polarität der Spannungssteilheit ermittelt. Dieser Schritt kann mit an sich bekannten Mitteln durchgeführt werden. So kann in einer Ausführungsform der Verlauf der Spannung eines Leiters durch Abtasten und Speichern der ermittelten Werte für einen Auswertezeitpunkt kurz vor Eintritt eines Erdschlusses gespeichert werden. Die gespeicherten Werte des Spannungsverlaufs müssen dabei nur für einen sehr kurzen Zeitraum gespeichert werden. Bei einer Netzfrequenz von f=50Hz ist es dementsprechend ausreichend, wenn die abgetasteten Spannungswerte für ein Zeitintervall von 1/(2f)=1/100 Sekunde gespeichert werden, da die Abtastwerte dieses Zeitintervalls jedenfalls eine Halbwelle des Spannungsverlaufs abbilden.
Falls die Steilheit der Spannung Null ist, siehe 540, also hierbei du/dt = 0 ermittelt wird, d.h. die Spannung des erdschlussbehafteten Leiters also kurz vor dem Eintritt des Erdschlusses ein positives oder negatives Spannungsmaximum durchlaufen hat, so lässt sich keine Aussage dazu treffen und ein Erkennen der Richtung zu dem Erdschluss ist nicht möglich, siehe 550.
Anderenfalls, wenn ermittelt werden konnte, ob die Spannung des nun erdschlussbehafteten Leiters kurz vor dem Eintreten des Erdschlusses anstieg oder abfiel, die Polarität der Spannungssteilheit also positiv oder negativ ist, so kann die Richtung zu dem Erdschluss mit Bezug auf den Messort des Nullstroms ermittelt werden. Dazu wird, wie oben beschrieben, der Gleichanteils des Nullstromes in dem erdschlussbehafteten Leiterabschnitt zu einem Zeitpunkt kurz nach dem Eintreten des Erdschlusses ermittelt, siehe Schritt 560. Weil nur die Polarität des Gleichanteils des Stroms durch den Leiter erst nach dem Eintreten des Erdschlusses ermittelt wird, ist es ausreichend, wenn die Messung des Stromflusses erst nach dem Eintritt des Erdschlusses durchgeführt wird, sodass die entsprechende Messeinrichtung 190 erst nach dem Eintritt des Erdschlusses den Strom durch den erdschlussbehafteten Leiter messen muss. Eine entsprechende Messvorrichtung 190 muss dementsprechend erst nach dem Eintreten eines Erdschlusses den Stromfluss ermitteln und muss erst dann entsprechend aktiviert werden.
Die Richtung des Erdschlusses, gesehen vom Messort des Stroms nach dem Erdschluss, kann dann auf Basis der ermittelten Polarität der Steilheit der Spannung unmittelbar vor dem Erdschluss sowie der Polarität des Gleichanteils des Stromflusses nach dem Erdschluss ermittelt werden, siehe 570. Falls die Polarität der Steilheit der Leiterspannung gleich der Polarität des Gleichanteils des Nullstromes ist, so liegt der Erdschluss in Richtung des bisherigen, also des ungestörten, Stromflusses 580. Anderenfalls, wenn also die Polarität der Steilheit der Leiterspannung ungleich der Polarität des Gleichanteils des Stromflusses in dem erdschlussbehafteten Leiter ist, so liegt die Richtung des Ortes des Erdschlusses gesehen vom Messort des Stroms durch Leiter entgegen der Richtung des ungestörten Stromflusses, siehe 590.
Auf diese Weise kann mit Bezug auf den Messort, an welchem die Polarität des Gleichanteils des Nullstromes durch den erdschlussbehafteten Leiterabschnitt kurz nach dem Eintritt des Erdschlusses ermittelt wird, ermittelt werden, in welcher Richtung der Ort des Erdschlusses bezogen auf die ungestörte Stromflussrichtung liegt. Die Reihenfolge der oben beschriebenen Schritte des Verfahrens können dabei in sinnvoller Weise vertauscht oder gleichzeitig ausgeführt werden. So können die Schritte des Ermittelns der Polarität der Steilheit der Spannungssteilheit und der Schritt des Ermittelns der Polarität des Stromflusses durch den erdschlussbehafteten Leiter gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden.
Das oben beschriebene Verfahren eignet sich auch zur Ermittlung der Richtung zum Ort eines Erdschlusses für ein einphasiges kompensiertes Netz. Der Schritt des Ermittelns 520 des erdschlussbehafteten Leiters ist in einem solchen Netz dementsprechend obsolet.
Bezugszeichenliste

100: Strangnetz
110a, 110b, 110c: Leiter des Strangnetzes
120: Spannungsquelle
120a, 120b, 120c: Spannungsquellen
130a, 130b, 130c: Leitungsinduktivitäten
140a, 140b, 140c: Leitungskapazitäten
150: Kompensationsdrossel, Petersenspule
160: Last
170: Erdschluss mit Widerstand R_F
180: Sternpunkt
190: Vorrichtung zur Ermittlung der Richtung zu einem Erdschluss, Erdschlussrichtungsanzeiger
200: Schaltkreis
210: Schalter S
220: Quelle, Spannungsquelle
230: Induktivität L
240: ohmscher Widerstand R
310a-310c: Leiterspannungen
320: Gleichanteil
330: Wechselanteil
410: ringförmiger Netzabschnitt
420: Schalter
430: Erdschluss bzw. Widerstand des Erdschlusses
440A-440E: Erdschlussrichtungsanzeigepfeile
510-580: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10202058 [0005]

Claims

Verfahren (500) zur Ermittlung der Richtung zu einem Erdschluss eines Leiters (110a) in einem kompensierten Energieversorgungsnetz (100) umfassend: - Ermitteln (520) der Polarität der Steilheit der Spannung des erdschlussbehafteten Leiters (110a) vor dem Eintritt des Erdschlusses, und - Ermitteln (550) der Polarität des Gleichanteils des Nullstroms in einem Abschnitt des erdschlussbehafteten Leiters (110a) oder des Summenstromes der Leiter 110a, 110b und 110c nach dem Eintritt des Erdschlusses, und - Ermitteln (560) der Richtung zu dem Erdschluss mit Bezug auf die Richtung des ungestörten Stromflusses basierend auf der ermittelten Polarität des Nullstroms oder des Summenstromes und der Polarität der Steilheit der Spannung des erdschlussbehafteten Leiters (110a).
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das Ermitteln (520) des erdschlussbehafteten Leiters (110a).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spannung des erdschlussbehafteten Leiters (110a) während eines vordefinierten Zeitintervalls vor und während des Eintritts des Erdschlusses ermittelt und aufgezeichnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Gleichanteil des Nullstromes als Summe der Leiterströme ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Netz (100) ein Freileitungsnetz ist.
Vorrichtung zur Ermittlung der Richtung zu einem Erdschluss eines Leiters (110a) eines kompensierten Energieversorgungsnetzes (100), wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zur Ermittlung der Spannung des Leiters unmittelbar vor dem Eintritt eines Erdschlusses des Leiters (110a) und eine Einrichtung (190) zur Ermittlung der Polarität der Steilheit des Gleichanteils des Stroms in dem erdschlussbehafteten Leiter nach Eintritt des Erdschlusses umfasst, und welche weiterhin dazu eingerichtet ist das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4 auszuführen.
Elektrisches Energieversorgungsnetz (100), welches an seinem Sternpunkt über eine Kompensationsdrossel (160) geerdet ist und mindestens eine Vorrichtung nach Anspruch 6 umfasst.