DE19525417A1 - Anordnung zur Erdschluß-Stromkompensation eines mehrphasigen elektrischen Leitungsnetzes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erdschluß-Stromkom­ pensation eines mehrphasigen elektrischen Leitungsnetzes, insbesondere eines Mittelspannungsnetzes.

In mehrphasigen, elektrischen Hochspannungs-Leitungsnetzen, wie zum Beispiel bei Spannungen zwischen 10 und 20 kV betriebenen Mittelspannungsnetzen, können bei Erdschluß einer einzelnen Phasenleitung des Netzes Lichtbögen entstehen, die aus den kapazitiven Ableitströmen der Phasenleitungen gespeist werden. Soweit die kapazitiven Ableitungsströme eine gewisse Größenordnung, beispielsweise 35 A nicht übersteigen, erlischt der Lichtbogen selbsttätig.

Zur Begrenzung der kapazitiven Ableitströme ist es bekannt, an der Speisestelle des Netzes den Stern- bzw. Nullpunkt des Netzes über ein passives Kompensationselement mit induktiver Reaktanz, beispielsweise eine Spule hochohmig zu erden. Der induktive Blindwiderstand des Kompensationselements ist so bemessen, daß der durch das Kompensationselement fließende induktive Kompensationsstrom die kapazitiven Ableitströme der Phasenleitungen im wesentlichen kompensiert. Die durch die Phasenleitungen relativ zu Erde gebildeten Ableitkapazitäten bilden zusammen mit der Spule einen Parallelschwingkreis, der bei Resonanzabstimmung dafür sorgt, daß der induktive Kompensationsstrom der Spule gleich den kapazitiven Ableit­ strömen der Phasenleitungen ist. In der Praxis sorgen Steuermittel für eine geeignete Regulierung der Induktivität des Kompensationselements, wobei normalerweise eine über­ kritische oder unterkritische Einstellung bevorzugt wird.

In Freileitungsnetzen sind die Ableitkapazitäten der Phasen­ leiter vergleichsweise klein, so daß auch die kapazitiven Ableitströme verhältnismäßig gering sind und durch induktive Kompensationselemente der vorstehenden Art beherrschbar sind. Anders liegen die Verhältnisse bei Kabelnetzen und auch Leitungsnetzen, die gemischt aus Freileitungsnetzen und Kabelnetzen bestehen. In Kabelnetzen sind die Phasenleiter geschirmt, und dementsprechend ergeben sich vergleichsweise hohe Ableitkapazitäten und hohe kapazitive Ableitströme, beispielsweise in der Größenordnung mehrerer 100 A. In solchen Netzen liegen die kompensierten Ableitströme in der Regel immer noch über der zur Selbstlöschung von Lichtbogen führenden Stromgrenze. Selbst wenn ein zur Funkenlöschung ausreichender Kompensationsgrad erreicht wird, neigen Kabelnetze zum Rückzünden des Lichtbogens, da üblicherweise bei einem Erdschluß die Isolation zwischen dem Phasenleiter und seiner Abschirmung zerstört wird und der Abstand zwischen Phasenleiter und Abschirmung von beispielsweise 7 mm bei zerstörter Isolation nicht ausreicht, um erneutes Zünden eines Lichtbogens zu verhindern. Bei Rückzünden des Licht­ bogens besteht die Gefahr, daß auch benachbarte Phasenleiter beschädigt werden und es zu mehrphasigen Kurzschlüssen kommt.

Im Erdschlußfall treten nicht nur kapazitive Fehlerströme auf, sondern auch Ohm′sche Fehlerstromkomponenten, die beispielsweise durch Wirkverluste von Transformatoren oder Isolatoren hervorgerufen werden. Die Ohm′schen Fehlerstrom­ komponenten können beispielsweise in der Größenordnung von 2% der kapazitiven Ableitströme liegen. Sie lassen sich nicht durch induktive Kompensationselemente der vorstehend erläuterten Art kompensieren. Die Ohm′schen Stromkomponenten (Wirkstromkomponenten) verstärken die vorstehend erläuterten nachteiligen Effekte und erschweren die Funkenlöschung.

Aus dem Firmenprospekt "Regelbare Erdschluß-Löschspule für Erdschluß-Schutzanlage (System Swedish-Neutral)" der Firma Starkstrom-Gerätebau GmbH oder aus EP-B-164 321 ist es bekannt, die den Sternpunkt des Netzes mit Erde verbindende Kompensationsspule mit einer zusätzlichen Leistungshilfswick­ lung zu versehen und über die Leistungshilfswicklung aus einer aktiven Stromquelle eine komplexe Leistung dem Stern­ punkt zuzuführen, deren Wirkstromkomponente die Ohm′sche Fehlerstromkomponente kompensiert. Mittels eines Reglers wird nicht nur die Grundeinstellung der Kompensationsspule eingestellt, sondern auch die Größe der im Erdschlußfall einzuspeisenden Wirkstromkomponente errechnet und einge­ stellt. Durch Einspeisen der komplexen Leistung läßt sich das Potential an der Erdschlußstelle im wesentlichen auf Null verringern. Zwar wird auf diese Weise erreicht, daß auch vergleichsweise große Netze kompensiert werden können und auch die Gefahr von Personenschäden an der Fehlerstelle weitgehend verringert wird, doch wird dies durch relativ hohen technischen Aufwand erkauft. Die Komponenten für die Erzeugung der in die Kompensationsspule einzuspeisenden komplexen Leistung müssen für vergleichsweise hohe und Ströme ausgelegt sein und bedingen an der Einspeisestelle in der Regel ein für diesen Zweck bemessenes zusätzliches Hilfsnetz, soweit ein eventuell vorhandenes Hilfsnetz nicht für diesen Zweck überdimensioniert ist.

Aus dem Aufsatz von H.-L. Schuck "Neutralisierung von Erdschlußfehlern in Mittelspannungskabeln durch Leiterer­ dung", Elektrizitätswirtschaft, Jg. 93 (1994), Heft 21, Seiten 1272-1278 ist es bekannt, den isolierten Sternpunkt bei einem Erdschlußfehler über einen einpoligen Leistungs­ schalter nach Ende kurzzuschließen. Auf diese Weise kann das Potential an der Fehlerstelle auf ein für eine Rückzündung in aller Regel nicht mehr ausreichendes Restpotential vermindert werden. Allerdings liegen die übrigen Phasenleiter bei einer solchen Betriebsweise dann auf der verketteten Spannung und neigen aufgrund dieser Überspannung gleichfalls zu einem Erdschluß. Ein solcher mehrphasiger Erdschluß kann das Kabelnetz nachhaltig schädigen.

Kabelnetze mit Erdschlußkompensation haben vielfach eine flache Resonanzkurve, die zu Problemen bei der Abstimmung der Kompensationsspule führen kann. Aus dem Aufsatz Schäfer "Erhöhung der Verlagerungsspannung in Mittelspanungs-Kabel­ netzen mit Erdschlußkompensation", Elektrizitätswirtschaft, Jg. 93 (1994), Heft 21, Seiten 1295-1302 ist es bekannt, die in einem solchen Fall relativ niedrige Sternpunkt-Verlage­ rungsspannung durch Anschließen einer Zusatzkapazität zwischen einen der Phasenleiter und Erde zu erhöhen und damit eine die Abstimmung der Kompensationsspule erleichternde Unsymmetrie in das Netz einzuführen. Aus V. Leitloff, R. Feuillet und L. Pierrat "Messen der Parameter eines kom­ pensierten Netzes durch Injektion eines Stromes in den Sternpunkt", Elektrizitätswirtschaft, Jg. 93 (1994), Heft 22, Seiten 1371-1376 sowie FR-A-2 697 341 ist es bekannt, in den Sternpunkt eines durch eine Kompensationsspule kompensierten Netzes eines Meßstrom zu injizieren und in diesem Zustand die für die Resonanzabstimmung der Kompensationsspule erforderli­ chen Grundparameter des Netzes zu ermitteln. Ähnliche Überwachungsverfahren sind aus EP-B-235 145 bekannt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Erdschluß- Stromkompensation eines mehrphasigen elektrischen Leitungs­ netzes, insbesondere eines Mittelspannungsnetzes, zu schaf­ fen, das mit geringem Konstruktionsteileaufwand eine im wesentlichen vollständige Kompensation von Erdschluß-Fehler­ strömen erlaubt.

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Erdschluß- Stromkompensation eines mehrphasigen elektrischen Leitungs­ netzes, insbesondere eines Mittelspannungsnetzes, umfassend:
Ein steuerbares, zwischen einem Sternpunkt des Netzes und Erde angeschlossenes, passives Kompensationselement mit induktiver Reaktanz zur Erzeugung eines kapazitive Stromkom­ ponenten von bei Erdschluß einer der Phasenleitungen des Netzes auftretenden Fehlerströmen kompensierenden, induktiven Kompensationsstroms,
Kompensationsmittel zur Kompensation Ohm′scher Stromkom­ ponenten der Fehlerströme und
Steuermittel zur Steuerung des induktiven Kompensationsstroms des Kompensationselements.

Ausgehend von einer solchen Anordnung ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kompensationsmittel ein mit Erde ver­ bundenes, bei Erdschluß der einen Phasenleitung mit einer in vorbestimmter Phasenlage zu dieser einen Phasenleitung stehenden anderen Phasenleitung des Netzes verbindbares, passives Reaktanzelement umfassen, dessen Ableitstrom eine die Ohm′sche Stromkomponente des Fehlerstroms kompensierende Ohm′sche Stromkomponente sowie eine Blindstromkomponente hat und daß die Steuermittel bei Erdschluß den induktiven Kompensationsstrom des Kompensationselements um einen die Blindstromkomponente des Ableitstroms des Reaktanzelements kompensierenden Differenzwert verändern.

Die Erfindung geht hierbei von der Überlegung aus, daß durch ein induktives oder kapazitives Reaktanzelement aus der Phasenspannung einer der beiden vom Erdschluß nicht betroffe­ nen Phasenleiter am Sternpunkt des Netzes ein gegen den komplexen Fehler- bzw. Ableitstrom phasenverschobener Kompensationsstrom zusätzlich zu dem in dem induktiven Kompensationselement erzeugten Kompensationsstrom erzeugt werden kann. Hierbei kann erreicht werden, daß die Ohm′sche Stromkomponente dieses zusätzlichen Kompensationsstroms um 180° gegen die Ohm′sche Stromkomponente des Fehlerstroms verschoben ist, die Ohm′sche Stromkomponente des Fehlerstroms also vollständig kompensiert. Die von dem Reaktanzelement neben der kompensierenden Ohm′schen Stromkomponente erzeugte Blindstromkomponente wird ihrerseits durch eine zusätzliche Veränderung des induktiven Blindwiderstands des Kompensa­ tionselements kompensiert. Die Erfindung erlaubt also die vollständige Kompensation komplexer Ableit- bzw. Fehlerströme ausschließlich mit passiven Bauelementen. Die zur Kompensa­ tion erforderliche elektrische Leistung muß nicht einem Hilfsnetz entnommen werden, sondern kann aus dem zu kom­ pensierenden Netz unmittelbar zugeführt werden.

Soweit es sich bei dem Reaktanzelement um ein induktives Reaktanzelement handelt, wird es im Erdschlußfall mit der zur erdschlußbehafteten Phasenleitung in der Phase nacheilenden Phasenleitung verbunden. Im Falle eines kapazitiven Reaktan­ zelements wird dieses bei Erdschluß der einen Phasenleitung mit der dieser einen Phasenleitung in der Phase voreilenden Phasenleitung verbunden.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Reaktanzel­ ement zwei transformatorisch miteinander gekoppelte Wick­ lungen, von denen eine erste, mit Erde verbundene Wicklung über mehrere einpolige Schalter wahlweise mit einer der Phasenleitungen des Netzes verbindbar ist, während an eine zweite dieser Wicklungen zur Steuerung des Blindwiderstands des Reaktanzelements über mehrere Steuerschaltung Kondensato­ ren einzeln oder/und in Gruppen anschließbar sind. Soweit es sich um ein induktives Reaktanzelement handelt, können die beiden Wicklungen durch eine Spule mit Hilfswicklung reali­ siert werden, wobei der induktive Blindwiderstand der Spule durch die an die Hilfswicklung angeschlossenen Kondensatoren verändert werden kann. Bei einem kapazitivem Reaktanzelement bilden die beiden Wicklungen zweckmäßigerweise einen Ein­ phasentransformator, der die Kapazität der Kondensatoren entsprechend dem Übersetzungsverhältnis der beiden Wicklungen transformiert, so daß das solchermaßen aufgebaute Reaktanz­ element kapazitiven Blindwiderstand hat. In jedem Fall werden zum Schalten der Kondensatoren jedoch nur für vergleichsweise niedrige Spannungen (400 V) ausgelegte Schalter und für entsprechende Spannungen bemessene Kondensatoren benötigt, was den Konstruktionsteileaufwand weiter mindert. Die Kondensatoren haben zweckmäßigerweise entsprechend einer geometrischen Reihe gestufte Kapazitäten, so daß mit einigen wenigen Kondensatoren eine sehr eng gestufte Kapazitäts­ variation möglich ist.

Bei dem Kompensationselement handelt es sich bevorzugt um eine Spule mit einer transformatorisch an die Spule gekoppel­ ten Leistungshilfswicklung, wobei an die Leistungshilfswick­ lung zur Steuerung des Blindwiderstands des Kompensations­ elements über mehrere Steuerschalter mehrere Kondensatoren einzeln oder/und in Gruppen anschließbar sind. Die zur Änderung des induktiven Blindwiderstands vorgesehenen Kondensatoren haben wiederum entsprechend einer geometrischen Reihe gestufte Kapazitäten und können sowohl zur Grundein­ stellung des Blindwiderstands der Spule als auch zu der im Erdschlußfall notwendigen Veränderung des induktiven Blindwi­ derstands herangezogen werden. Es versteht sich, daß die Grundeinstellung jedoch auch durch andere Maßnahmen vor­ gegeben werden kann, beispielsweise indem die Spule als Tauchkernspule mit änderbarem Luftspalt ausgebildet wird. Die das Kompensationselement bildende Spule kann aber auch so ausgebildet sein, daß sie mehrere auf einem gemeinsamen mehrschenkeligen Kern angeordnete, mit Erde verbundene Schenkelwicklungen umfaßt, die über Steuerschalter einzeln oder/und in Gruppen zur Steuerung des Blindwiderstands des Kompensationselements parallel geschaltet werden können.

Die Kondensatoren des Kompensationselements können von den Kondensatoren des Reaktanzelements verschieden sein, was allerdings den Beschaltungsaufwand erhöht. Zu einer besonders einfachen Gestaltung kommt man, wenn die Steuerschalter und Kondensatoren dem Reaktanzelement und dem Kompensations­ element gemeinsam zugeordnet sind und die Steuerschalter als Umschalter ausgebildet sind, die die Kondensatoren wechsel­ weise entweder mit der Leistungshilfswicklung der Spule oder der zweiten Wicklung des Reaktanzelements verbinden. Um zu erreichen, daß einer Änderung der Blindstromkomponente des Ableitstroms des Reaktanzelements eine gleich große Änderung der Blindstromkomponente des durch den Erdschluß verursachten Fehlerstroms gegenübersteht, ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen, daß das Übersetzungsverhältnis der zweiten Wicklung des Reaktanzelements zu dessen erster Wicklung oder/und das Übersetzungsverhältnis der Leistungs­ hilfswicklung der Spule so gewählt sind, daß sich beim Umschalten von Kondensatoren mittels der Steuerschalter gleich große Änderungen der Blindstromkomponenten des Ableitstroms des Reaktanzelements und des induktiven Kom­ pensationsstroms des Kompensationselements ergeben. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Blindleistung des Reaktan­ zelements und des Kompensationselements gleich groß ist.

Das Kompensationselement kann, wie bereits erwähnt, als Spule mit mehreren auf einem gemeinsamen mehrschenkeligen Kern angeordneten, mit Erde verbundenen Schenkelwicklungen ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise ist eine erste dieser Schenkelwicklungen fest mit dem Sternpunkt des Netzes verbunden und wenigstens eine zweite, insbesondere mehrere zweite Schenkelwicklungen sind über Steuerschalter der ersten Schenkelwicklung zur Steuerung des Blindwiderstands des Kompensationselements einzeln oder/und in Gruppen parallel schaltbar. Die induktiven Blindwiderstände der zweiten Schenkelwicklungen sind zweckmäßigerweise gestuft, ins­ besondere entsprechend einer geometrischen Reihe, so daß mit einigen wenigen Schenkelwicklungen, beispielsweise drei zweiten Schenkelwicklungen eine Vielzahl Grobabstufungen der Gesamtimpedanz des Kompensationselements erreicht werden können. Die Grobabstufungen sind so bemessen, daß sich durch die vorstehend erläuterte kapazitive Feinabstufung ein in sehr kleinen Widerstandsstufen änderbarer induktiver Blindwi­ derstand ergibt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens eine der zweiten Schenkelwicklungen über Schalter wechselweise entweder der ersten Schenkelwicklung parallel schaltbar oder zur Bildung eines induktiven Reaktanzelements mit einer der Phasenleitungen verbindbar. Da eine der Schenkelwicklungen doppelt ausgenutzt wird, verringert sich der Konstruktions­ aufwand erheblich.

Die das Reaktanzelement bildende zweite Schenkelwicklung hat bevorzugt eine mit der ersten Schenkelwicklung verbindbare Anzapfung. Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, daß diese Schenkelwicklung im Normalbetrieb auf Sternpunkt­ potential liegt, während sie im Erdschlußfall an der höheren verketteten Spannung der Phasenleitung liegt. Das Verhältnis der Gesamtwindungszahl der mit der Phasenleitung verbindbaren zweiten Schenkelwicklung zur Windungszahl der Anzapfungswick­ lung beträgt zweckmäßigerweise etwa 1,5. Der die angezapfte Schenkelwicklung tragende Kernschenkel trägt zur Steuerung des Blindwiderstands dieser Schenkelwicklung im Erdschlußfall eine transformatorisch mit der angezapften Schenkelwicklung gekoppelte Leistungshilfswicklung, die die vorstehend erwähnte zweite Wicklung des Reaktanzelements bildet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird bei ungestörtem Netzbetrieb die transformatorische Kopplung der Wicklungen des Reaktanzelements zur Erzeugung einer Unsymmetrie in dem Netz ausgenutzt, durch die die Grundabstimmung des induktiven Kompensationselements erleichtert wird. Hierzu ist die zweite Wicklung des Reaktanzelements bei ungestörtem Netzbetrieb mit einem kalibrierten Impedanzelement verbindbar, während die erste Wicklung, gesteuert von einer Rechen- und Steuer­ schaltung, über die einpoligen Schalter nacheinander mit jeder einzelnen Phasenleitung des Netzes verbunden wird. Die Rechen- und Steuerschaltung stellt abhängig von der durch das Impedanzelement in dem Netz erzeugten Unsymmetrie das induktive Kompensationselement auf einen Grundwert ein. Die Methoden, nach welchen die Rechen- und Steuerschaltung hierbei arbeitet, können herkömmlich sein.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Kompensa­ tion von Erdschlußströmen in einem mehrphasigen Mittelspannungs-Leitungsnetz;

Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Variante der Anordnung nach Fig. 1 und

Fig. 4 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Anordnung nach Fig. 3.

Fig. 1 zeigt Phasenleitungen R, S und T eines Drehstrom- Mittelspannungsnetzes, das aus einem Transformator 1 mit Primärwicklungen 3 und an die Phasenleitungen R, S und T angeschlossenen Sekundärwicklungen 5 gespeist wird. Die Phasenleitungen R, S und T haben Streukapazitäten C_R, C_S und C_T, die im Falle eines Erdschlusses einer der Phasenleitun­ gen, hier der Phasenleitung T, angedeutet durch einen Pfeil 7 zu komplexen, d. h. aus einer Ohm′schen Stromkomponente I_Er und einer kapazitiven Blindkomponente I_Eb bestehenden Fehler­ strömen an dem erdschlußbehafteten Phasenleiter T und damit zu Lichtbogen an dem Phasenleiter T führen können. Der Lichtbogen kann zu einer dauerhaften Zerstörung des Phasen­ leiters T und gegebenenfalls der übrigen, zunächst nicht betroffenen Phasenleiter R und S führen.

Um die kapazitive Blindstromkomponente des durch Erdschluß hervorgerufenen Fehlerstroms geringzuhalten, ist an einen Sternpunkt des Netzes, hier den Verbindungspunkt 9 der Sekundärwicklungen 5 des Transformators 1 eine regelbare Löschspule 11 angeschlossen, die den Sternpunkt 9 hochohmig mit der bei 13 angedeuteten Erde verbindet. Die Kompensa­ tionsspule 11 erzeugt einen induktiven Kompensationsstrom I_Sp, der die kapazitive Blindstromkomponente I_Eb des Fehlerstroms kompensiert. Die Induktivität der Kompensationsspule 11 bildet zusammen mit den Streukapazitäten C_R, C_S und C_T einen Parallelresonanzkreis, der im wesentlichen bei seiner Resonanzfrequenz betrieben wird und sicherstellt, daß der induktive Kompensationsstrom I_Sp der Kompensationsspule 11 und der kapazitive Fehlerstrom I_Eb der Streukapazitäten C_R, C_S und C_T im wesentlichen gleich ist. Um die Kompensationsspule 11 zumindest angenähert auf die Resonanzfrequenz einstellen zu können, ist sie als regelbare Spule ausgebildet. Zur Ein­ stellung ist eine bei 15 angedeutete Rechen- und Regel­ schaltung vorgesehen, die in an sich bekannter Weise auf meßbare Parameter, wie zum Beispiel Verlagerungsspannung, Unsymmetrie und Verstimmungsgrad, anspricht und aufgrund gemessener oder errechneter Werte die Größe des erforderli­ chen induktiven Spulenstroms I_Sp oder der Induktivität der Kompensationsspule 11 errechnet und die Kompensationsspule 11 über eine Steuerung 17 dementsprechend einstellt. Die Grundeinstellung der Kompensationsspule 11, wird im darge­ stellten Ausführungsbeispiel unter Zuhilfenahme einer an die Kompensationsspule 11 transformatorisch angekoppelten Leistungshilfswicklung 19 durchgeführt, an die über Schalter S₁ bis S_N einseitig geerdete Kondensatoren C₁ bis C_N einzeln oder in Gruppen, jedoch zueinander parallel anschließbar sind. Die Kapazitätswerte der Kondensatoren C₁ bis C_N sind entsprechend einer geometrischen Reihe gestuft, so daß durch geeignete Auswahl der Kondensatoren und entsprechende Steuerung der Schalter S₁ bis S_N ein feingestufter Kapazitäts­ wert parallel zur Leistungshilfswicklung 19 zu liegen kommt. Die Leistungshilfswicklung 19 erlaubt auf diese Weise eine Feinabstufung der Kompensationsspule 11. Es versteht sich, daß mittels der Kondensatoren C₁ bis C_N und der Leistungs­ hilfswicklung 19 alternativ auch eine Grobabstimmung der Spule durchgeführt werden kann, so daß gegebenenfalls die Kompensationsspule 11 auch als nicht variable Spule ausgebil­ det sein kann. Die Schalter S₁ bis S_N werden von der Steuerung 17 geschaltet.

Um nicht nur die kapazitive Blindstromkomponente I_Eb der Fehlerströme kompensieren zu können, ist ein allgemein mit 21 bezeichnetes Reaktanzelement, hier ein Reaktanzelement mit kapazitivem Blindwiderstand, vorgesehen, das einerseits mit Erde 13 verbunden ist und andererseits über je einen für sich schaltbaren, einpoligen Schalter S_R, S_S und S_T wahlweise mit je einer der Phasenleitungen R, S oder T verbindbar ist. Im Erdschlußfall wird das kapazitive Reaktanzelement 21 mit der jeweils der erdschlußbehafteten Phase in ihrer Phase vor­ eilenden Phasenleitung durch Schließen des einpoligen Schalters verbunden, im Fall des Erdschlusses an der Phasen­ leitung T also durch Schließen des Schalters S_R mit der Phasenleitung R. Der damit zwischen der Phasenleitung R und Erde 13 fließende komplexe Ausgleichstrom I_C, dessen Ohm′sche Komponente I_Cr um 180° gegen die Ohm′sche Komponente I_Er des aufgrund des Erdschlusses fließenden Fehlerstroms phasenver­ schoben ist (Fig. 2). Die Größe der Ohm′schen Komponente I_Cr wird durch den Amplitudenwert des bezogen auf die durch den Erdschluß in der Kompensationsspule 11 auftretenden Stern­ punktspannung U₀ hervorgerufenen komplexen auf, bezogen auf die Phase der Phasenleitung R jedoch kapazitiven Strom bestimmt. Um die Amplitude der Ohm′schen Stromkomponente I_Cr gleich der Ohm′schen Fehlerstromkomponente I_Er anpassen zu können, umfaßt das Reaktanzelement 21 einen Einphasentrans­ formator 23, dessen Sekundärwicklung die Schalter S_R, S_S und S_T mit Erde 13 verbindet und an dessen Primärwicklung 27 zur Steuerung des kapazitiven Blindwiderstands des Reaktanzel­ ements 21 die Kondensatoren C₁ bis C_N einzeln oder in Gruppen, jedoch jeweils parallel, anschließbar sind. Die Schalter S₁ bis S_N sind hierbei als Umschalter ausgebildet, die die Kondensatoren C₁ bis C_N, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, jeweils wechselweise entweder mit der Primärwicklung 27 oder der Leistungshilfswicklung 19 verbinden. In jedem Fall wird jedoch durch Variation der zueinander parallel an die Primärwicklung 27 angeschlossenen Kondensatoren C₁ bis C_N erreicht, daß die Ohm′sche Stromkomponente I_Cr, die das Reaktanzelement 21 erzeugt, der Ohm′schen Stromkomponente I_Er des Fehlerstroms entgegengesetzt gleich ist und an der Fehlerstelle die Ohm′sche Stromkomponente I_Er des Fehlerstroms kompensiert.

Wie Fig. 2 ferner zeigt, erzeugt das Reaktanzelement 21 jedoch eine kapazitive Blindstromkomponente I_Cb, die die kapazitive Blindstromkomponente I_Eb des durch den Erdschluß entstehenden Fehlerstroms erhöht. Die Regel- und Rechen­ schaltung 15 steuert die Kompensationsspule 11 über die Schalter S₁ bis S_N, jedoch so, daß in der Kompensationsspule 11 ein um den Differenzwert ΔI_Sp = I_Cb höherer induktiver Kompensationsstrom fließt. Auf diese Weise wird zusätzlich zu den kapazitiven Ableitströmen auch der durch das Reaktanzele­ ment 21 bewirkte zusätzliche kapazitive Ableitstrom I_Cb kompensiert. Im Endeffekt wird jedoch der aufgrund des Erdschlusses fließende Fehlerstrom sowohl hinsichtlich seiner Ohm′schen Stromkomponente als auch seiner kapazitiven Blindstromkomponente im wesentlichen vollständig durch passive Bauelemente, die noch dazu unmittelbar aus dem Mittelspannungsnetz gespeist werden, kompensiert.

Um zu erreichen, daß sich der kapazitive Ableitstrom I_Cb und der induktive Differenzstrom Δ_Sp gleichsinnig und um gleiche Werte ändert, wenn Kondensatoren C₁ bis C_N mittels der Umschalter S₁ bis S_N durch Umschalter wechselweise mit der Leistungshilfswicklung 19 oder der Primärwicklung 27 wie folgt bemessen:
Wie Fig. 2 zeigt, ist die kapazitive Stromkomponente I_Cb des Ableitstroms gleich dem Betrag I_C · cos30°, d. h. 0,866 I_C. Andererseits muß die von dem Einphasentransformator 23 übertragene Leistung gleich dem 1,73fachen der transformato­ risch zwischen der Leistungshilfswicklung 19 und der Kom­ pensationsspule 11 übertragenen Leistung sein, da der Einphasentransformator 23 an der verketteten Spannung liegt, während die Kompensationsspule 11 die Phasenspannung führt. Gleiche Kapazitätsänderung vorausgesetzt, muß sich deshalb das Quadrat des Übersetzungsverhältnisses des Einphasentrans­ formators 23 zum Quadrat des durch die Leistungshilfswicklung 19 zur Kompensationsspule 11 bewirkten Übersetzungsverhält­ nisses wie 2 : 1 verhalten. In der Praxis führt dies dazu, daß die Kondensatoren C₁ bis C_N wie auch die Umschalter S₁ bis S_N auf Niederspannungsniveau von beispielsweise 400 V liegen im Vergleich zu einem Mittelspannungsniveau von 10 bis 20 000 V.

Fig. 1 zeigt die Anordnung im Falle eines Erdschlusses. Bei störungsfreiem Netz sind die einpoligen Schalter S_R, S_S und S_t sämtlich geöffnet, und auch ein den Einphasentransformator 23 mit den Umschaltern S₁ bis S_N verbindender Steuerschalter S_E ist geöffnet. Die Regel- und Rechenschaltung 15 schließt im Erdschlußfall wie erläutert den der voreilenden Phasenlei­ tung zugeordneten einpoligen Schalter, wie auch den Steuer­ schalter S_E.

Für die Grundeinstellung der Kompensationsspule 11 im störungsfreien Netzbetrieb ist der Primärwicklung 27 des Einphasentransformators 23 mittels eines Steuerschalters S_K eine kalibrierte Impedanz Z_K parallel schaltbar. Die kali­ brierte Impedanz Z_K wird unter der Steuerung der Regel- und Rechenschaltung 15 aufeinanderfolgend durch Schließen von je einem der einpoligen Schalter S_R, S_S und S_T mit den einzelnen Phasenleitungen R, S und T verbunden und erzeugt hierdurch definierte Unsymmetrien in dem Netz. Der Schalter S_E ist hierbei geöffnet. Die Regel- und Rechenschaltung 15 sorgt, wie vorstehend erläutert, für eine Resonanzabstimmung der Kompensationsspule 11, bei der der induktive Spulenstrom I_Sp der kapazitiven Fehlerstromkomponente I_Eb angeglichen wird. Auch für die Einführung der gezielten Unsymmetrie in das Netz sind keine zusätzlichen aktiven, steuerbaren Stromquellen erforderlich. Auch hier wird die benötigte Leistung durch passive Bauelemente aus dem Mittelspannungsnetz direkt abgeleitet.

Fig. 3 zeigt eine Variante der Anordnung nach Fig. 1, die sich von der Anordnung nach Fig. 1 in erster Linie dadurch unterscheidet, daß anstelle eines kapazitiven Reaktanzel­ ements ein induktives Reaktanzelement zur Kompensation benutzt wird. Gleichwirkende Komponenten sind in Fig. 3 mit den Bezugszahlen bzw. Bezugszeichen aus Fig. 1 bezeichnet. Zur Erläuterung der Schaltung und ihrer Wirkungsweise wird auf die vorangegangene Beschreibung der Fig. 1 und 2 Bezug genommen.

Die Kompensationsspule 11 ist als mehrschenkelige Kompensa­ tionsspule ausgebildet, die auf einem gemeinsamen mehr­ schenkeligen Kern 29 eine erste fest mit Erde 13 und dem Sternpunkt 9 verbundene Schenkelwicklung 31 sowie mehrere, beispielsweise drei zweite Schenkelwicklungen L₁, L₂ bis L_N umfaßt. Die induktiven Blindwiderstände der Schenkelwick­ lungen L₁, L₂ bis L_N sind gestuft, beispielsweise in Form einer geometrischen Reihe und können, gesteuert von der Regel- und Rechenschaltung 15, einzeln oder/und in Gruppen mittels Steuerschalter S′₁, S′₂ bis S′_N der ersten Schenkel­ wicklung 31 parallel geschaltet werden. Auf diese Weise läßt sich der induktive Blindwiderstand in Grobstufen verändern.

Eine der Schenkelwicklungen, hier die Schenkelwicklung L₁, hat eine Anzapfung 33, die über den Schalter S′₁ mit der Sternpunktseite der Schenkelwicklung 31 verbindbar ist. Die erdseitenferne Seite der Schenkelwicklung L₁ ist über die einpoligen Schalter S_R, S_S bzw. S_T wahlweise mit einer der Phasenleitungen R, S bzw. T im Erdschlußfall verbindbar. Der Schalter S′₁ einerseits und die Schalter S_R, S_S und S_T andererseits sind gegenseitig verriegelt, so daß die Schen­ kelwicklung L₁ nur entweder mit der Schenkelwicklung 31 oder einer der Phasenleitungen R, S, T verbunden werden kann. Im Normalbetrieb wird die Schenkelwicklung L₁ zur Grobabstimmung des Kompensationselements 11 ausgenutzt, während im Erd­ schlußfall die Schenkelwicklung L₁ Bestandteil des induktiven Reaktanzelements 21 ist.

Auf dem Kernschenkel der Schenkelwicklung 31 sitzt, wie dies anhand von Fig. 1 bereits erläutert wurde, die Leitungshilfs­ wicklung 19, während auf dem Kernschenkel der Schenkelwick­ lung L₁ zusätzlich eine Leistungshilfswicklung 35 angeordnet ist. Die Leistungshilfswicklungen 19 und 35 sind über Umschalter S₁, S₂ bis S_N mit in ihren Kapazitätswerten entsprechend einer geometrischen Reihe gestuften Kondensato­ ren C₁, C₂ bis C_N wechselweise verbindbar, um die induktiven Blindwiderstände der Schenkelwicklungen 31 und L₁ in Fein­ stufen variieren zu können. Im Normalbetrieb sind die Kondensatoren C₁, C₂ bzw. C_N mit der Leistungshilfswicklung 19 der Schenkelwicklung 31 verbunden und justieren den indukti­ ven Blindwiderstand des Kompensationselements 11. Im Erd­ schlußfall bestimmen sie über die Leistungshilfswicklung 35 der Schenkelwicklung L₁ den induktiven Blindwiderstand des Reaktanzelements 21.

Fig. 4 zeigt analog zu Fig. 2 ein Phasendiagramm der kom­ plexen Ströme im Falle eines Erdschlusses der Phasenleitung T. Mit I_Sp ist der von dem durch die Schenkelwicklung 31 und gegebenenfalls den Schenkelwicklungen L₁ bis L_N erzeugte induktive Kompensationsstrom bezeichnet, der die durch die Streukapazitäten C_R, C_S und C_T hervorgerufene kapazitive Blindstromkomponente I_EB des Fehlerstroms kompensiert. Im Erdschlußfall ist die Schenkelwicklung L₁ durch Öffnen des Steuerschalters S′₁ und Schließen eines der einpoligen Schalter S_R, S_S oder S_T, hier des Schalters S_S mit der in der Phase zur erdschlußbehafteten Phasenleitung voreilenden Phasenleitung, hier der Phasenleitung S, verbunden. Durch die Schenkelwicklung L₁ fließt damit der komplexe Ausgleichsstrom I_L, dessen Ohm′sche Stromkomponente I_Lr um 180° gegen die Ohm′sche Komponente I_Er des Fehlerstroms phasenverschoben ist. Die Größe der Ohm′schen Komponente I_Lr wird durch den Amp­ litudenwert des bezogen auf die durch den Erdschluß in dem Kompensationselement 11 auftretenden Sternpunktspannung U₀ hervorgerufenen und bezogen auf die Phase der Phasenleitung S induktiven Strom bestimmt. Die Amplitude der Ohm′schen Stromkomponente I_Lr wird durch geeignete Auswahl der Kon­ densatoren C₁ bis C_N mittels der Steuerschalter S₁ bis S_N werden so gesteuert, daß die Ohm′schen Stromkomponenten I_Lr und I_Er sich gegenseitig kompensieren.

Die von dem Reaktanzelement 21 erzeugte induktive Blindstrom­ komponente I_Lb mindert, wie Fig. 4 zeigt, die kapazitive Blindstromkomponente I_Eb des durch den Erdschluß entstehenden Fehlerstroms. Die Regel- und Rechenschaltung 15 steuert über die als Umschalter ausgebildeten Steuerschalter S₁ bis S_N den induktiven Blindwiderstand des Kompensationselements 11 so, daß in der Schenkelwicklung 31 ein um den Differenzwert ΔI_Sp = I_Lb niedrigerer induktiver Kompensationsstrom fließt. Auch hier wird also zusätzlich zu den kapazitiven Ableitströmen auch der durch das Reaktanzelement 21 bewirkte zusätzliche induktive Ableitstrom I_Lb kompensiert. Insgesamt kann auf diese Weise der komplexe Fehlerstrom einschließlich seiner Ohm′schen Stromkomponente im wesentlichen vollständig kompensiert werden.

Da die Schenkelwicklung L₁ sowohl für die Grobeinstellung des induktiven Blindwiderstands des Kompensationselements im Normalbetrieb als auch als induktives Reaktanzelement ausgenutzt wird, ist das Verhältnis der Gesamtwindungszahl der Schenkelwicklung L₁ zu dem zwischen Erde 13 und der Anzapfung 33 liegenden Anzapfungs-Teilwicklung etwa wie 1,5 : 1 gewählt. Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, daß die Schenkelwicklung L₁ im Normalfall, d. h. bei ungestörtem Netz, auf Phasenspannung liegt, während im Erdschlußfall die verkettete Spannung anliegt. Es wird sichergestellt, daß auch bei der höheren Spannung der Kernschenkel der Schenkelwick­ lung L₁ nicht in der Sättigung betrieben wird, d. h. auch im Erdschlußfall stets der im Eisenkreis vorgesehene Luftspalt des Kompensationselements 11 den magnetischen Widerstand bestimmt. Der Kernschenkel der Schenkelwicklung L₁ ist, verglichen mit herkömmlichen mehrschenkeligen Kompensations­ spulen dementsprechend überdimensioniert.

Das Quadrat des Übersetzungsverhältnisses der Leistungshilfs­ wicklung 35 zur gesamten Schenkelwicklung L₁ verhält sich zum Quadrat des Übersetzungsverhältnisses der Leistungshilfswick­ lung 19 zur Schenkelwicklung 31 wie 2 : 1, wie dies anhand des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 bereits erläutert wurde. Es versteht sich, daß auch in der Anordnung nach Fig. 3 zur Bestimmung der Netzparameter eine definierte Unsymmetrie mit Hilfe einer kalibrierten Impedanz Z_K eingeführt werden kann, wie dies anhand von Fig. 1 bereits erläutert wurde.

Claims (17)

1. Anordnung zur Erdschluß-Stromkompensation eines mehr­ phasigen elektrischen Leitungsnetzes, insbesondere eines Mittelspannungsnetzes, umfassend:

• - ein steuerbares, zwischen einem Sternpunkt (9) des Netzes und Erde angeschlossenes, passives Kom­ pensationselement (11) mit induktiver Reaktanz zur Erzeugung eines kapazitive Stromkomponenten von bei Erdschluß einer der Phasenleitungen (R, S, T) des Netzes auftretenden Fehlerströmen kompensie­ renden, induktiven Kompensationsstroms,
• - Kompensationsmittel (21) zur Kompensation Ohm′scher Stromkomponenten der Fehlerströme und
• - Steuermittel (15, 17) zur Steuerung des induktiven Kompensationsstroms des Kompensationselements (11),

dadurch gekennzeichnet, daß
die Kompensationsmittel ein mit Erde verbundenes, bei Erdschluß der einen Phasenleitung mit einer in vor­ bestimmter Phasenlage zu dieser einen Phasenleitung stehenden anderen Phasenleitung des Netzes verbindbares, passives Reaktanzelement (21) umfassen, dessen Ableit­ strom eine die Ohm′sche Stromkomponente des Fehlerstroms kompensierende Ohm′sche Stromkomponente sowie eine Blindstromkomponente hat, und
daß die Steuermittel (15, 17) bei Erdschluß den indukti­ ven Kompensationsstrom des Kompensationselements (11) um einen die Blindstromkomponente des Ableitstroms des Reaktanzelements kompensierenden Differenzwert ver­ ändern.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktanzelement (21) ein kapazitives Reaktanzelement ist und bei Erdschluß der einen Phasenleitung mit der dieser einen Phasenleitung in der Phase voreilenden Phasenleitung verbindbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktanzelement (21) ein induktives Reaktanzelement ist und bei Erdschluß der einen Phasenleitung mit der dieser einen Phasenleitung in der Phase nacheilenden Phasenleitung verbindbar ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement (11) als Spule mit einer transformatorisch an die Spule gekoppel­ ten Leistungshilfswicklung (19) ausgebildet ist und an die Leistungshilfswicklung (19) zur Steuerung des Blindwiderstands des Kompensationselements (11) über mehrere Steuerschalter (S₁-S_N) mehrere Kondensatoren (C₁-C_N) einzeln oder/und in Gruppen anschließbar sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktanzelement (21) zwei transformatorisch miteinander gekoppelte Wicklungen (25, 27; L₁, 35) umfaßt, von denen eine erste, mit Erde verbundene Wicklung (25; L₁) über mehrere einpolige Schalter (S_R, S_S, S_T) wahlweise mit einer der Phasenlei­ tungen (R, S, T) des Netzes verbindbar ist, während an eine zweite (27; 35) dieser Wicklungen zur Steuerung des Blindwiderstands des Reaktanzelementes (21) über mehrere Steuerschaltung (S₁ . . . S_N) Kondensatoren (C₁ . . . C_N) einzeln oder/und in Gruppen anschließbar sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kondensatoren (C₁-C_N) entsprechend einer geometrischen Reihe gestufte Kapazitäten haben.

7. Anordnung nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschalter (S₁- S_N) und Kondensatoren (C₁-C_N) dem Reaktanzelement (21) und dem Kompensationselement (11) gemeinsam zugeordnet sind und daß die Steuerschalter (S₁-S_N) als Umschalter ausgebildet sind, die die Kondensatoren (C₁-C_N) wechselweise entweder mit der Leistungshilfswick­ lung (19) der Spule oder der zweiten Wicklung (27; 35) des Reaktanzelements (21) verbinden.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis der zweiten Wicklung (27; 35) des Reaktanzelements zu dessen erster Wicklung oder/und das Übersetzungsverhältnis der Leistungshilfswicklung (19) der Spule zur Spule so gewählt sind, daß sich beim Umschalten von Kondensatoren (C₁-C_N) mittels der Steuerschalter (S₁-S_N) gleich große Änderungen der Blindstromkomponente des Ableitstroms des Reaktanzel­ ements (21) und des induktiven Kompensationsstroms des Kompensationselements (11) ergeben.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement (11) als Tauchkernspule mit veränderbarem Luftspalt ausgebildet ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationselement (11) als Spule mit mehreren auf einem gemeinsamen mehrschenkeli­ gen Kern (29) angeordneten, mit Erde verbundenen Schenkel-Wicklungen (31, L₁ . . . L_N) ausgebildet ist, von denen eine erste Schenkelwicklung (31) fest mit dem Sternpunkt (9) des Netzes verbunden ist, und wenigstens eine zweite, insbesondere mehrere zweite Schenkelwick­ lungen (L₁ . . . L_N) über Steuerschalter (S₁ . . . S_N) der ersten Schenkelwicklung (31) zur Steuerung des Blindwi­ derstands des Kompensationselements (11) einzeln oder/und in Gruppen parallel schaltbar sind.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine (L₁) der zweiten Schenkelwicklungen über Schalter (S′₁, S_R, S_S, S_T) wechselweise entweder der ersten Schenkelwicklung (31) parallel schaltbar oder zur Bildung eines induktiven Reaktanzelements (21) mit einer der Phasenleitungen (R, S, T) verbindbar ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die das Reaktanzelement (21) bildende zweite Schenkel­ wicklung (L₁) eine mit der ersten Schenkelwicklung (31) verbindbare Anzapfung (33) hat.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Gesamtwindungszahl der mit der Phasenleitung (R, S, T) verbindbaren zweiten Schenkel­ wicklung (L₁) zur Windungszahl der Anzapfungswicklung etwa 1,5 beträgt.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der die angezapfte Schenkelwicklung (L₁) tragende Kernschenkel zur Steuerung des Blindwiderstands eine transformatorisch mit der angezapften Schenkelwicklung (L₁) gekoppelte Leistungshilfswicklung (35) trägt.

15. Anordnung nach Anspruch 5 in Verbindung mit einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktanzelement (21) als Einphasentransformator (23) ausgebildet ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung (27; 35) des Reaktanzelements (21) bei ungestörtem Netzbetrieb mit einem kalibrierten Impedanzelement (Z_K) verbindbar ist und die erste Wicklung (25; L₁) des Reaktanzelements (21), gesteuert von einer Rechen- und Steuerschaltung (15, 17), über die einpoligen Schalter (S_R, S_S, S_T) nacheinander mit jeder Phasenleitung (R, S, T) ver­ bindbar ist und daß die Rechen- und Steuerschaltung (15, 17) abhängig von der durch das Impedanzelement (Z_K) in dem Netz erzeugten Unsymmetrie das induktive Kompensa­ tionselement (11) voreinstellt.