DE19525417C2 - Anordnung zur Erdschluß-Stromkompensation eines mehrphasigen elektrischen Leitungsnetzes - Google Patents
Anordnung zur Erdschluß-Stromkompensation eines mehrphasigen elektrischen LeitungsnetzesInfo
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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Landscapes
- Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
- Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
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 (Ableitungsströme) 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 kapazi
tive Ableitströme, beispielsweise in der Größenordnung
mehrerer 100 A. In solchen Netzen liegen die kompensierten
Ableitströme in der Regel immer noch über der zur Selbst
löschung von Lichtbogen führenden Stromgrenze. Selbst wenn
ein zur Funkenlöschung ausreichender Kompensationsgrad
erreicht wird, neigen Kabelnetze zum Rückzünden des Licht
bogens, 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 verhin
dern. Bei Rückzünden des Lichtbogens 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 erläutertern
nachteiligen Effekte und erschweren die Funkenlöschung.
Aus dem Firmenprospekt "Regelbare Erdschluß-Löschspule für
Erdschluß-Schutzanlage (System Swedish-Neutral)" der Firma
Starkstrom-Gerätebau GmbH, Druckschrift BD 01/94 oder aus EP 164 321 B1 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 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 Erde 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 Mittelspannungs-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 "Messung der Parameter eines kom
pensierten Netzes durch Injektion eines Stromes in den
Sternpunkt", Elektrizitätswirtschaft, Jg. 93 (1994), Heft 22,
Seiten 1371-1376 sowie FR 2 697 341 A1 ist es bekannt, in den
Sternpunkt eines durch eine Kompensationsspule kompensierten
Netzes einen Meßstrom zu injizieren und in diesem Zustand die
für die Resonanzabstimmung der Kompensationsspule erforderli
chen Grundparameter des Netzes zu ermitteln. Ähnliche Über
wachungsverfahren sind aus EP 235 145 A1 (WO 86/03350 A1) be
kannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Erdschluß-
Stromkompensation eines mehrphasigen elektrischen Leitungs
netzes, insbesondere eines Mittelspannungsnetzes, gemäß der
EP-0 164 321 B1 so weiterzuentwickeln, daß mit geringem
Konstruktionsteileaufwand eine im wesentlichen vollständige
Kompensation von Erdschluß-Fehlerströmen ermöglicht wird.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Patent
anspruch 1 angegeben.
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 kapazitives
Reaktanzelement handelt, wird es im Erdschlußfall gemäß
Patentanspruch 2 mit der zur erdschlußbehafteten Phasenlei
tung in der Phase voreilenden Phasenleitung verbunden. Im
Falle eines induktiven Reaktanzelements wird dieses bei
Erdschluß gemäß Patentanspruch 3 der einen Phasenleitung mit
der dieser einen Phasenleitung in der Phase nacheilenden
Phasenleitung verbunden.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Patentanspruch 5
angegeben. Das Reaktanzelement umfaßt hierbei zwei trans
formatorisch miteinander gekoppelte Wicklungen. 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 kapazitiven 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 gemäß Patent
anspruch 4 bevorzugt um eine Spule mit einer transformato
risch an die Spule gekoppelten Leistungshilfswicklung. 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
die Kondensatoren entsprechend dem Patentanspruch 7 dem
Reaktanzelement und dem Kompensationselement gemeinsam
zugeordnet sind.
In der zweckmäßigen Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 8 wird
erreicht, daß einer Änderung der Blindstromkomponente des
Ableitstroms des Reaktanzelements eine gleich große Änderung
der Blindstromkomponente des durch den Erdschluß verursachten
Fehlerstroms gegenübersteht.
Das Kompensationselement kann, wie bereits erwähnt, als Spule
mit mehreren auf einem gemeinsamen mehrschenkeligen Kern
angeordneten, mit der Erde verbundenen Schenkelwicklungen
ausgebildet sein. Eine zweckmäßige Ausgestaltung hiervon ist
in Patentanspruch 10 angegeben. Die induktiven Blindwider
stände der zweiten Schenkelwicklungen sind zweckmäßigerweise
gestuft, insbesondere 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.
Eine bevorzugte Ausgestaltung ist in Patentanspruch 11
angegeben. Da eine der Schenkelwicklungen doppelt ausgenutzt
wird, verringert sich der Konstruktionsaufwand 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
zweite Schenkelwicklung tragende Kernschenkel trägt zur
Steuerung des Blindwiderstands dieser Schenkelwicklung im
Erdschlußfall eine transformatorisch mit der angezapften
zweiten Schenkelwicklung gekoppelte Leistungshilfswicklung,
die die vorstehend erwähnte zweite Wicklung des Reaktanzele
ments 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. Diese Ausgestaltung
ist in Patentanspruch 16 angegeben. Die dort vorgesehene
Rechen- und Steuerschaltung stellt unabhängig 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
zeigen:
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 (Netz), 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 CR, CS und
CT, 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 IEr
und einer kapazitiven Blindkomponente IEb 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 IEb des durch den Erd
schluß 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 ISp,
der die kapazitive Blindstromkomponente IEb des Fehlerstroms
kompensiert. Die Induktivität der Kompensationsspule 11
bildet zusammen mit den Streukapazitäten CR, CS und CT einen
Parallelresonanzkreis, der im wesentlichen bei seiner
Resonanzfrequenz betrieben wird und sicherstellt, daß der
induktive Kompensationsstrom ISp der Kompensationsspule 11 und
der kapazitive Fehlerstrom IEb der Streukapazitäten CR, CS und
CT im wesentlichen (entgegengesetzt) gleich sind. Um die
Kompensationsspule 11 zumindest angenähert auf die Resonanz
frequenz einstellen zu können, ist sie als regelbare Spule
ausgebildet. Zur Einstellung ist eine bei 15 angedeutete
Rechen- und Regelschaltung vorgesehen, die in an sich
bekannter Weise auf meßbare Parameter, wie zum Beispiel
Verlagerungsspannung, Unsymmetrie und Verstimmungsgrad, an
spricht und aufgrund gemessener oder errechneter Werte die
Größe des erforderlichen induktiven Spulenstroms ISP oder der
Induktivität der Kompensationsspule 11 errechnet und die
Kompensationsspule 11 über eine Steuerung 17 dementsprechend
einstellt. Die Grundeinstellung der Kompensationsspule 11,
wird im dargestellten Ausführungsbeispiel unter Zuhilfenahme
einer an die Kompensationsspule 11 transformatorisch angekop
pelten Leistungshilfswicklung 19 durchgeführt, an die über
Schalter (Steuerschalter) S1 bis SN einseitig geerdete
Kondensatoren C1 bis CN einzeln oder in Gruppen, jedoch
zueinander parallel anschließbar sind. Die Kapazitätswerte
der Kondensatoren C1 bis CN sind entsprechend einer geome
trischen Reihe gestuft, so daß durch geeignete Auswahl der
Kondensatoren C1 bis CN und entsprechende Steuerung der
Schalter S1 bis SN ein feingestufter Kapazitätswert parallel
zur Leistungshilfswicklung 19 zu liegen kommt. Die Leistungs
hilfswicklung 19 erlaubt auf diese Weise eine Feinabstufung
der Kompensationsspule 11. Es versteht sich, daß mittels der
Kondensatoren C1 bis CN und der Leistungshilfswicklung 19
alternativ auch eine Grobabstimmung der Kompensationsspule 11
durchgeführt werden kann, so daß gegebenenfalls die Kom
pensationsspule 11 auch als nicht variable Spule ausgebildet
sein kann. Die Schalter S1 bis SN werden von der Steuerung 17
geschaltet.
Um nicht nur die kapazitive Blindstromkomponente IEb des
Fehlerstroms kompensieren zu können, ist ein allgemein mit 21
bezeichnetes Reaktanzelement, hier ein Reaktanzelement mit
kapazitivem Blindwiderstand, vorgesehen, das einerseits mit
der Erde 13 verbunden ist und andererseits über je einen für
sich schaltbaren, einpoligen Schalter SR, SS und ST 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 R, S oder T durch Schließen des
einpoligen Schalters SR, SS und ST verbunden, im Fall des
Erdschlusses an der Phasenleitung T also durch Schließen des
Schalters SR mit der Phasenleitung R. Der damit zwischen der
Phasenleitung R und Erde 13 fließende komplexe Ausgleichstrom
IC, dessen Ohm'sche Komponente ICr um 180° gegen die Ohm'sche
Komponente IEr des aufgrund des Erdschlusses fließenden
Fehlerstroms phasenverschoben ist (Fig. 2). Die Größe der
Ohm'schen Komponente ICr wird durch den Amplitudenwert des
bezogen auf die durch den Erdschluß in der Kompensationsspule
11 auftretenden Sternpunktspannung U0 hervorgerufenen
komplexen und, bezogen auf die Phase der Phasenleitung R,
jedoch kapazitiven Strom bestimmt. Um die Amplitude der
Ohm'schen Stromkomponente ICr gleich der Ohm'schen Fehler
stromkomponente IEr anpassen zu können, umfaßt das Reaktanz
element 21 einen Einphasentransformator 23, dessen Sekundär
wicklung 25 die Schalter SR, SS und ST mit Erde 13 verbindet
und an dessen Primärwicklung 27 zur Steuerung des kapazitiven
Blindwiderstands des Reaktanzelements 21 die Kondensatoren C1
bis CN einzeln oder in Gruppen, jedoch jeweils parallel,
anschließbar sind. Die Schalter S1 bis SN sind hierbei als
Umschalter ausgebildet, die die Kondensatoren C1 bis CN, wie
nachfolgend noch näher erläutert wird, jeweils wechselweise
entweder mit der Primärwicklung 27 oder der Leistungshilfs
wicklung 19 verbinden. In jedem Fall wird jedoch durch
Variation der zueinander parallel an die Primärwicklung 27
angeschlossenen Kondensatoren C1 bis CN erreicht, daß die
Ohm'sche Stromkomponente ICr, die das Reaktanzelement 21
erzeugt, der Ohm'schen Stromkomponente IEr des Fehlerstroms
entgegengesetzt gleich ist und dadurch an der Fehlerstelle
die Ohm'sche Stromkomponente IEr des Fehlerstroms kompensiert.
Wie Fig. 2 ferner zeigt, erzeugt das Reaktanzelement 21
jedoch auch eine kapazitive Blindstromkomponente ICb, die die
kapazitive Blindstromkomponente IEb des durch den Erdschluß
entstehenden Fehlerstroms erhöht. Die Regel- und Rechen
schaltung 15 steuert die Kompensationsspule 11 über die
Schalter S1 bis SN, jedoch so, daß in der Kompensationsspule
11 ein um den Differenzwert ΔISp = ICb höherer induktiver
Kompensationsstrom fließt. Auf diese Weise wird zusätzlich zu
den kapazitiven Ableitströmen (d. h. der kapazitiven Blind
stromkomponente IEb des Fehlerstromes) auch der durch das
Reaktanzelement 21 bewirkte zusätzliche kapazitive Ableit
strom ICb kompensiert. Im Endeffekt wird jedoch der aufgrund
des Erdschlusses fließende Fehlerstrom sowohl hinsichtlich
seiner Ohm'schen Stromkomponente IEr als auch seiner kapaziti
ven Blindstromkomponente IEb im wesentlichen vollständig durch
passive Bauelemente, die noch dazu unmittelbar aus dem
Mittelspannungsnetz gespeist werden, kompensiert.
Um zu erreichen, daß sich der kapazitive Ableitstrom ICb und
der induktive Differenzstrom ΔISp gleichsinnig und um gleiche
Werte ändern, wenn Kondensatoren C1 bis CN mittels der
Umschalter S1 bis SN durch Umschalter wechselweise mit der
Leistungshilfswicklung 19 oder der Primärwicklung 27 ver
bunden werden, ist wie folgt zu verfahren:
Wie Fig. 2 zeigt, ist die kapazitive Stromkomponente ICb des
Ableitstroms gleich dem Betrag IC . cos 30°, d. h. 0,866 IC.
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 CN wie auch die Umschalter S1 bis SN
auf Niederspannungsniveau von beispielsweise 400 V liegen im
Vergleich zu einem Mittelspannungsniveau von 10 bis 20 kV.
Fig. 1 zeigt die Anordnung im Falle eines Erdschlusses. Bei
störungsfreiem Netz sind die einpoligen Schalter SR, SS und
ST sämtlich geöffnet, und auch ein den Einphasentransformator
23 mit den Umschaltern S1 bis SN verbindender Steuerschalter
SE 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 SE.
Für die, Grundeinstellung der Kompensationsspule 11 im
störungsfreien Netzbetrieb ist der Primärwicklung 27 des
Einphasentransformators 23 mittels eines Steuerschalters SK
eine kalibrierte Impedanz ZK parallel schaltbar. Die kali
brierte Impedanz ZK wird unter der Steuerung der Regel- und
Rechenschaltung 15 aufeinanderfolgend durch Schließen von je
einem der einpoligen Schalter SR, SS und ST mit den einzelnen
Phasenleitungen R, S und T verbunden und erzeugt hierdurch
definierte Unsymmetrien in dem Netz. Der Schalter (Steuerschalter) SE ist
hierbei geöffnet. Die Regel- und Rechenschaltung 15 sorgt,
wie vorstehend erläutert, für eine Resonanzabstimmung der
Kompensationsspule 11, bei der der induktive Spulenstrom
(Kompensationsstrom) ISp der kapazitiven Fehlerstromkomponente
IEb 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 Mittel
spannungsnetz direkt entnommen.
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 Reaktanz
elements 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 der Erde 13 und dem
Sternpunkt 9 verbundene Schenkelwicklung 31 sowie mehrere,
beispielsweise drei zweite Schenkelwicklungen L1, L2 bis LN
umfaßt. Die induktiven Blindwiderstände der zweiten Schenkel
wicklungen L1, L2 bis LN 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 zweiten Schenkelwicklungen, hier die Schenkelwick
lung 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 SR, SS bzw. ST wahlweise mit einer der
Phasenleitungen R, S bzw. T im Erdschlußfall verbindbar. Der
Schalter S'1 einerseits und die Schalter SR, SS und ST
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 Leistungs
hilfswicklung 19, während auf dem Kernschenkel der Schenkel
wicklung L1 zusätzlich eine Leistungshilfswicklung 35
angeordnet ist. Die Leistungshilfswicklungen 19 und 35 sind
über Umschalter S1, S2 bis SN mit in ihren Kapazitätswerten
entsprechend einer geometrischen Reihe gestuften Kondensato
ren C1, C2 bis CN wechselweise verbindbar, um die induktiven
Blindwiderstände der Schenkelwicklungen 31 und L1 in Fein
stufen variieren zu können. Im Normalbetrieb sind die
Kondensatoren C1, C2 bis CN 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 ISp ist der von dem durch die Schenkelwicklung 31 und
gegebenenfalls den Schenkelwicklungen L1 bis LN erzeugte
induktive Kompensationsstrom bezeichnet, der die durch die
Streukapazitäten CR, CS und CT hervorgerufene kapazitive
Blindstromkomponente IEb des Fehlerstroms kompensiert. Im
Erdschlußfall ist die Schenkelwicklung L1 durch Öffnen des
Steuerschalters S'1 und Schließen eines der einpoligen
Schalter SR, SS oder ST, hier des Schalters SS mit der in der
Phase zur erdschlußbehafteten Phasenleitung nacheilenden
Phasenleitung, hier der Phasenleitung S. verbunden. Durch die
Schenkelwicklung L1 fließt damit der komplexe Ausgleichsstrom
(= Ableitstrom des induktiven Reaktanzelements 21) IL, dessen
Ohm'sche Stromkomponente ILr um 180° gegen die Ohm'sche
Stromkomponente IEr des Fehlerstroms phasenverschoben ist. Die
Größe der Ohm'schen Stromkomponente ILr wird durch den Amp
litudenwert des bezogen auf die durch den Erdschluß in dem
Kompensationselement 11 auftretende Sternpunktspannung U0
hervorgerufenen und bezogen auf die Phase der Phasenleitung
S induktiven Stroms bestimmt. Die Amplitude der Ohm'schen
Stromkomponente ILr wird durch geeignete Auswahl der Kon
densatoren C1 bis CN mittels der Steuerschalter S1 bis SN so
gesteuert, daß die Ohm'schen Stromkomponenten ILr und IEr sich
gegenseitig kompensieren.
Die von dem Reaktanzelement 21 erzeugte induktive Blindstrom
komponente ILb mindert, wie Fig. 4 zeigt, die kapazitive
Blindstromkomponente IEb des durch den Erdschluß entstehenden
Fehlerstroms. Die Regel- und Rechenschaltung 15 steuert über
die als Umschalter ausgebildeten Steuerschalter S1 bis SN den
induktiven Blindwiderstand des Kompensationselements 11 so,
daß in der Schenkelwicklung 31 ein um den Differenzwert ΔISp
= ILb niedrigerer induktiver Kompensationsstrom fließt. Auch
hier wird also zusätzlich zu den kapazitiven Ableitströmen
auch der durch das Reaktanzelement 21 bewirkte zusätzliche
induktive Ableitstrom ILb kompensiert. Insgesamt kann auf
diese Weise der komplexe Fehlerstrom einschließlich seiner
Ohm'schen Stromkomponente IEr im wesentlichen vollständig
kompensiert werden.
Da die Schenkelwicklung L1 sowohl für die Grobeinstellung des
induktiven Blindwiderstands des Kompensationselements 11 im
Normalbetrieb als auch als induktives Reaktanzelement 21
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 ZK eingeführt werden kann,
wie dies anhand von Fig. 1 bereits erläutert wurde.
Claims (16)
1. Anordnung zur Erdschluß-Stromkompensation eines mehr
phasigen elektrischen Leitungsnetzes, insbesondere eines
Mittelspannungsnetzes, umfassend:
- 1. ein Steuerbares, zwischen einem Sternpunkt (9) des Netzes und Erde (13) angeschlossenes, passives Kompensationselement (11) mit induktiver Reaktanz zur Erzeugung eines induktiven Kompensationsstroms (ISp), der kapazitive Stromkomponenten (IEb) von bei einem Erdschluß einer der Phasenleitungen (R, S, T) des Netzes auftretenden Fehlerströmen kompen siert,
- 2. Kompensationsmittel (21) zur Kompensation Ohm'scher Stromkomponenten (IEr) der beim Erdschluß auftretenden Fehlerströme und
- 3. Steuermittel (15, 17) zur Steuerung des induktiven Kompensationsstroms (ISp) des Kompensationselements (11),
- 1. die Kompensationsmittel ein passives Reaktanzel
ement (21) umfassen, das
- 1. mit einem Anschluß mit der Erde (13) ver bunden ist und
- 2. mit einem anderen Ende mit einer Phasenlei tung (R, S, T) verbunden ist, die eine vor bestimmte Phasenlage zu der Phasenlage derje nigen Phasenleitung (R, S, T), auf der der Erdschluß vorliegt, einnimmt und
- 3. dessen Ableitstrom (IC; IL) eine die Ohm'sche Stromkomponente (IEr) des Fehlerstroms kom pensierende Ohm'sche Stromkomponente (ICr; ILr) sowie eine Blindstromkomponente (ICb; ILb) hat, und
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. das passive Reaktanzelement (21) ein kapazitives Reaktanzelement ist und
- 2. die vorbestimmte Phasenlage die der erdschlußbe hafteten Phasenleitung (z. B. Phase T) in der Phase voreilende Phase (z. B. Phase R) ist (Fig. 1).
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. das passive Reaktanzelement (21) ein induktives Reaktanzelement ist und
- 2. die vorbestimmte Phasenlage die der erdschlußbe hafteten Phasenleitung (z. B. Phase T) in der Phase nacheilende Phase (z. B. Phase S) ist (Fig. 3).
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß
- 1. das Kompensationselement (11) als Spule mit einer transformatorisch an die Spule gekoppelten Lei stungshilfswicklung (19) ausgebildet ist und
- 2. an die Leistungshilfswicklung (19) zur Steuerung des Blindwiderstands des Kompensationselements (11) über mehrere Steuerschalter (S1-SN) mehrere Kondensatoren (C1-CN) einzeln oder/und in Gruppen anschließbar sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß
- 1. das Reaktanzelement (21) zwei transformatorisch miteinander gekoppelte Wicklungen (25, 27; L1, 35) umfaßt, von denen eine erste, mit der Erde (13) verbundene Wicklung (25; L1) über mehrere einpolige Schalter (SR, SS, ST) wahlweise mit einer der Phasenleitungen (R, S, T) des Netzes verbindbar ist, während an eine zweite (27; 35) dieser Wick lungen zur Steuerung des Blindwiderstands des Reaktanzelementes (21) über mehrere Steuerschalter (S1-SN) mehrere Kondensatoren (C1-CN) einzeln oder/und in Gruppen anschließbar sind.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich
net, daß
- 1. die Kondensatoren (C1-CN) entsprechend einer geometrischen Reihe gestufte Kapazitäten haben.
7. Anordnung nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 5
oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. die Steuerschalter (S1-SN) und die Kondensatoren (C1-CN) dem Reaktanzelement (21) und dem Kom pensationselement (11) gemeinsam zugeordnet sind und
- 2. die Steuerschalter (S1-SN) als Umschalter ausge bildet sind, die die Kondensatoren (C1-CN) wech selweise entweder mit der Leistungshilfswicklung (19) der Spule oder der zweiten Wicklung (27; 35) des Reaktanzelements (21) verbinden.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. das Übersetzungsverhältnis der zweiten Wicklung (27; 35) des Reaktanzelements (21) zu dessen erster Wicklung (25) oder/und das Übersetzungs verhältnis der Leistungshilfswicklung (19) der Spule zur Spule so gewählt sind, daß sich beim Umschalten der Kondensatoren (C1-CN) mittels der Steuerschalter (S1-SN) gleich große Änderungen der Blindstromkomponente (ICb; ILb) des Ableitstroms (IC; IL) des Reaktanzelements (21) und des indukti ven Kompensationsstroms (ISp) des Kompensations elements (11) ergeben.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß
- 1. das Kompensationselement (11) als Tauchkernspule mit veränderbarem Luftspalt ausgebildet ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß
- 1. das Kompensationselement (11) als Spule mit mehre ren auf einem gemeinsamen mehrschenkeligen Kern (29) angeordneten, mit der Erde (13) verbundenen Schenkel-Wicklungen (31, L1-LN) ausgebildet ist, von denen eine erste Schenkelwicklung (31) fest mit dem Sternpunkt (9) des Netzes verbunden ist, und wenigstens eine zweite, insbesondere mehrere zweite Schenkelwicklungen (L1-LN) über die Steuerschalter (S1-SN) der ersten Schenkel wicklung (31) zur Steuerung des Blindwiderstands des Kompensationselements (11) einzeln oder/und in Gruppen parallel schaltbar sind.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. wenigstens eine (L1) der zweiten Schenkelwicklungen (L1-Ln) über Schalter (S'1, SR, SS, ST) wechsel weise entweder der ersten Schenkelwicklung (31) parallel schaltbar oder zur Bildung des induktiven Reaktanzelements (21) mit einer der Phasenleitun gen (R, S, T) verbindbar ist.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. die das Reaktanzelement (21) bildende zweite Schenkelwicklung (L1) eine mit der ersten Schenkel wicklung (31) verbindbare Anzapfung (33) hat.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. das Verhältnis der Gesamtwindungszahl der mit der Phasenleitung (R, S, T) verbindbaren zweiten Schenkelwicklung (L1) zur Windungszahl der An zapfungswicklung etwa 1,5 beträgt.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. der die angezapfte zweite Schenkelwicklung (L1) tragende Kernschenkel zur Steuerung des Blindwi derstands eine transformatorisch mit der angezapf ten zweiten Schenkelwicklung (L1) gekoppelte Leistungshilfswicklung (35) trägt.
15. Anordnung nach Anspruch 5 in Verbindung mit einem der
Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. das Reaktanzelement (21) als Einphasentransforma tor (23) ausgebildet ist (Fig. 1).
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß
- 1. die zweite Wicklung (27; 35) des Reaktanzelements (21) bei ungestörtem Netzbetrieb mit einem kali brierten Impedanzelement (Zk) verbindbar ist,
- 2. die erste Wicklung (25; L1) des Reaktanzelements (21), gesteuert von einer Rechen- und Steuerschal tung (15, 17), über die einpoligen Schalter (SR, SS, ST) nacheinander mit jeder Phasenleitung (R, S, T) verbindbar ist und
- 3. die Rechen- und Steuerschaltung (15, 17) abhängig von der durch das Impedanzelement (Zk) in dem Netz erzeugten Unsymmetrie das induktive Kompensations element (11) voreinstellt.
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