DE19535952C2 - Verfahren zur Bestimmung von Potentialdifferenzen in einem Erdungsnetz einer technischen Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von Potentialdifferen­ zen in einem Erdungsnetz einer technischen Anlage.

In technischen Anlagen, typischerweise großflächig ausgedehnten Anlagen, wie bei­ spielsweise Kraftwerksanlagen, sind nicht nur elektrische Verbraucher, sondern auch prozeßleittechnische Einrichtungen über ein größeres Gebiet verteilt angeord­ net. Die Erdung leittechnischer Einrichtungen kann mit Hilfe einer sogenannten Sternpunkterdung oder mit dezentraler Erdung ausgeführt sein, wobei hier der Fall der dezentralen Erdung betrachtet wird.

Bei der dezentralen Erdung erfolgt eine Verbindung von Einrichtungen mit unter­ schiedlichen, voneinander entfernten Erdungspunkten eines Erdungsnetzes, wobei die zwischen solchen Erdungspunkten liegenden Teile des Erdungsnetzes ausrei­ chend niedrige Impedanzen aufweisen müssen, um im Fall eines Erdschlusses an elektrischen Energieversorgungseinrichtungen unzulässig große Potentialdifferen­ zen zwischen den Erdungspunkten zu vermeiden. Größere Potentialdifferenzen zwi­ schen den Erdungspunkten und damit zwischen den daran angeschlossenen Kom­ ponenten eines Leitsystems können deren Funktion beeinflussen.

Die Potentialdifferenzen werden im Erdschlußfall durch größere netzfrequente Feh­ lerströme, typischerweise 50 Hz- oder 60 Hz-Ströme hervorgerufen. Die in einem solchen Fall auftretenden Potentialdifferenzen sind ein Qualitätsmerkmal des Er­ dungsnetzes.

Es besteht daher ein Bedarf, eine im Erdschlußfall zu erwartende Potentialdifferenz zu ermitteln, um die Qualität des Erdungsnetzes beurteilen und gegebenenfalls Ver­ besserungsmaßnahmen einleiten zu können. Außerdem ist es wünschenswert, durch Vergleichsmessungen vor und nach einer Verbesserungsmaßnahme deren Erfolg nachweisen zu können.

Veröffentlichte Druckschriften zu Verfahren zur Bestimmung von Potentialdifferen­ zen in einem Erdungsnetz einer technischen Anlage sind nicht bekannt. Es sind le­ diglich Verfahren zur Bestimmung des Erdungswiderstandes eines Erders bekannt, der sich im wesentlichen aus dem Übergangswiderstand zwischen Erdboden und dem Ausbreitungswiderstand im Erdreich zusammensetzt. So ist aus der DE 26 53 703 B2 eine Dreipunktanordnung eines Erders, eines Hilfserders und einer Meßson­ de bekannt, wobei mit einem Meßstrom einer Frequenz von 108 2/3 Hz gearbeitet wird, um den Erdungswiderstand des Erders zu ermitteln. Eine solche Drei­ punktanordnung wird auch beim Verfahren nach US 5,365,179 angewendet. Es wer­ den beispielsweise 400 Einzelfrequenzen im Bereich von 5 Hz bis 10 MHz und ein Meßstrom von 20 mA verwendet, um im Gegensatz zu vorbekannten Gleich­ strommessungen auch den induktiven Impedanz-Anteil ermitteln zu können und ins­ besondere um Resonanzstellen herauszufinden.

Um die im Erdungsnetz auftretende Potentialdifferenz bei einem netzfrequenten Fehlerstrom mit Hilfe eines netzfrequenten Prüfstromes erfaßbar zu machen, sind sehr hohe Prüfströme (Ströme im Bereich von 100 bis 300 Ampere) erforderlich. Die Prüfströme müssen deutlich über den im Erdungsnetz typischerweise vorhandenen vagabundierenden Netzströme liegen, um einigermaßen brauchbare Meßergebnisse zu erhalten. Eine dafür benötigte Meßanordnung ist daher entsprechend aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Potentialdifferenzbe­ stimmung an einem Erdungsnetz anzugeben, das keine hohen Prüfströme erforder­ lich macht und trotzdem eine genaue Bestimmung von im Erdschlußfall auftretenden Potentialdifferenzen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Anspruch 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Verwendung netzfrequenter Ströme, sowie von Strömen mit einem Vielfachen der Netzfrequenz vermieden, wodurch va­ gabundierende Ströme dieser Frequenzen eine frequenzselektive Messung von Po­ tentialdifferenzen nicht beeinflussen können. Es genügen daher Speiseströme rela­ tiv geringer Höhe, um durch solche Speiseströme hervorgerufene Potentialdifferen­ zen ausreichend genau ermitteln zu können. Es werden Meßpunkte für Speisestrom­ frequenzen unter- und oberhalb der Netzfrequenz erfaßt. Durch Interpolation wird auf die Situation bei netzfrequenten Strömen geschlossen. Durch die frequenz­ selektive Vorgehensweise läßt sich auf vorteilhafte Weise eindeutig ermitteln, ob festgestellte Potentialdifferenzen vom eingespeisten Meßstrom oder anderen Strö­ men im Erdungsnetz herrühren.

Da mit nichtlinearen Impedanzen des Erdungsnetzes zu rechnen ist, soll zumindest auch mit Frequenzen in der Nähe der Netzfrequenz und deren Oberwellen gemes­ sen werden. Besonders vorteilhaft ist ein Frequenzbereich von 0,1 Hz bis etwa 2 kHz. Meßströme von 1 Ampere bis 15 Ampere, bevorzugt 5 bis 10 A, sind gut ge­ eignet.

Da nur relativ kleine Speiseströme zur Durchführung der Potentialdifferenzmessung benötigt werden, kann eine netzunabhängige, also mobile batteriebetriebene Meßeinrichtung verwendet werden. Um den Energiebedarf weiter zu senken, kann vorteilhaft mit einem Rechtecksignal gearbeitet werden.

Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand einer in der Zeichnung beispielhaft dargestellten Meßanordnung.

Die Figur zeigt eine Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Dabei ist eine Speisestromschleife 1 gebildet, in die ein Signalgenerator 2, vorzugs­ weise ein Rechtecksignal-Generator einen Speisestrom I_s(t) einspeist.

Die Speisestromschleife 1 ist m dargestellten Beispiel gebildet durch ein Dreh­ stromkabel 3, das in der technischen Anlage, z. B. einer Kraftwerksanlage bereits vorhanden ist, beispielsweise als Speisekabel für einen elektrischen Antrieb einer Pumpe, eine Erdschlußverbindung 4 und das zu untersuchende Erdungsnetz 5. Das Drehstromkabel 3 ist während der Durchführung der Messung von einer nicht dar­ gestellten Drehstromeinspeisung und dem ebenfalls nicht dargestellten Verbraucher abgetrennt. Es ist zweckmäßig, die Leiter des Drehstromkabels 3 parallel zu schal­ ten, um den Widerstand dieser Zuleitung zum Erdungsnetz 5 möglichst klein zu halten. In die Speisestromschleife 1 ist ein Amperemeter 6 eingeschaltet zur Mes­ sung des Speisestromes I_s(t). Es wird mit einem Speisestrom im Bereich von 1 bis 15 Ampere, vorzugsweise mit etwa 10 Ampere, gearbeitet.

Als Meßpunkte 7.1, 7.2 sind in der technischen Anlage zugängliche Erdanschluß­ punkte des Erdungsnetzes 5 verwendbar.

An zwei Meßpunkten 7.1, 7.2 ist ein Spektrum-Analysator 8 unter Verwendung einer zusätzlichen Meßleitung 9 angeschlossen. Mit dem Spektrum-Analysator 8 können selektiv Potentialdifferenzen gemessen werden für unterschiedliche Frequenzen des Speisestroms.

Zur Durchführung der Bestimmung von Potentialdifferenzen, die in einem bestimm­ ten Erdungsnetzteil auftreten können, wird eine Reihe von Meßwerten für unter­ schiedliche Frequenzen erfaßt. Es werden dafür Frequenzen im Bereich von etwa 0,1 Hz bis 2 kHz verwendet, wobei auch Frequenzen in der Nähe der Netzfrequenz, z B. auch 45 Hz und 55 Hz verwendet werden, wenn die Netzfrequenz 50 Hz be­ trägt.

Mit Hilfe bekannter Interpolationsverfahren wird aus den gemessenen Potentialdiffe­ renzwerten auf den für 50 Hz gültigen Wert geschlossen, so daß eine Beurteilung des Erdungsnetzverhaltens im Falle eines Erdungsschlusses im 50 Hz-Stromversorgungssystem der technischen Anlage möglich ist. Durch Bezug­ nahme der zwischen zwei Erdungspunkten gemessenen Potentialdifferenz auf die jeweilige Speisestromstärke kann die Impedanz des zu untersuchenden Erdungs­ netzteils bestimmt werden.

Die auf diese Weise selektiv gemessenen Potentialdifferenzen sind Spannungsab­ fälle, die durch den Speisestrom entlang der Maschen des Erdungsnetzes 5 erzeugt werden. Allerdings induziert das Magnetfeld des Speisestroms auch eine Spannung in der Meßleitung 9. Dieser Einfluß kann durch geeignete Meßanordnung minimiert werden, insbesondere soll der Abstand der Meßleitung 9 von der Speisestromschlei­ fe 1 groß sein. Zur Überprüfung, ob die induzierte Spannung vernachlässigbar klein ist, kann eine sogenannte Nullmessung durchgeführt werden, wobei mit Hilfe der Meßleitung 9 eine möglichst große Meßschleife ausgelegt wird, jedoch ohne Einfü­ gung des Erdungsnetzes 5 in die Meßschleife. Eine in dieser Anordnung nach dem Einspeisen eines Speisestromes in die Speisestromschleife 1 mit dem Spek­ trum-Analysator 8 gemessene Spannung ist durch Induktion erzeugt. Praktische Versuche haben gezeigt, daß der durch Induktion hervorgerufene Meßfehler bei geeigneter Meßanordnung, also ausreichender Entkopplung, vernachlässigbar klein ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung von Potentialdifferenzen, die in einem Er­ dungsnetz (5) einer technischen Anlage im Fall eines Erdschlusses an Netzstrom führenden elektrischen Einrichtungen auftreten können, wobei

• a) eine Meßanordnung verwendet wird, bei der
  • a1) eine Speisestromschleife (1) gebildet ist, in die ein Signalgenerator (2) einen Speisestrom (I_s(t)) einspeist, wobei in die Speisestromschleife (1) ein zu untersuchender Teil des Erdungsnetzes (5) geschaltet ist, und
  • a2) an zwei als Meßpunkte (7.1, 7.2) ausgewählten und benutzten Erdanschlußpunkten (7, 7.1, 7.2) des Erdungsnetzes (5) ein Spektrum-Analysator (8) angeschlossen ist,
• b) mit Hilfe des Signalgenerators (2) nacheinander Speiseströme (I_s(t)) mit un­ terschiedlichen Frequenzen im Bereich von 0,1 Hz bis 2 kHz eingespeist werden, wobei die Netzfrequenz (z. B. 50 Hz) und deren Harmonische nicht verwendet werden, und wobei jeweils mit Hilfe des Spektrum-Analysators (8) die vom Speisestrom aufgrund der Impedanz des Erdungsnetzes bzw. Er­ dungsnetzteils (5) verursachte Potentialdifferenz erfaßt wird, und
• c) eine Bestimmung der Potentialdifferenz in einem netzfrequenten Erdschluß­ fall durch Interpolation zwischen den Meßwerten durchgeführt wird, die bei den benutzten Speisestromfrequenzen ermittelt wurden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meß­ anordnung verwendet wird, bei der in die Speisestromschleife (1) ein Strommesser (6) eingefügt ist, und während einer Potentialdifferenzmessung auch der zugehörige Speisestrom (I_s(t)) erfaßt wird, so daß aus dem Quotienten aus Potentialdifferenz und Speisestrom die Impedanz des untersuchten Erdungsnetzes bzw. Erdungsnetz­ teils (5) ermittelbar ist.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Meßanordnung verwendet wird, bei der die Speisestromschleife unter Verwendung eines in der technischen Anlage, z. B. einer Kraftwerksanlage verlegten Drehstromkabels (3) zur Speisung eines Verbrauchers, z. B. eines Pum­ penantriebs gebildet ist, wobei das Drehstromkabel (3) zur Zuführung des Speise­ stromes (I_s(t)) vom Signalgenerator (2) über eine Erdschlußverbindung (4) in das Erdungsnetz (5) benutzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Speisestrom (I_s(t)) eingestellt wird, der im Bereich von 1 bis 15 Ampere liegt, und z. B. bei einer Speisestromfrequenz von 10 Hz bei maximal 10 Ampere liegt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Signalgenerator (2) ein Rechtecksignal-Generator verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Meßanordnung der Spektrum-Analysator (8) über eine Meßlei­ tung (9) an die Meßpunkte (7, 7.1, 7.2) angeschlossen ist, wobei die Meßleitung (9) möglichst weit entfernt von der Speisestromschleife (1) verlegt wird, um eine mög­ lichst kleine induktive Kopplung zu erzielen.