DE19837933A1 - Verfahren zur phasenrichtigen Erfassung eines Erdschlusses in einem mehrphasigen Drehstromnetz - Google Patents
Verfahren zur phasenrichtigen Erfassung eines Erdschlusses in einem mehrphasigen DrehstromnetzInfo
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Abstract
Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Energienetzes mit hochohmig geerdetem Sternpunkt zur schnellen Ermittlung einer einen Erdschluß speisenden Phase dadurch gekennzeichnet, daß nach Überschreiten eines Grenzwertes für den Strom oder die Spannung am Transformatorsternpunkt die Phasenlage des Stromes oder der Spannung am Transformatorsternpunkt mit der Phasenlage des Stromes oder der Spannung der einzelnen Phasen des Energienetzes verglichen wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen,
phasenrichtigen Erfassung eines Erdschlusses von
Hochstromverbrauchern in einem mehrphasigen Drehstromnetz mit
hochohmig geerdetem Sternpunkt.
Hochreines polykristallines Silizium (Polysilizium) als
Ausgangsmaterial für die Herstellung von elektronischen
Bauteilen und Solarzellen, gewinnt man in der Regel durch
thermische Zersetzung oder Wasserstoffreduktion eines
Siliziumquellengases. In der Regel werden dabei Chlorsilane,
wie beispielsweise Trichlorsilan als Siliziumquellengas
verwendet. Die thermische Zersetzung von Trichlorsilan unter
Beteiligung von reduzierendem Wasserstoff mit nachfolgender
Abscheidung von hochreinem Silizium an dünnen Siliziumstäben,
den sogenannten Seelen, ist unter dem Namen "Siemens-Prozeß"
bekannt. Nach diesem Prozeß wird Polysilizium weltweit in
Polysilizium Abscheideanlage produziert. Die Regelung der
Stromzufuhr erfolgt dabei vorzugsweise über Thyristorsteller.
Zu einem Erdschluß kommt es bei der Abscheidung von
Polysilizium vor allem dann, wenn eine der Seelen umfällt.
Dabei besteht die große Gefahr, daß in der Folge des einen
umgefallenen Polysiliziumstabes weitere Stäbe ebenfalls
umfallen. Wenn der umgefallene Stab die Außenwand des
Abscheidereaktors berührt, kommt es zum Stromfluß über die
Wand der Abscheideanlage. Wenn ein zweiter Stab ebenfalls die
Außenwand berührt, kommt es zu einem Kurzschluß mit so hohen
Strömen, daß innerhalb kürzester Zeit die Außenwand des
Abscheidereaktors schmilzt. Ein solches Aufschmelzen der
Außenwand muß auf alle Fälle verhindert werden, da zum einen
Kühlwasser in das ca. 1100°C heiße Innere des Reaktors
gelangen würde, was letztendlich zu einer Explosion führen
würde. Andererseits würden beim Aufschmelzen der Wand die
bereits genannten explosiven und aggressiven Gase ins Freie
gelangen.
All dies muß unbedingt verhindert werden und macht ein sehr
schnelles Abschalten des jeweiligen Reaktors erforderlich.
Wenn jeweils ein Reaktor pro Phase eines mehrphasigen
Drehstromnetzes betrieben wird, ist es zudem erforderlich,
innerhalb dieses sehr kurzen Zeitraumes auch die dem Erdschluß
zugehörige Phase zu bestimmen. Andernfalls käme es bei jeder
Störung eines Reaktors zu einer Betriebsunterbrechung und
damit zu Produktionsausfällen an samtlichen im Drehstromnetz
befindlichen Reaktoren.
Zur Erfassung eines Erdschlusses ist es bisher üblich, den
Summenstrom je Phase mittels Summenstromwandler zu erfassen
(z. B. Fehlerstromschutzschalter in der Installationstechnik)
oder die Wechselspannung mit einer Gleichspannung zu
überlagern und mit einem Isolationsüberwachungsgerät den
Isolationswiderstand zu erfassen. Wegen der großen
Betriebsströme (bis zu ca. 8.000 A) und der sehr kleinen
Erdschlußströme (z. B. 0,5 A oder kleiner) ist die bisherige
Technik der Summenstrommessung aufgrund der zu hohen
Meßungenauigkeiten nicht in der Lage, den kleinen
Differenzstrom (Erdschlußstrom) zu messen. Auch die Zuordnung
zu einem Reaktor ist damit nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, welches die Überwachung eines elektrischen
Energienetzes mit hochohmig geerdetem Sternpunkt ermöglicht um
im Falle eines Erdschlußes die den Erdschluß speisend Phase
sehr schnell zu ermitteln.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß nach Überschreiten eines Grenzwertes
für den Strom oder die Spannung am Transformatorsternpunkt die
Phasenlage des Stromes oder der Spannung am
Transformatorsternpunkt mit der Phasenlage des Stromes oder
der Spannung der einzelnen Phasen des Energienetzes verglichen
wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Korrelation
zwischen Sternpunktstrom bzw., über einen strombegrenzenden
Widerstand, der Sternpunktspannung des Systems und der
Phasenspannung um die Zuordnung zu treffen, welche Phase den
Erdschlußstrom speist.
Die Phase, deren Phasenlage mit der Phasenlage des
Transformatorsternpunkts übereinstimmt, weist einen Erdschluß
auf.
Die Phasenlage des Stromes am Transformatorsternpunkt wird
vorzugsweise dadurch ermittelt, daß ein Stromwandler in den
Stromkreis des Sternpunktes zum Erdungspotential eingebaut
wird.
Die Phasenlage des Stromes der einzelnen Phasen wird
vorzugsweise dadurch ermittelt, daß ein Stromwandler in die
jeweilige Phase eingebaut wird.
Die Phasenlage der Spannung am Transformatorsternpunkt wird
vorzugsweise dadurch ermittelt, daß ein Spannungswandler die
Spannung über den festen hochohmigen Erdungswiderstand mißt.
Die Phasenlage der Spannung der einzelnen Phasen wird
vorzugsweise dadurch ermittelt, daß ein Spannungswandler die
Spannung vor den Reaktoren mißt.
Auswertung und Vergleich der Signale der Phasen mit dem Signal
des Sternpunktwiderstands (Erdschlußstrom) erfolgt
vorzugsweise mittels einer an sich bekannten elektrischen
Auswertung.
Beispielsweise geschieht dies dadurch, daß die
Phasenspannungen potentialgetrennt und in phasengleiche
Rechtecksignale umgewandelt einem Controller zugeführt werden.
Der Sternpunktstrom wird phasenrichtig erfaßt und über einen
Widerstand, beispielsweise einen Bürdenwiderstand dem
Controller zugeführt. Die logische Verknüpfung wird von einer
Software abgearbeitet, die beispielsweise als ROM-Programm in
einem PIC-Controller abgelegt ist.
Falls der Sternpunktstrom größer ist als ein am Controller
einstellbarer Grenzwert (Comparatorwert), so wird der
zeitliche Verlauf des vom Sternpunkt kommenden Signals mit dem
zeitlichen Verlauf der von den Phasen kommenden
Spannungssignale verglichen. Der zeitliche Verlauf des
Spannungssignals der Phase mit Erdschluß stimmt mit dem
zeitlichen Verlauf des Spannungssignals des Sternpunktes
überein. Der Comparatorwert hat vorzugsweise eine Größe von 10
mA bis 5000 mA. Im Falle der Überwachung von Polysilizium
Abscheideanlagen wird die Phase, bei der der zeitliche Verlauf
des Spannungssignals mit dem zeitlichen Verlauf des
Spannungssignals des Sternpunktes übereinstimmt sofort
abgeschaltet. Die Abschaltung erfolgt vorzugsweise ebenfalls
durch den Controller. Dies geschieht innnerhalb eines
Zeitraums zwischen 20 und 300 msec., in der Regel innerhalb
von 30 msec. Es sind jedoch prinzipiell auch andere
Regelmaßnahmen je nach Erfordernis der überwachten
Hochstromverbraucher möglich.
Das Verfahren ermöglicht beispielsweise die Erfassung eines
Erdschlußstromes in einer elektrischen Mehrphasenanlage mit
hohen Betriebsströmen mit hochohmig geerdetem Sternpunkt.
Unter hohen Betriebsströmen sind vorzugsweise Ströme im
Bereich von 1000 bis 150 000 A zu verstehen.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch
zur Überwachung eines elektrischen Energienetzes in welchem
Hochstromverbraucher mittels einer Spannungs- und/oder
Stromregelung wie z. B. mittels eines Thyristorstellers
geregelt werden.
So ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren erstmals einen
Betrieb mehrerer Polysiliziumabscheidanlagen an einem
Transformator.
Beispielhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren in Fig. 1
dargestellt. Die Polyabscheidereaktoren (1-3) werden von einem
Drehstromtransformator (4) mit nach geschaltetem
Thyristorsteller (5-7) elektrisch versorgt. Die
Polysiliziumstäbe im Inneren der Reaktoren (1-3) werden
elektrisch durch direkten Stromdurchfluß beheizt. Die
Thyristorsteller (5-7) regeln Spannung und Strom der Reaktoren
(1-3) in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Durchmesser
der Polysiliziumstäbe. Bei einem Erdschluß eines
Polysiliziumstabes z. B. infolge des Bruchs eines
Polysiliziumstabes mit anschließender Reaktorwandkontak
tierung, fließt durch den Erdungswiderstand (8) ein begrenzter
Erdschlußstrom zum Sternpunkt des Drehstromtrafos zurück.
Dieser Erdschlußstrom wird, im erfindungsgemäßen Verfahren
durch den Stromwandler (9) gemessen und seine Phasenlage mit
der Phasenlage jeder der drei Phasen die die Reaktoren (1-3)
versorgen im Controller (10) verglichen und ausgewertet. Die
Phase deren Phasenlage mit der Phasenlage des Erdschlußstromes
übereinstimmt hat einen Erdschluß und wird durch den
zugehörigen Tyristorsteller (hier Thyristorsteller (7))
abgeschaltet.
Fig. 2 zeigt ein Korrelationsdiagramm, wobei die Kurven 1, 2
und 3 den an den Phasen 1 bis 3 des obigen Anwendungsbeispiels
gemessene Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der Zeit
wiedergibt und Kurve 4 den Spannungsabfall am Stromwandler des
Sternpunktwiderstandes ((9) aus Fig. 1) zeigt.
Form und Lage der Spannung an Reaktor 3 stimmt mit Form und
Lage des Spanungsabfalls am Stromwandler des
Sternpunktwiderstandes überein. Daraus folgt, daß die Reaktor
3 speisende Phase einen Erdschluß zeigt und abgeschaltet wird.
Prinzipiell eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht
nur für dreiphasige Drehstromnetze sondern für beliebige
mehrphasige Drehstromnetze.
Claims (5)
1. Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Energienetzes
mit hochohmig geerdetem Sternpunkt zur schnellen Ermittlung
einer einen Erdschluß speisenden Phase dadurch
gekennzeichnet, daß nach Überschreiten eines Grenzwertes für
den Strom oder die Spannung am Transformatorsternpunkt die
Phasenlage des Stromes oder der Spannung am
Transformatorsternpunkt mit der Phasenlage des Stromes oder
der Spannung der einzelnen Phasen dem Energienetzes
verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Phasenlage des Stromes am Transformatorsternpunkt dadurch
ermittelt wird, daß ein Stromwandler in den Stromkreis des
Sternpunktes zum Erdungspotential eingebaut ist und die
Phasenlage des Stromes der einzelnen Phasen dadurch
ermittelt wird, daß ein Stromwandler in die jeweilige Phase
eingebaut ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Phasenlage der Spannung am Transformatorsternpunkt dadurch
ermittelt wird, daß ein Spannungswandler die Spannung über
den festen hochohmigen Erdungswiderstand mißt und die
Phasenlage der Spannung der einzelnen Phasen dadurch
ermittelt wird, daß ein Spannungswandler die Spannung vor
den Reaktoren mißt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Vergleich der Signale der Phasen mit
dem Signal des Sternpunktwiderstands (Fehlerstrom) mittels
einer an sich bekannten elektrischen Auswertung erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektrischen Auswertung dadurch erfolgt, daß die
Phasenspannungen potentialgetrennt und in phasengleiche
Rechtecksignale umgewandelt einem Controller zugeführt
werden und der Sternpunktstrom phasenrichtig erfaßt wird und
über einen Widerstand dem Controller zugeführt wird.
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