DE332860C

DE332860C - Einrichtung zur Verhinderung schaedlicher Erdschlussstroeme in Hochspannungsnetzen mit induktiver Nullpunktserdung

Info

Publication number: DE332860C
Application number: DE1918332860D
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1918-12-19
Filing date: 1918-12-24
Publication date: 1921-02-12
Also published as: FR508747A; CH82519A

Description

In Hochspannungsnetzen mit geerdetem Nullpunkt liegt bei Schadhaftwerden isolierender oder stromführender Teile die Gefahr des Auftretens von Erdschlußströmen erheblicher Größe vor. Welches aber auch die Ursache dieser Erdschlußströme ist, sei es eine plötzlich auftretende Überspannung, sei es eine direkte Erdung eines Phasenleiters des Netzes, in allen Fällen hängt die Größe des Erdschlußstromes von der Vollkommenheit des Erdschlusses, von der Art der Nullpunkterdung und der Kapazität des Netzes ab. In allen weiteren Betrachtungen soll nun stets ein vollkommener, d. li. widerstandsloser Erdschluß vorausgesetzt sein, da dieser Annahme der relativ größte Erdschlußstrom entspricht und die Schutzeinrichtung hiernach bemessen werden muß. Ferner soll vorausgesetzt sein, daß die Nullpunkterdung der Anlage in üblicher

ao und bekannter Weise über eine Drosselspule erfolgt ist, welche auch bisher schon den Zweck hatte, den beim Auftreten des Erdschlusses einer Phase entstehenden Kurzschlußstrom zu verringern und unschädlich zu machen. Handelt es sich z. B. um ein Einphasennetz, bei welchem ein Außenleiter Erdschluß bekommt, dann würde bei unmittelbarer Nullpunkterdung die zwischen diesem Nullpunkt und dem Erdschluß habenden Außen leiter liegende Phase direkt kurzgeschlossen sein. Durch die Erdungsdrosselspule kann dieser Strom aber auf ein unschädliches Maß herabgedrückt werden. Eine weitere Herabsetzung des Kurzschlußstromes erfolgt hierbei aber auch durch die Wirkung der Kapazität des andern Außenleiters gegen Erde, denn durch diesen so gebildeten Kondensator fließt im betrachteten Falle ebenfalls ein Erdschlußstrom, welcher an der Erdschlußstelle dem Drosselspulenstrom entgegenfließt und diesen teilweise oder ganz aufzuheben in der Lage ist. Zur vollkommenen Aufhebung des Erdschlußstromes an der Erdschlußstelle müßte die Drosselspule derart bemessen sein, daß Kapazitätsstrom J₀ = Drosselspulenstrom Jj in der Erdschlußstelle ist, und dieses ist bekanntlich der Fall, wenn L -=
L die Selbstinduktion der

ist,

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wo L die Selbstinduktion der Drosselspule, w die Netzfrequenz, C die Teilkapazität einer 50· Phase gegen Erde bedeutet.

Die vollkommene Aufhebung des Erdschlußstromes in der vorerwähnten Art führt aber zu außerordentlich hohen Unzuträglichkeiten, da infolge der auftretenden Resonanz bei normalem Betriebe erhebliche Überspannungen im Netz auftreten und zu Zerstörungen Anlaß geben. Sowohl- die Theorie wie auch die Erfahrung lehrt, daß eine Bemessung der Drosselspule nach der angegebenen Formel zu vermeiden i»t, und daß die Bemessung der Reaktanz des Nullpunktkreises nach zwei Gesichts-

punkten zu erfolgen hat, utid zwar erstens in Rücksicht auf möglichste Verminderung des Kurzschluß- bzw. Erdschlußstromes und zweitens in Rücksicht auf unbedingte Vermeidung der Resonanz.

Die Bemessung der Erdnngsdrosselspulen nach den vorerwähnten Gesichtspunkten ist aber nicht in allen Fällen möglich und zweckmäßig, z. B. in bereits bestehenden Anlagen.,

ίο wo der Aus- oder Umbau der bereits vor-■ handenen und in Betrieb befindlichen Drosselspulen von oftmals sehr erheblichen Abmessungen mit großen Schwierigkeiten verbunden ist. Es kann z. B. erforderlich sein, eine in normalem Betriebe Resonanzerscheinungen hervorrufende Drosselspule (deren Selbstinduktion der Gleichung genügt L =—^—^-1 dahin abzuändern, daß die Resonanz verschwindet.

Diese Änderung würde einen Umbau der Drosselspule erfordern, besonders wenn eine Verkleinerung von L angestrebt wird. An sich schon ist die richtige- Bemessung einer Induktivität bei der praktischen Ausführung durchaus nicht einfach, und gerade bei der Nullpunkterdung, wo die Kapazität des Netzes sich keineswegs immer mit Sicherheit berechnen läßt, wo auch die Kapazität der einzelnen Netzphasen nicht immer die gleiche ist, ist es außerordentlich schwierig, die Erdungsdrosselspule im voraus richtig zu bemesssen. Das Mittel der Bemessung der Erdungsdrosselspulen versagt aber in denjenigen Fällen, wo eine sichere Vorausberechnung nicht möglich ist und die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des zum Bau verwendeten Materials den Erwartungen nicht entsprechen.

Gemäß der Erfindung soll die Verhinderung schädlicher Erdschlußströme, bei denen die Induktivität der Nullpunkterdung derart bemessen ist, daß zur Vermeidung jeglich'er Resonanz bei normalem Betrieb der die Erdungsleitung unter Wirkung der Phasenspannung durchfließende Strom weder gleich noch annähernd gleich dem Erdschlußstrom des Netzes, aber groß genug ist, um die Erdschlußströme auf ein unschädliches Maß zu verkleinern, durch Einfügung von gegebenenfalls regel- oder einstellbaren Zusatzspannungen in den Erdungsstromkreis, welche der Größe und Richtung nach von der durch den Erdschluß > bewirkten Potentialverschiebung des Hoch- j Spannungsnetzes abhängen, bewirkt werden. Die durch die Zusatzspannungen erzeugten zusätzlichen Ströme sind geeignet, den die Erdschlußstelle durchfließen den Differenzstrom (Differenz von Drosselspulenstrom und Kapazitätsstrom) bis zu der durch die Resonanzerscheinungen beim normalen Betrieb der Anlage bedingten Grenze zu kompensieren. Diese Zusatzspannungen können nun allen gegebenen [ Verhältnissen angepaßt und nach Größe und Richtung sogar so bestimmt werden, daß sie auch unsymmetrischen Netzverhältnissen Rechnung tragen. Eine -Hauptbedingung ist dabei, daß die Einrichtung den normalen Betrieb der Anlage nicht stört und erst in Wirksamkeit tritt, wenn ein Erdschluß auftritt.

Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes soll an Hand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert werden.

In Fig. ι bedeuten G einen Einphasengenerator mit den Wicklungshälften (Phasen) α und b, I und II die beiden Außenleiter des Netzes, die gleiche oder auch ungleiche Kapazitäten gegen Erde haben sollen, C₁ und C₂ die durch I und II mit der Erde gebildeten Kondensatoren, T₁ und T₂ Zusatztransformatoren, D die Erdungsdrosselspule.

Die Schaltung ist aus der Figur ersichtlich. In den Erdungsstromkreis sind-die Sekundärwicklungen der Transformatoren T₁ und T₂ j- eingeschaltet und liegen in Reihe zur Drossel- ' spule D. Die Primärwicklungen Hegen „zwiscl en je einem Netzleiter und Erde. Bei no: malern Betrieb sind die beiden Zusatzspannungen der Transformatoren T₁ und T₂ einander entgegengerichtet, und bei symmetrischen Netzverhältnissen ist die Summe dieser Spannungen gleich Null. Tritt nun aber ein go Überschlagfunke K zwischen dem Netzleiter I und Erde auf, dann ist bei vollkommenem Erdschluß die Spannung zwischen Q und P = O, der Transformator T₁ also unerregt, während die Erregung des Transformators T₂, auf den doppelten Wert steigt. Auch die Zusatzspannung von T₂ steigt auf den zweifachen Wert, während die von T₁ verschwindet. Die Drosselspule wird nun von einer Spannung erregt, welche größer oder kleiner als die Phasenspannung sein kann, wobei der Drosselspulenstrom von der Größe und Richtung der Zu-. satzspannung abhängt, so daß sich durch die Wahl der Verhältnisse am Zusatztransformator eine Verminderung des Kurzschluß- bzw. Erdschlußstromes bis zu der durch die Resonanzerscheinungen beim normalen Betrieb der Anlage bedingten Grenze erreichen läßt.

Besitzen die beiden Netzleitungen I und II verschiedene Kapazitäten gegen Erde, dann ist es zweckmäßig, die Zusatzspannung von T₁ verschieden von der von T₂ zu machen, und zwar derart, daß beim Erdschluß der Phase I die verbleibende Zusatzspannung des Transformators T₂ entsprechend der Kapazität der Leitung II, beim Erdschluß der Phase II die verbleibende Zusatzspannung des Transformators T₁ entsprechend der Kapazität der Leitung I gewählt wird. In diesem Falle wird aber auch bei normalem Betrieb die Summe der Zusatzspannungen nicht gleich Null sein, und es wird diese restliche Zusatzspannung

beim normalen Betrieb den infolge der Unsymmetrie des Netzes. in der Nullpunkterdung auftretenden Strom verhindern.

Eine Übertragung dieser Einrichtung auf S ein Dreiphasennetz wird durch Fig. 2 veranschaulicht. Hier bedeuten G einen Dreiphasengenerator mit den Phasen wicklungen a, b und c, I, II und III die Außenleiter des Netzes, C₁. C₂ und C₃ die durch diese mit

ίο der Erde gebildeten Kondensatoren, T._z, Tt und Tc Zusatztransformatoren und D die Drosselspule.

Die Schaltung ist aus der Figur ersichtlich, und zu erwähnen wäre nur, daß beim Erds-chluß einer Phase für den die Erdschlußstelle durchfließenden Kapazitätsstrom die Kapazität der beiden andern Phasen bestimmend ist. Die drei, Zusatzspannungen der Transformatoren T_a, Tb und T_c ergeben bei normalen Betrieben in geometrischer Addition die Summe 0." Im Falle eines Erdschlusses '" dagegen, verschwindet eine der Zusatzspannungen, und die beiden übrigbleibenden steigen auf den ] "3 fachen Wert. Diese addieren sich nun wieder geometrisch zu der im Strom- , kreis der Drosselspule; wirksamen Zusatzspannung, welche im Falle symmetrischer Netzverhältnisse mit der Spannung der im Erd- ' schluß befindlichen Phase phasengleich ist.

Auch hier läßt sich die Größe der Phase der wirksamen resultierenden Zusatzspannung der- ; art wählen, daß auch unsymmetrischen .Netzverhältnissen Rechnung getragen werden kann. , Eine andere Ausführung des Erfindungsgcdankens zeigt Fig. 3. Hier ist die Bedeu- _; tung der Buchstaben die gleiche wie in Fig. 1. Abweichend von dieser ist nur ein einziger Zusatztransformator T vorhanden, dessen Sekundärwicklung in Reihe mit der Drosselspule D geschaltet ist, während die Erregerwicklung zwischen Nullpunkt des Netzes und Erde gelegt ist. Beim normalen Betrieb ist die Spannung an der Erregerwicklung des Transformators gleich Null. Tritt aber infolge des Erdschlusses einer Netzphase eine Potentialverschiebung im Hochspannungsnetz ein, ; dann wird der Zusatztransformator in dem ; einen oder anderen Sinne erregt, je nachdem : der Netzleiter I oder II Erdschluß hat. Die ; Richtung der Zusatzspannung ist also auch bei dieser Anordnung von der Potentialverschiebung im Netz abhängig .und ihre Größe von der Vollkommenheit des Erdschlusses. Haben bei dieser Anordnung die Netzleitungen verschiedene Kapazität gegen Erde, dann kann dieser Unsymmetrie dadurch Rechnung getragen werden, daß man die Erregerwicklung des Zusatztransformators nicht zwischen Nullpunkt und Erde, sondern zwischen einen passend gewählten Spannungspunkt der Generator- (Transformator- u. dgl.) Wicklung und Erde anschließt. Die Unsymmetrie der Einrichtung gleicht dann die Unsymmetrie des Netzes aus.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Unsymmetrie des Netzes zur selbsttätigen Einstellung der Zusatzspannung in Abhängigkeit von der Kapazität des Netzes zu verwenden. Nimmt man in Fig. 3 an, der Netzleiter I habe z. B. infolge seiner tieferen Verlegung auf den Leitungsmasten eine andere Kapazität gegen Erde als der Netzleiter II, dann wird durch die Drosselspule auch bei normalem Betiieb ein Strom fließen, welcher eine Funktion sowohl der Differenz als auch der Summe der Teilkapazitäten ist. Eine Änderung der Kapazität des Gesamtnetzes etwa durch Zu- oder Abschalten von Netzteilen wird' aber auch eine Änderung des Stromes in der Drosselspule zur Folge haben, und es kann dieser Strom zur Einstellung der Zusatzspannung auf den für die Verhinderung schädlicher Erdschlußströme erforderlichen Wert verwendet werden. Man wird, um dies zu ermöglichen,*, zweckmäßig den Zusatztransformator als Induktionsregler ausbilden und die Stellung der Stator- und Rotorwicklungsachse- von dem der Netzunsymmetrie entsprechenden Drosselspulenstrom abhängig machen. Einrichtungen für die Erzielung dieser Abhängigkeit sind an sich bekannt. Die Anordnung nur eines Zusatztransformators gemäß Fig. 3 ist auf alle Mehrphasennetze übertragbar.

Die beschriebene Einrichtung, welche zur Begrenzung der Erdschlußströme auf einen unschädlichen Wert dient, kann auch mit solchen Einrichtungen (Ohmschen Widerständen u. dgl.) kombiniert werden, welche in gleicher Richtung wirken.

Eine genaue oder auch nur annähernde Bemessung der Zusatzspannung derart, daß Rcsonanzerscheinungen bei normalem Betrieb des Netzes zu erwarten" sind, ist aus Gründen der Betriebssicherheit der Anlage unter allen Umständen zu vermeiden.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Einrichtung zur Verhinderung schädlicher Erdschlußströme in Hochspannungsnetzen mit einer derart bemessenen Induktivität der Nullpunkterdung, daß jegliche Resonanz bei normalem Betrieb der Anlage vermieden und der die Erdungsleitung unter Wirkung der Phasenspannung durchfließende Strom die Erdschlußströme nur bis auf ein unschädliches Maß verkleinert, dadurch gekennzeichnet, daß in den Erdungsstromkreis Zusatzspannungen eingefügt sind, welche der Größe und Richtung nach von der durch den Erdschluß bewirkten Potentialverschiebung des Hochspannungsnetzes abhängen.
2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der eingefügten Zusatzspannungen gleich der Phasen zahl des Hochspannungsnetzes ist, wobei bei normalem Betrieb des Netzes die Summe der einzelnen Zusatzspannungi η gleich Null ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Zusatzspannung in den Erdungsstromkreis eingefügt ist, deren Wert bei normalem Betrieb des Netzes gleich Null ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatz spannungen in Zusatztransformatoren erzeugt werden, deren Sekundärwicklungen unter sich und mit einer Erdungsdrosselspule in Reihe geschaltet, deren Erregerwicklungen aber mit einem Ende an Erde, mit dem anderen Ende an die zugehörigen Netzphasen angeschlossen sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannung in einem Zusatztransformator erzeugt wird, dessen Sekundärwicklung mit einer Erdungsdrosselspule in Reihe geschaltet, dessen Erregerwicklung aber zwischen Nullpunkt des Netzes und Erde gelegt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei unsymmetrisch auf die Netzphasen verteilter Kapazität die Summe der Zusatzspannungen bei normalem Betrieb des Netzes nicht gleich Null ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannungen regelbar sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatztransformatoren Induktionsregler verwendet werden.
9. Einrichtung nach.' Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Zusatzspannungen selbsttätig in Abhängigkdt von den elektrischen Größen des Nefees erfolgt.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei unsymmetrisch auf die Netzphasen verteilter Kapazität die selbsttätige Einstellung der Zusatzspannungen durch den auch bei normalem Betrieb des Netzes den Erdungsstromkreis durchfließenden Strom erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zcichnunge«

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