DE4419945C2 - Schutzeinrichtung zur Verhinderung der Folgen von Erdschlüssen in Hochspannungs-Drehstromnetzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Schutzeinrichtungen zur Verhinderung der Folgen von Erdschlüssen in Hochspannungs- Drehstromnetzen. Als Hochspannung werden im folgenden Spannungen größer 1 kV bezeichnet.

Erdschlüsse treten bei fehlerhaft leitenden Drehstromnetzen zwischen Leiter und Erde auf. Bei einem Erdschluß durch einen zunächst einpoligen Isolationsfehler in einer Hochspannungs- Drehstromleitung aus drei Leitern in Netzen mit isoliertem oder hochohmig geerdetem Sternpunkt kann über die Erdschlußstelle ein beachtlicher Ableitstrom von z. B. bis zu 140 Ampere aus realen und kapazitiven Anteilen fließen. Die thermische Wirkung des Ableitstromes kann auch zur Zerstörung der Isolation der noch intakten, unmittelbar benachbarten Leiter dieser Drehstromleitung führen, so daß ein zwei- oder dreipoliger Kurzschluß entsteht und die betroffenen Leiter unverzüglich abgeschaltet werden müssen.

Aus der EP 0 164 321 A1 ist eine Anordnung zur Begrenzung von Erdschlußströmen bekannt. Durch Erzeugen eines in Bezug auf Amplitude und Phasenlage einstellbaren Komplementstroms zwischen Netzsternpunkt und Erde, kann mittels dieser bekannten Anordnung der Erdschlußstrom kompensiert werden. Der Komplementstrom wird über zwei stufenlos einstellbare Drehtransformatoren unter Zuhilfenahme einer separaten Drehstromeinspeisung erzeugt. Nachteilig bei dieser Anordnung gemäß dem Stand der Technik ist es, daß der Sternpunkt zur Unterdrückung der Erdfehler benötigt wird, und daher für eine Erdschlußkompensation der anderen Spannungsebene des Transformators nicht zur Verfügung steht. Weiterhin nachteilig ist es, daß die bekannte Anordnung auf die zugeordnete Netzgröße abgestimmt werden muß und daher relativ unflexibel bei der Bildung von Teilnetzen und beim Wechsel des Transformators während einer Leitererdung ist. Überdies können unkontrolliert nennenswerte Ströme außerhalb der Betriebsstromkreise innerhalb des Netzes auftreten. Hinzu kommt, daß die Anordnung gemäß dem Stand der Technik zwei stufenlos einstellbare Drehtransformatoren, eine separate Drehstromeinspeisung und spezielle Meßeinrichtungen erfordert und daher teuer ist.

Die DE 38 06 827 A1 offenbart ein Verfahren zur Erfassung und Begrenzung eines Erdschlußstromes in großen Bordnetz- und Fahrnetzkraftwerken, wobei mehrere Generatoren über jeweils einen zugehörigen Generatorschutzschalter in das Netz speisen. Ein einphasiger Transformator mit geerdeter Primärwicklung in der Sternpunktleitung ist mit einen Widerstand versehen, der sekundärseitig einen begrenzten Strom bei vollem Erdschluß zuläßt. Um ohne Fremdspannungsquellen auszukommen, wird sekundärseitig eine Doppelweggleichrichtung eines erfaßten Erd­ schlußstromes durchgeführt und bei Überschreiten eines einstellbaren Stromgrenzwerts der gleichgerichtete Erdschlußstrom mit einer festen Frequenz getaktet, erfaßt und verglichen und der Erdschluß lokalisiert. Dieses Verfahren gemäß dem Stand der Technik arbeitet mit Halbleiterbauelementen und wirkt an den Sternpunkten der Generatoren. Ein erdschlußbehaftetes Netzteil wird von dem übrigen des Bordnetz- und Fahrnetzkraftwerks getrennt.

Die DE-PS 844 614 offenbart ein Schaltverfahren in erdschlußkompensierten Hochspannungsnetzen, deren Leiter R, S, T, jeweils an einen einpoligen Erdungsschalter angeschlossen sind. Liegt ein Erdschluß vor, schaltet der Leistungsschalter der betroffenen Phase den Erdschluß kurzzeitig ab. Zusätzlich kann die erdschlußbehaftete Phasenleitung durch den zugehörigen Erdungsschalter vorübergehend künstlich geerdet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von der DE-38 06 827 A1, eine Schutzeinrichtung zur Verhinderung der Folgen von Erdschlüssen in Hochspannungs-Drehstromnetzen zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Schutzeinrichtung zur Verhinderung der Folgen von Erdschlüssen in Hochspannungs- Drehstromnetzen mit den Merkmalen im Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung zur Verhinderung der Folgen von Erdschlüssen in Hochspannungs-Drehstromnetzen entlastet eine Erdschluß stelle eines fehlerhaften Leiters in einem Hochspannungs-Drehstromnetz, indem sofort oder mit geringer Verzögerung nachdem eine in der Regel vorhandene Meßeinrichtung den Fehler (Erdschluß) in dem Leiter festgestellt hat, der Leiter mit der Erdschlußstelle parallel über einen einpoligen Erdschalter und eine nahezu widerstandslose, metallische Verbindung mit Erde geschaltet wird. Die gemäß der Erfindung nahezu widerstandslose metallische Verbindung des fehlerhaften Leiters mit Erde - im folgenden Leitererdung genannt - verhindert durch das kurzge­ schlossene Leiter-Erdpotential im ganzen galvanischen Netz zwischen erdschlußbehaftetem Leiter und Erdpotential den Aufbau von Spannungen, die ausreichen könnten, einen niederohmigen Lichtbogen stehen zu lassen. Da der Stromweg über den einpoligen Erdschalter und die praktisch widerstandslose, metallische Verbindung zur Erde einen deutlich geringeren Widerstand aufweist als der Stromweg über die Erdschlußstelle des fehlerhaften Leiters, wird die Erdschlußstelle nahezu vollständig von Strom entlastet, so daß z. B. in Freileitungsnetzen Lichtbögen vollständig unterdrückt würden und die Größe der Netze auch nicht durch Ableit- oder Restströme begrenzt wird. Intensive Feuererscheinungen mit starker Hitzeabstrahlung können so nicht mehr entstehen, wie sie nach dem Stand der Technik auch bereits bei kleinen Strömen, wie z. B. Restströmen von z. B. 9 Ampere in Netzen mit Erdschlußkompensation nach Petersen oder Ableitströmen in kleineren Netzen mit isoliertem Sternpunkt entstehen, wo die Möglichkeit einer ausreichend langen Erdschlußdauer davon abhängt, ob der Lichtbogen in der Drehstromleitung nach außen oder nach innen in Richtung benachbarter Leiter brennt. Gemäß der Erfindung können Fehlerstellen daher auch nicht mehr zu praktisch widerstandslosen Verbindungen verschweißen, da der vergleichsweise hohe Widerstand der Erdschlußstelle des fehlerhaften Leiters verhindert, daß wesentliche Anteile des Ableitstroms noch weiter über die Erdschlußstelle des fehlerhaften Leiters fließen. Auch im Falle eines metallischen Erdschlusses des fehlerhaften Leiters, z. B. durch ein in den Leiter getriebenes Metallstück, geht von diesem Erdschluß keine thermische Wirkung aus, die die Isolation der benachbarten Leiter zerstören könnte. Durch die erfindungsgemäße Leitererdung ist der Erdschlußfehler so neutralisiert, daß sein Vorhandensein für die Strom- und Spannungsverhältnisse im betroffenen Netz ohne praktische Bedeutung ist.

Für die Umlenkung des Ableitstroms von einem fehlerhaften Leiter auf die erfindungsgemäße Leitungserdung sind vor allem folgende Aspekte maßgebend: Der Ableitstrom tritt als "Leitungsbelag" auf Leitermänteln, -Schirmen, Erdseilen und dem Erdreich auf und sammelt sich erst auf seinem Weg zur Fehlerstelle oder zum Erdschalter zu größeren Beträgen. Bei der erfindungsgemäßen Leitererdung tritt der über die Fehlerstelle fließende Anteil des Ableitstroms von ca. 0,5 Ampere unmittelbar an der Fehlerstelle und den darum angeordneten metallischen Leitermänteln, -Schirmen, Erdseilen und dem Erdreich punktuell konzentriert auf. Von da zur Klemme des speisenden Transformators fließt der Ableitstrom über den Weg mit dem kleinsten komplexen Widerstand. Vor und hinter der Fehlerstelle muß sich zwischen dem betroffenen Leiter und - in Gegenrichtung Leitermänteln, -Schirmen, Erdseilen und dem Erdreich ein relatives Stromgleichgewicht einstellen, das in der Praxis dazu führt, daß der Ableitstrom von der Fehlerstelle zur Klemme des speisenden Transformators nicht den kürzesten Weg nimmt. Der Weg des Ableitstroms über die erfindungsgemäße Leitererdung besteht dagegen aus einem Netz von an vielen Stellen geerdeten, metallischen Leitern, deren Gesamtwiderstand bedeutend kleiner ist als der Widerstand über die Fehlerstelle. Auch wenn der Ableitstrom die Fehlerstelle über einen praktisch widerstandslosen, metallischen Leiter passiert, fließt bei einem Hochspannungs-Drehstromnetz mit der erfindungsgemäßen Leitererdung nur ein relativ kleiner Teil des Ableitstromes von z. B. 8,7% an der Fehlerstelle, wenn sich die Fehlerstelle in ausreichendem Abstand von der in der Nähe des speisenden Transformators angeordneten Leitererdung befindet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die in der Regel vorhandene Meßeinrichtung mit einer automatischen Ablaufsteuerung verbunden, die die Ströme und Spannungen im Hochspannungs-Drehstromnetz zur Steuerung der einpoligen Erdschalter auswertet. Die Ablaufsteuerung kann auch mittels manueller Fernbedienung erfolgen.

Die Ableitströme in den erdschlußbetroffenen Leitern werden erfindungsgemäß durch die Anordnung der einpoligen Erdschalter in unmittelbarer Nähe zur Klemme des speisenden Transformators von dem zur Klemme des Transformators zurückfließenden Ableitstrom entlastet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind bei sehr großen Hochspannungs-Drehstromnetzen mehrere Erdschalter im Hochspannungs-Drehstromnetz verteilt.

Die Kombination aus Leitererdung und Erdschlußkompensation für die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung zur Verhinderung der Folgen von Erdschlüssen ist vorteilhaft in Hochspannungs- Drehstromnetzen, in denen häufiger oder längere Zeit zur Ermittlung der fehlerhaften Stelle die Leitererdung aufgehoben wird.

Für die Abfrage von Fehlerstellen ist die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit einem Schalter ausgestattet, der mit den einpoligen Erdschaltern gekoppelt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Hochspannungs-Drehstromnetz mit Erdschluß und Leitererdung,

Fig. 2a einen Querschnitt durch ein Hochspannungs- Drehstromnetz mit einem Erdschluß,

Fig. 2b eine Freileitung mit einem Erdschluß, und

Fig. 3 ein Ersatz-Schaltbild für ein Hochspannungs- Drehstromnetz mit Leitererdung.

Fig. 1, 2: Ein Hochspannungs-Drehstromnetz 1 weist einen handelsüblichen Transformator 2 auf, dessen Wicklungen 3 mit drei Leitern L'₁, L'₂, L'₃ eines Netzes höherer Spannung verbunden sind, und dessen Wicklungen 4 drei Leiter L₁, L₂, L₃ des Hochspannungs- Drehstromnetzes 1 mit Drehstrom beaufschlagen. Von den Leitern L₁, L₂, L₃ führen Abschnitte 5, 6, 7 des Hochspannungs-Drehstrom­ netzes aus jeweils 3 Leitern L₁, L₂, L₃ zu Verbrauchern (nicht dargestellt).

In den Abschnitten 5, 6, 7 können die drei Leiter L₁, L₂, L₃ beispielsweise jeweils mit einer Isolierung 8 und einem geerdeten Mantel 10 versehen zu Kabeln 9 (Fig. 2b) zusammengefaßt oder als Freileitungen 12 über Masten 11 (Fig. 2a) geführt sein. Die Freileitungen 12 sind mit Isolatoren (nicht dargestellt) gegen die geerdeten Masten 11 isoliert.

Über eine Fehlerstelle in dem Leiter L₃ des Abschnitts 6 fließt ein Ableitstrom 13 zum geerdeten Mantel 10 (Fig. 2b) oder zu einem Erdseil 11 (Fig. 2a). Die Fehlerstelle kann durch eine schadhafte Isolierung 8 im Kabel 9, die eine Verbindung zwischen Leiter L₃ und Mantel 10 erlaubt oder durch einen Lichtbogen 14 von einer der Freileitungen 12 zum Erdseil 11 verursacht sein. Der kapazitive Anteil des Widerstands der Leiter L₁, L₂ zur Erde 10, 11 ist durch Kapazitäten 15 symbolisiert.

Die Leiter L₁, L₂, L₃ sind jeweils über Spannungswandler 21, 22, 23, die als Meßeinrichtungen dienen, mit einer vorzugsweise speicherprogrammierbaren Ablaufsteuerung 24 verbunden. Die Ablaufsteuerung 24 verwertet die Daten aus den Meßeinrichtungen die die Ströme oder Spannungen in den Leitern L₁, L₂, L₃ wiedergeben. Von der Ablaufsteuerung 24 kontrollierte Betätigungsglieder 25, 26, 27 steuern einpolige Erdschalter 28, 29, 30, die vorzugsweise das Schaltvermögen der im Netz eingesetzten Schalter haben und durch Kurzschluß- und Überstromschutzrelais mit schneller Schalterauslösung (nicht dargestellt) überwacht sind. Die einpoligen Erdschalter 28, 29, 30 sind jeweils über nahezu widerstandslose metallische Verbindungen 31, 32, 33 mit der Erdung 34 verbunden. Die Erdung 34 ist so ausgelegt, daß der volle Ladestrom des Hochspannungs-Drehstrom­ netzes 1 aufgenommenen werden kann.

Fig. 3: In einem Ersatzschaltbild für einen Erdschluß im Leiter L₃ der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung zur Verhinderung der Folgen von Erdschlüssen in Hochspannungs-Drehstromnetzen 1 ist der komplexe Widerstand von der Klemme 35 des Transformators 2 mit dem Leiter L₃ bis zur Fehlerstelle im Leiter L₃ mit A2 angegeben. Der Widerstand an der Fehlerstelle vom Leiter L₃ zum geerdeten Mantel 10 oder zum Erdseil 11 ist mit A1 angegeben. Die Summe der Widerstände des geerdeten Mantels 10 oder des Erdseils 11 ergibt sich zu A3 oder A4, wobei A3 den Widerstand des geerdeten Mantels 10 oder des Erdseils 11 zwischen Fehlerstelle im Leiter L₃ und der Klemme 35 des Transformators 2 mit dem Leiter L₃ und A4 den Widerstand des geerdeten Mantels 10 oder des Erdseils 11 auf der gegenüberliegenden Seite der Fehlerstelle angibt. A5 entspricht dem Erdübergangswiderstand an der Fehlerstelle.

Bei einem Erdschluß im Leiter L₃ ist die Summe der jeweils in Reihe geschalteten Widerstände A2 + A1 + A4 oder der Widerstände A2 + A1 + A5 oder der Widerstände A2 + A1 + A3 auch bei kleinem A1 verhältnismäßig groß, sofern die Fehlerstelle im Leiter L₃ ausreichend weit von der Klemme 35 des Transformators 2 entfernt ist.

Kurz nachdem die Meßeinrichtung in der Ablaufsteuerung 24 den Erdschluß in Leiter L₃ festgestellt hat, schließt der einpolige Erdschalter 28 die nahezu widerstandslose, metallische Verbindung 31 von der Erdung 34 zum Leiter L₃ und stellt somit die erfindungsgemäße Leitererdung her. Der sehr kleine Gesamtwiderstand B1 der vermaschten Mantel- oder Schirmwiderstände ergibt sich für die erfindungsgemäße Leitererdung aus einem metallischen, stromführenden, nahezu widerstandslos geerdeten Maschennetz. B2 ist der Widerstand der zu B1 parallel geschalteten Erdung 34.

Die intakten Isolierungen der erdschlußfreien Leiter L₁, L₂ sind mit den Kapazitäten 15 und den realen Widerständen 16 gegen den geerdeten Mantel 10 oder Erdseil 11 dargestellt.

Zum Ermitteln der fehlerhaften Stelle im erdschlußbehafteten Leiter ist es erforderlich, die Leitererdung kurzzeitig aufzuheben. Dies ist ohne große Nachteile für die Fehlerstelle möglich, wenn für die Anzeige der Erdschalter 28 nur wenige Sekunden geöffnet wird. Ist das Hochspannungs-Drehstromnetz (1) im Sternpunkt mit einer Spule zur Erdschlußkompensation versehen, ist die kurze Unterbrechung der Leitererdung auch dann ohne große Nachteile für die Fehlerstelle möglich, wenn zur Ermittlung der fehlerhaften Stelle die Leitererdung häufiger und für längere Dauer aufgehoben werden muß.

Ein regelmäßig für die Abfrage der fehlerhaften Stelle im erdschlußbehafteten Leiter L₁, L₂, L₃ eingesetzter Schalter (nicht dargestellt) ist mit den einpoligen Erdschaltern 28, 29, 30 so verbunden, daß sie nur zusammen ausgeschaltet werden, und der betroffene einpolige Erdschalter 28, 29, 30 nach der für die Entscheidung des Erdschlußkriteriums erforderlichen Zeit wieder selbsttätig einschaltet.

Im Falle eines Erdschlusses aufgrund der beispielhaft angenommenen Fehlerstelle im Leiter L₃ konstatiert die Meßeinrichtung der Ablaufsteuerung 24 im Leiter L₃ eine Spannung, die eine im Speicher der Ablaufsteuerung 24 abgespeicherte frei wählbare voreingestellte Spannung unterschreitet. Die kürzest möglichen Öffnungszeiten des Erdschalters gewährende Ablaufsteuerung 24 wertet die von der Meßeinrichtung übermittelten Spannungen in den Leitern L₁, L₂, L₃ aus und gibt bei eines Erdschluß im Leiter L₃ an das Betätigungsglied 25 einen Impuls, den einpoligen Erdschalter 28 zu schließen, so daß der Leiter L₃ über die Leitererdung nahezu widerstandslos mit der Erde 10, 11 verbunden ist. Die nahezu widerstandslose Leitererdung ist elektrisch parallel zu der Fehlerstelle im Leiter L₃ mit endlichem Widerstand geschaltet, so daß gemäß den Kirchhoff'schen Gesetzen folglich der Ableitstrom 13 an der Fehlerstelle praktisch zu Null wird.

Experimentelle Erdschlüsse wurden in 20 Kilovolt Netzen mit vorgeschädigten Kabeln des Typs NAEKBA und NEKBA und einem gemessenen Ableitstrom von 139 Ampere durchgeführt, und Ströme und Spannungen gesessen. Die Fehlerstelle im Leiter wies einen Abstand von 7,2 Kilometern von der Leitererdung auf.

Im Falle, eines erdschlußkompensierten Netzes mit einer auf Resonanz der Verlagerungsspannung abgestimmten Erdschlußspule nach dem Stand der Technik (Petersen) ergab sich an der Fehlerstelle ein Strom von 9 Ampere bei einer Spannung mit einem Mittelwert von 600 Volt. An der Fehlerstelle zeigten sich starke Feuererscheinungen.

Bei einem Netz mit isoliertem Sternpunkt und dar erfindungsgemäßen Leitererdung ergab sich an der Fehlerstelle ein Strom von 0,5 Ampere bei einer Spannung von 50 Volt.

Claims (6)

1. Schutzeinrichtung zur Verhinderung der Folgen von Erdschlüssen in Hochspannungs-Drehstromnetzen (1)

• - wobei das Hochspannungs-Drehspannungsnetz (1) zumindest drei Leiter (L₁, L₂, L₃), die von einem Transformator (2) mit isoliertem oder hochohmig geerdetem Sternpunkt zu elektrischen Verbrauchern führen, aufweist und
• - Meßeinrichtungen zur Überwachung von Strömen und/oder Spannungen in den Leitern (L₂, L₂, L₃) vorhanden sind,
• - die Leiter (L₁, L₂, L₃) jeweils an einen einpoligen Erdschalter (28, 29, 30) angeschlossen sind,
• - die Erdschalter (28, 29, 30) über nahezu widerstandslose, metallische Verbindungen (31, 32, 33) an einer Erdung (34) angeschlossen sind, und
• - die Meßeinrichtungen über eine Ablaufsteuerung (24) und Betätigungsglieder (25, 26, 27) die einpoligen Erdschalter (28, 29, 30) so steuern, daß, wenn die gemessene Spannung eines Leiters (L₁, L₂, L₃) einen frei wählbaren, in der Ablaufsteuerung (24) abgespeicherten minimalen Spannungswert unterschreitet, derjenige einpolige Erdschalter (28, 29, 30) geschlossen wird, der an dem Leiter (L₁, L₂, L₃,) mit der gemessenen minimalen Spannung angeschlossen ist.

2. Schutzeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Ablaufsteuerung in Form einer speicherprogrammierten Ablaufsteuerung (24) vorgesehen ist.

3. Schutzeinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die einpoligen Erdschalter (28, 29, 30) nahe den Klemmen des Transformators (2) angeordnet sind.

4. Schutzeinrichtung gemäß eins der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - weitere einpolige Erdschalter (28, 29, 30) im Hochspannungs-Drehstromnetz (1) verteilt sind, wenn das Hochspannungs-Drehstromnetz (1) groß ist.

5. Schutzeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in einem Sternpunkt des Hochspannungs-Drehstromnetzes (1) eine Spule zur Erdschlußkompensation angeordnet ist.

6. Schutzeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in den Leitern (L₁, L₂, L₃) eingesetzte Schalter zur Abfrage nach einer Erdschlußstelle mit den einpoligen Erdschaltern (28, 29, 30) so gesteuert werden, daß beide zusammen ausgeschaltet werden, und der betroffene einpolige Erdschalter (28, 29, 30) nach einer zur Abfrage nach einer Erdschlußstelle erforderlichen Zeit wieder selbsttätig eingeschaltet wird.