Erdschlusskompensation

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Petersen-Spule zur Erdschluss-
kompensation

Die Erdschlusskompensation, auch als Resonanzsternpunkterdung (RSPE) oder als gelöschtes Netz bezeichnet, dient in elektrischen Energieversorgungsnetzen dazu, den Fehlerstrom bei nicht beabsichtigten Erdschlüssen eines Außenleiters zu kompensieren.[1] Die Erdschlusskompensation ist auf Wechselspannungssysteme wie Dreiphasensysteme als eine Form der Sternpunktbehandlung und in abgewandelter Form auf Einphasen-Dreileiternetze, wie sie bei Bahnstromnetzen vorkommen, beschränkt.[2] Sie verwendet eine Spule, die in diesem Zusammenhang nach ihrem Erfinder auch als Petersenspule oder als Erdschlusslöschspule bezeichnet wird, die den kapazitiven Erdschlussstrom kompensiert und somit an der Fehlerstelle die Fehlerspannung reduziert. Das Verfahren wurde 1917 von Waldemar Petersen patentiert.[3]

Die Erdschlusskompensation wird typischerweise im Hochspannungsbereich bei Freileitungsnetzen bis zu 230 kV und bei Erdkabeln bzw. gemischten Netzen bis 110 kV eingesetzt. Sie ist eine wirkungsvolle Methode, um die Versorgungssicherheit mit elektrischer Energie zu erhöhen.

Motivation[Bearbeiten]

Ein wesentlicher Anteil aller Störungen in elektrischen Energieversorgungsnetzen, die mit Dreiphasenwechselstrom betrieben werden, ist auf einen Erdschluss zurückzuführen. Beispielsweise wird dieser Erdschluss durch Kabelbeschädigungen, das Hineinwachsen eines Baumes in eine Freileitung, Windschäden oder durch fehlerhafte Isolation der Anlage ausgelöst.

Die Erdung des Sternpunktes könnte über einen niederohmigen Widerstand (niederohmige Sternpunkterdung - NOSPE), wie bei TN-Systemen im Niederspannungsbereich, erfolgen. Der Nachteil dieser Methode in Mittel-/Hochspannungsnetzen zur großräumigen Energieversorgung besteht darin, dass bei einem Erdschluss die Leitung, ähnlich wie beim Fehlerstromschutzschalter im Niederspannungsbereich, abgeschaltet und erst nach der Fehlerbehebung wieder in Betrieb genommen werden kann. Da von diesen Ausfällen sehr viele Energiekunden betroffen sind, wird die Erdschlusskompensation genutzt, um das erdschlussbehaftete Netz weiter betreiben zu können. Dem Netzbetreiber bleibt dadurch Zeit, die Fehlerstelle zu ermitteln und diese durch Netzumschaltungen ohne Versorgungsausfall freizuschalten.

Die Erdschlusskompensation verhindert somit bei einpoligen Erdschlüssen einen hohen Fehlerstrom und die Notwendigkeit zum sofortigen Abschalten der betroffenen Leitung.

Funktion[Bearbeiten]

Prinzipschaltung mit Erdschlusskompensationsspule LE.

Bei der Durchführung der Erdschlusskompensation werden die Sternpunkte einer oder mehrerer Leistungstransformatoren über die Erdschlusslöschspule LE mit dem Erdpotential verbunden, wie in nebenstehender Schaltskizze bei Transformator 1 dargestellt. An der Erdschlusslöschspule liegt im fehlerfreien Fall praktisch keine Spannung an. Im vereinfachten Fall können Wirkwiderstände der Leitung vernachlässigt werden, bei realen, großräumigen Systemen kann es nötig sein, die Erdschlussspulen zur Minimierung der ohmschen Anteile an getrennten Orten aufzustellen.

Kommt es zu einem niederohmigen Erdschluss, wie in der Skizze an dem Außenleiter L3 angedeutet, verschiebt sich das Erdpotential auf jenes des Leiters L3. Der Sternpunkt ist um die Sternspannung verschoben, womit auf den beiden restlichen Außenleitern L1 und L2 die um den Faktor \sqrt{3} größere Dreieckspannung gegen Erde auftritt. Diese Spannungsüberhöhung ist bei Auslegung der Isolation zu beachten.

Die Erdschlusslöschspule bildet im Fehlerfall mit den Leiterkapazitäten CE der Übertragungsleitung einen Parallelschwingkreis. Die Induktivität der Spule wird dabei so eingestellt, dass die Summe der beiden Blindströme durch die Leiterkapazitäten CE zu Außenleiter L1 und L2 betragsmäßig gleich zum Blindstrom durch die Spule LE ist. Die drei Leiterkapazitäten CE je Außenleiter gegen Erde sind nahezu identisch, was unter anderem durch den Einsatz von Verdrillmasten entlang der Freileitung gewährleistet wird.

Da der induktive Blindstrom gegenüber dem kapazitiven Blindstrom um 180° (π) phasenversetzt ist, wird bei abgestimmter Spule das Potential des Sternpunktes des Transformators 1 auf das Außenleiterpotential mit Erdschluss angehoben, in dem Beispielfall auf das Potential des Außenleiters L3. Da damit der Sternpunkt von Transformator 1 das gleiche Potential wie L3 aufweist, ist der Leiterstrom auf L3 im Idealfall 0 A, womit auch der Strom an der Erdschlussstelle im Idealfall 0 A beträgt. Dies ist, bei Vernachlässigung von Wirkanteilen, genau dann der Fall, wenn die Induktivität der Spule LE auf die Leiterkapazität abgestimmt ist:

L_E = \frac{1}{3 \cdot \omega^2 \cdot C_E}

Die Kreisfrequenz ω steht als Faktor für die Netzfrequenz. Damit die Erdschlusslöschspule an verschiedene Leitungskapazitäten angepasst werden kann, je nach Schaltzustand und Länge der Leitungen sind diese Werte unterschiedlich, verfügt sie typischerweise über Einrichtungen zur Veränderung des Luftspaltes mittels Tauchkern. Die mechanische Verstellung des Tauchkernes erfolgt durch einen außenliegenden Motorantrieb über eine Welle.

Die Spannungsverhältnisse auf dem Transformator 2, in der Schaltskizze in Dreieckschaltung dargestellt, bleiben so auch im Erdschlussfall eines Außenleiters unverändert. Ebenso bleiben die Ströme auf den beiden intakten Außenleitern, in dem Beispiel auf L1 und L2, unverändert. Auch die Leistung, die übertragen wird, bleibt unverändert: Sie wird durch die Spannungsüberhöhung auf den beiden intakten Außenleitern kompensiert, da der Außenleiter mit Erdschluss, L3 in jenem Fall, zur Übertragung ausfällt.

In realen elektrischen Anlagen fließt durch die ohmschen Wirkanteile, sowohl der Leitung als auch durch die geringen Leitwerte der Isolatoren bedingt, ein geringer Wirkreststrom durch die Erdschlussstelle. Dieser Wirkstromanteil kann, aufgrund der Phasenlage, nicht durch die Erdschlusslöschspule kompensiert werden. Der Wirkreststrom kann 5 % bis 10 % des Erdschlussstromes betragen und sollte so gering wie möglich sein, um die selbstständige Löschung des Lichtbogens am Erdschlusspunkt nicht zu verhindern.

Lichtbogenfehler[Bearbeiten]

Erste Erdschlussspule von Waldemar Petersen von 1917

Die Erdschlusskompensation dient auch dazu, Lichtbogenfehler gegen Erde zu vermeiden und den Lichtbogen ohne Spannungsunterbrechung zu löschen. Der Lichtbogenfehler ist wegen seiner extremen Hitzeentwicklung besonders gefährlich und nicht durch einen satten elektrischen Kurzschluss gekennzeichnet. Durch eine entsprechend abgeglichene Erdschlusskompensation wird dem Lichtbogen der notwendige Strom für die Aufrechterhaltung der Ionisierung der umgebenden Luft entzogen, wodurch er selbstständig erlischt. Aus dieser Eigenschaft resultiert die Bezeichnung Erdschlusslöschspule.

Alternative Verfahren[Bearbeiten]

Bei Freileitungen mit Spannungen über 230 kV kann die Petersen-Spule wegen der dabei auftretenden Überspannung nicht mehr eingesetzt werden. Beispielsweise würde es in 400 kV-Netzen bei einem Erdschluss und der Spannungsüberhöhung aufgrund der hohen elektrischen Feldstärken um die Leiter zu Koronaentladungen kommen, welche durch die Ionisierung der umgebenden Luft Überschläge an Isolatorenketten begünstigen und so zu nicht mehr kompensierbaren Mehrfachfehlern führen können. Weiter ist in diesen Fällen eine ausreichende Überdimensionierung der Isolierung im Allgemeinen nicht wirtschaftlich durchführbar.

In diesen Anlagen wird der fließende Erdschlussstrom mit einem Leistungswiderstand von 25 Ω bis 50 Ω zwischen dem Sternpunkt des Transformators und Erdpotential begrenzt. Im Fehlerfall wird durch den Netzschutz, welcher den Fehler innerhalb von 150 ms erfasst, eine Kurzunterbrechung der Leitung ausgelöst. Die Kurzunterbrechung führt zum Erlöschen eines eventuell vorhandenen Erdschlusslichtbogens. Der Schaltvorgang wird durch spezielle Leistungsschalter, welche mehrfach innerhalb kurzer Zeit ein- bzw. ausschaltfähig sind, vorgenommen. Ist der Fehler nach einer Kurzunterbrechung nicht mehr vorhanden, dies ist bei Freileitungen in der Mehrzahl aller Kurzunterbrechungen der Fall, bleibt die Leitung in Folge eingeschaltet, ansonsten wird sie wieder abgeschaltet. Vom Distanzschutz kann automatisch die Position der Fehlerstelle an der Leitung bestimmt werden. Bei Erdkabeln wird hingegen keine Kurzunterbrechung vorgenommen, da dabei meist ein permanenter Schaden an der Kabelisolation vorliegt.

Die Versorgungssicherheit wird in diesem Fall primär durch die N-1-Regel sichergestellt, welche aussagt, dass zu jeder Zeit ein elektrisches Betriebsmittel, wie Transformator oder Leitung, ausfallen darf, ohne dass es zu einer Überlastung eines anderen Betriebsmittels oder zu einer Unterbrechung der Energieversorgung kommen darf.

Netze[Bearbeiten]

Mit einer Stromkreislänge von 19.100 km (2005) und durch seine flächenmäßige Ausdehnung ist das 110-kV-Bahnstromnetz der DB/ÖBB das weltweit größte gelöscht betriebene Hochspannungsnetz.[4]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Réne Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 8. Auflage. Teubner, 2003, ISBN 3-519-26424-2.
  •  Clemens Obkircher: Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze. Dissertation, Technische Universität Graz, 2008 (Online (PDF; 1,2 MB)).

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Skriptum Sternpunkterdung, Vorlesung Elektrische Energieversorgung II, Universität Hannover
  2.  SfB-Schiedsstelle für Beeinflussungsfragen (Hrsg.): Richtlinie für Schutzmaßnahmen an Tk-Anlagen gegen Beeinflussung durch Netze der elektrischen Energieübertragung, -verteilung sowie Wechselstrombahnen. 2005, S. 52 bis 55 (http://www.sfb-emv.de/data/TE-3.pdf). (PDF-Datei)
  3. Biografie von Waldemar Petersen, SEV Verband für Elektro-, Energie- und Informationstechnik
  4. Walter Schossig: 10 Jahre elektrische Wiedervereinigung Deutschlands, EW, Jg. 104 (2005), Heft 21-22, S. 80-83