Effiziente Berechnung von Erdschlussströmen in gelöschten Netzen und Betrachtungen zu Globalen Erdungssystemen

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1 Effiziente Berechnung von Erdschlussströmen in gelöschten Netzen und Betrachtungen zu Globalen Erdungssystemen Lothar Fickert (1), Thomas Mallits (1), Ernst Schmautzer (1), (1) Institut für Elektrische Anlagen / TU Graz, Inffeldgasse 18, 8010 Graz, 0316/ , lothar.fickert@tugraz.at, Kurzfassung: In diesem Beitrag wird ein vereinfachter Ansatz zur Bestimmung der Erdfehlerströme, speziell in gelöschten Netzen, vorgestellt. Dabei wird aufgrund der Abschätzung der relativen Größenordnungen der Betriebsmittelparameter das Ersatzschaltbild des einpoligen Fehlers in symmetrischen Komponenten maßgeblich reduziert, somit können unmittelbar die elektrotechnischen Parameter herangezogen werden. Aufgrund von Messungen lässt sich ferner zeigen, dass nur ein Teil des berechneten bzw. tatsächlich auftretenden Fehlerstroms in das physikalische Erdreich eintritt, wodurch im Allgemeinen die Potentialanhebungen und somit die Berührungsspannungen deutlich geringer ausfallen, als jene die mit den üblichen Rechenansätzen bestimmt werden würden. Abschließend wird eine in Großbritannien und Australien übliche Risikoabschätzung zur Bestimmung der Abhilfemaßnahmen im Falle gefährlicher Berührungsspannungen vorgestellt. Keywords: Gelöschte Netze, einpoliger Fehler, Berechnung, Stromverteilung, Risikoabschätzung, Berührungsspannung, Netzplanung, Globales Erdungssystem Seite 1 von 24

2 1 Berechnung von Erdschlussströmen 1.1 Einleitung Leiter-Erde-Fehler (Erdschlüsse) stellen in Mittelspannungsnetzen den überwiegenden Anteil im Störungsgeschehen dar (siehe Abbildung 1). Gerade im Hinblick auf die Diskussion bezüglich der so genannten Löschgrenze bzw. der im Fehlerfall auftretenden Gefährdungsspannungen ist die Bestimmung des Fehlerstromes von großer Bedeutung. Abbildung 1: Fehlerstatistiken für ein- und mehrpolige Fehler, aufgeteilt nach Spannungsebenen In jüngerer Vergangenheit wurde wiederholt die Frage nach der Sinnhaftigkeit bezüglich der Beibehaltung der Erdschlusskompensation ("Löschung") in Mittelspannungsnetzen aufgeworfen 1. Als Ergebnis des derzeitigen Diskussionsstandes kann festgehalten werden, dass - abgesehen von begründeten Ausnahmen, wie zum Beispiel gealterten Kabelnetzen, - die Beibehaltung der Löschung oft sinnvoll ist. Speziell in gemischten Netzen mit größerem Freileitungsanteil hätte eine Umstellung der Sternpunktbehandlung mit einer massiven Erhöhung des Erdfehler-Stroms weitgehende Auswirkungen auf die Erdungskonzeption und die eventuell erforderliche Nachrüstung von Anlagenerdungen. Zur Beurteilung der Anlagensicherheit im Erdfehlerfall ist die Berechnung des Erdschlussstromes erforderlich, um in der Folge entsprechend den geltenden Normen die Sicherheit zu beurteilen (siehe Abbildung 2). 1 Bei Erdschlusskompensation wird in elektrischen Netzen mittels Erdschlusslöschspule (Petersenspule) der kapazitive Erdschlussstrom so kompensiert, dass an der Fehlerstelle der Fehlerstrom (Erdschlussreststrom) sowie die Fehlerspannung und in Folge die auftretenden Berührungsspannungen minimiert wird. In den meisten Fällen kommt es dadurch im Freileitungsnetz zu einem selbsttätigen Erlöschen des Fehlerlichtbogens und die Notwendigkeit des Abschaltens der fehlerbehafteten Leitung wird verhindert. Das gelöschte Netz kann dann bei einem einpoligen Fehler weiter betrieben werden und die Versorgungszuverlässigkeit des Netzes wird nicht reduziert. Seite 2 von 24

3 1.2 Aufgabenstellung Abbildung 2: Stehender Lichtbogen in einer Schaltanlage Die sogenannte Erdschlussberechnung wird in der elektrischen Energietechnik im Wesentlichen aus zwei Gründen durchgeführt: Bestimmung des Reststromes an der Fehlerstelle (zum Beispiel zur Bestimmung der Potentialverhältnisse und der Gefährdungen) Berechnung der Phasoren für Summenströme und Verlagerungsspannung an verschiedenen Stellen in einem elektrischen Netz, um die Schutzeinstellungen bezüglich Empfindlichkeit und Ansprechsicherheit korrekt festlegen zu können. Diese Methodik wird oft als Erdschluss Engineering" bezeichnet. Als Mittel der Wahl wird nach wie vor das Verfahren der symmetrischen Komponenten angewendet, wobei in der Praxis der Einsatz von Netzberechnungs-programmen für detaillierte Auswertungen empfehlenswert ist. Die Erfahrung zeigt, dass der Umgang mit symmetrischen Komponenten ein beträchtliches Maß an theoretischer Ausbildung erfordert, und wegen der erforderlichen Matrizenoperationen und der Skalierungsfaktoren nicht nur aufwändig ist, sondern vor allem in vielen Fällen zu Berechnungsfehlern führt. 1.3 Methodik Ausgehend von der Theorie der symmetrischen Komponenten wird das Ersatzschaltbild der Serienschaltung von Mit-, Gegen-und Nullsystem durch Vernachlässigung des Mit- und Gegensystems vereinfacht, um den Erdfehlerstrom (Erdschlussstrom im gelöschten Netz) zu berechnen (siehe Abbildung 3). Seite 3 von 24

4 Abbildung 3: Ersatzschaltbild für den einpoligen Fehler, maßgebende Parameter Die Ableitungen beruhen auf der Anwendung der Theorie der symmetrischen Komponenten, wobei das Verfahren schrittweise dargelegt wird. Im Sinne eine Vereinfachung des Verfahrens sind die abgeleiteten Rechenergebnisse in der Regel auf ± 10% genau. Im Zuge der folgenden Vereinfachungen werden die Nullimpedanzen allfälliger Sternpunktsbildner und die Mitimpedanz der Transformatoren bzw. des vorgelagerten Hochspannungsnetzes - ausgedrückt durch die Kurzschlussleistung S k sowie der Winkel des k 0 -Faktors vernachlässigt. Bemerkung zu den Vernachlässigungen: Bei einer numerischen Analyse des Stromflusses dargestellt nach dem System der symmetrischen Komponenten zeigt sich, dass die Serienschaltung von Mitsystem - Gegensystem - Nullsystem mit der Phasenspannung der Phase L1 als treibender Spannung als Serienschaltung einer impedanzbehafteten Spannungsquelle und einer hochohmigen Last interpretiert werden darf. Dabei wird die Quellimpedanz der Spannungsquelle durch die Serienschaltung des Mit- und Gegensystems gebildet, und die Last besteht aus dem Nullsystem. Mit Zahlenwerten hinterlegt, nimmt die Serienschaltung von Mit- und Gegensystem nur einen Bruchteil der Gesamtimpedanz (Mit-, Gegen- und Nullsystem) ein und kann daher vernachlässigt werden. Bemerkung zu den Ableitungsschritten: Ausgehend von einer Vorstufe (Betrachtung des Erdkurzschlusses in einem TN-Sytem) wird der Erdschlussstrom in einer darauf aufbauenden Weise für folgende Netzformen bestimmt: a) Erdkurzschluss in einem TN-System (Vorstufe) b) Netz mit strombegrenzendem Sternpunktswiderstand (NOSPE) c) Netz mit isoliertem Sternpunkt (OSPE) d) Netz mit Sternpunktslöschung (RESPE): Grundschwingung und Oberschwingung e) Netz mit Sternpunktslöschung und kurzzeitiger Widerstandserdung des Sternpunktes (KNOSPE) Seite 4 von 24

5 An ausgewählten Stellen wird das Ergebnis anhand eines Rechenbeispiels demonstriert. In jedem der obigen Schritte sind nur diejenigen Netzelemente eingetragen, die zum jeweiligen Verständnis und aufgrund der Rechengenauigkeit notwendig sind. 1.4 Berechnung des Erdschlussstromes in einem TN-System (Vorstufe) Es wird in einem TN-System ein Erdfehler (= Kurzschluss) zwischen einem Leiter und dem PEN-Leiter betrachtet (siehe Abbildung 4, Abbildung ) Abbildung 4a: Erdkurzschluss in einem TN-System: Schaltschema; F Fehlerort R L Abbildung 4b: Physikalischer Stromfluss bei Erdkurzschluss in einem TN-System; F Fehlerort Gemäß Abbildung beträgt der Erdschlussstrom I F, TN = U Phase / (R L + R Ü + R L ) = U Phase / (2 R L + R Ü ) (1) I F, TN Erdschlussstrom an der Fehlerstelle U Phase Phasenspannung R L Widerstand des Phasenleiters R PEN Widerstand des PEN-Leiters R Ü Übergangswiderstand an der Fehlerstelle bzw. bei Berücksichtigung der induktiven Anteile der Leitungsimpedanz I F = U Phase / (Z L + R Ü + Z PEN ) U Phase / (2 Z L + R Ü ) (2) Z L Impedanz des Phasenleiters Z PEN Impedanz des PEN-Leiters Dieser Zusammenhang kann in Anlehnung an das System der symmetrischen Komponenten vereinfacht dargestellt werden, wenn man die Serienschaltung von Mit- und Gegensystem vernachlässigt (siehe Abbildung ). Seite 5 von 24

6 Abbildung 5: Vereinfachte Darstellung eines Erdkurzschlusses im TN-System - Ersatzschaltung; F Fehlerort 1.5 Berechnung des Erdschlussstromes in einem widerstandsgeerdetem Netz (NOSPE) Zur Beantwortung der Kernfrage der Erdschlussberechnung "Wie schließt sich der Strompfad, von Erde her kommend, in das sonst überall hochwertig galvanisch isolierte Netz?" wird die Stromschleife: Umspannwerks-Sammelschiene Phasenleiter Z L Übergangswiderstand R Ü Erd-Rückleitungsimpedanz Z m Sternpunkts- Widerstand R Stp Umspannwerks-Sammelschiene betrachtet (siehe Abbildungen 6a, b). Abbildung 6a: Erdschluss in einem widerstandsgeerdetem Netz (NOSPE) - Schaltschema; F Fehlerort Abbildung 6b: Physikalischer Stromfluss bei Erdschluss in einem widerstandsgeerdetem Netz (NOSPE) ; F Fehlerort Seite 6 von 24

7 Für den Zusammenhang zwischen der Leitungsimpedanz Z L und der Erd- Rückleitungsimpedanz Z m kann man den aus der Netzschutztechnik bekannten Zusammenhang Z m = k 0 Z L mit k 0,Kabel = 0,8 bzw. k 0,HFL = 1 (7) verwenden. Außerdem ist es mit guter Näherung zulässig, die Leitungsimpedanz Z L durch die Leitungsreaktanz X L zu ersetzen. Gemäß Abbildung 7 beträgt der Erdschlussstrom I F I F,NOSPE, m.rü = (U N / 3) / (R ü + R Stp ) 2 + [(1+k 0 ) X L ] 2 (5) Dieser Wert geht, wie oben dargestellt, ebenfalls aus einer (in Anlehnung an das System der symmetrischen Komponenten) etwas umgezeichneten Darstellung hervor (siehe Abbildung 7): Abbildung 7: Erdschluss in einem widerstandsgeerdetem Netz (NOSPE) Ersatzschaltung; F Fehlerort Der Fehlerstrom ist in der Praxis bei dieser Art der Sternpunktsbehandlung im Wesentlichen durch den in Abbildung 7 dargestellten Sternpunktswiderstand R Stp bestimmt. 1.6 Netzform 2: Berechnung des Erdschlussstromes in einem isolierten Netz (OSPE) Zur Beantwortung der obigen Kernfrage "Wie schließt sich der Strompfad, von Erde her kommend, in das sonst überall hochwertig galvanisch isolierte Netz?" sind in diesem Fall die Erde-Leiter-Kapazitäten zu betrachten (siehe Abbildung 8). Seite 7 von 24

8 Abbildung 8: Lichtbogen in kapazitiven Erde-Leiter-Strompfaden In einem Netz mit galvanisch isoliertem Sternpunkt teilt sich der Erdschlussstrom, von der Fehlerstelle ausgehend, auf verschiedene Teilstrompfade (I F,1 bis I F,n ) über die einzelnen Erde-Leiter-Kapazitäten auf (siehe Abbildung 9a) Abbildung 9a: Physikalischer Stromfluss bei Erdschluss in einem Netz mit isoliertem Sternpunkt (OSPE) ; F Fehlerort Wenn man diese einzelnen Erde-Leiter-Kapazitäten zu einer Gesamt-Kapazität X kap und ebenso die einzelnen Teilstrompfade zu einem Gesamtstrom (I F,kap ) zusammenfasst, erhält man folgendes Schaltschema (Abb. 9b) Seite 8 von 24

9 Abbildung 9b: Erdschluss in einem Netz mit isoliertem Sternpunkt (OSPE) - Schaltschema; F Fehlerort Gemäß Abbildung 9a und 9b setzt sich der Erdschlussstrom I F aus den kapazitiven Strombeiträgen der einzelnen Netzabschnitte zusammen: In einem Kabelnetz mit der Länge l Kabel liefert je 1 km Kabel einen Erdschlussstrom-Beitrag von ca. 3 A und je 1 km Freileitung davon etwa 1/30 dieses Wertes. Dadurch ergibt sich folgender kapazitiver Erdschlussstrom (bei vernachlässigtem Erd-Übergangswiderstand, worst-case): I F,OSPE,o.RÜ = I CE,Netz = l Kabel i Kabel + l HFL i HFL (7) mit I F Erdschlussstrom an der Fehlerstelle U Phase Phasenspannung l Kabel, l HFL Gesamtlänge der Kabel / Freileitungen i Kabel, i HFL kapazitiver Strombeitrag pro Kilometer Kabel / Freileitung Dieser, gemäß Gleichung (7), berechnete Wert geht ebenfalls aus einer (in Anlehnung an das System der symmetrischen Komponenten) etwas umgezeichneten Darstellung hervor (siehe Abbildung 10): Abbildung 10: Erdschluss in einem Netz mit isoliertem Sternpunkt (OSPE) Ersatzschaltung; F Fehlerort Seite 9 von 24

10 Gemäß Abbildung 10 stellt der Netz-Ersatz-Kondensator X Netz,kap für die Fehlerstelle F als Innenwiderstand des Netzes eine Reaktanz von dar. X Netz,kap = U Phase / I CE,Netz = U Phase / (l Kabel i Kabel + l HFL i HFL ) (8) Bemerkung: Für den Fall, dass der Fehler-Übergangswiderstand nicht mehr vernachlässigt werden kann (R Ü > einige 100 Ω), ist der Erdschlussstrom gemäß Abbildung 10 aus der vollständigen Stromschleife Transformator Übergangswiderstand R Ü Innenreaktanz des Netzes X Netz,kap zu berechnen. I F,OSPE, m.rü = (U N / 3) / R ü 2 + X Netz,kap Netzform 3: Berechnung des Erdschlussstromes in einem Netz mit Sternpunktslöschung (RESPE) - Berechnung des 50-Hz-Anteils im Erdschlussstrom Für die Beantwortung der stets gleichen Grundfrage "Wie schließt sich der Strompfad, von Erde her kommend, in das sonst überall hochwertig galvanisch isolierte Netz?" ist in diesem Fall zusätzlich zu den Erde-Leiter-Kapazitäten der neu geschaffene Strompfad über die Petersenspule (Löschspule) zu betrachten (siehe Abbildung 11a). (12) Abbildung 11a: Physikalischer Stromfluss bei Erdschluss in einem Netz mit Sternpunktslöschung (RESPE); F Fehlerort Analog zu der Vorgangsweise beim Netz mit isoliertem Sternpunkt kann man daraus das nachfolgende Schaltschema (Abb. 11b) ableiten: Seite 10 von 24

11 Abbildung 11b: Erdschluss in einem Netz mit Sternpunktslöschung (RESPE) - Schaltschema; F Fehlerort Gemäß Abbildung 11a und 11b setzt sich der Erdschlussstrom I F wiederum aus den kapazitiven Strombeiträgen der einzelnen Netzabschnitte (I CE,Netz ) zusammen, doch diesmal überlagert sich - mit entgegengesetztem - Vorzeichen der induktive Spulenstrom I Pet. Dadurch ergibt sich insgesamt folgender Erdschlussstrom (bei vernachlässigtem Erd- Übergangswiderstand): I F,RESPE,o.RÜ = I Pet - I CE,Netz = U Phase / X Pet (l Kabel.i Kabel + l HFL.i HFL ) = ü I CE,Netz (9) mit I Pet Strom durch die Petersenspule X Pet Reaktanz der Petersenspule ü Überkompensationsgrad des Netzes (p.u.) Dieser gemäß Gleichung (9) berechnete Wert geht wie im vorigen Abschnitt aus einer (in Anlehnung an das System der symmetrischen Komponenten) etwas umgezeichneten Darstellung hervor (siehe Abbildung 12): Abbildung 12: Erdschluss in einem Netz mit Sternpunktslöschung (RESPE) Ersatzschaltung; F Fehlerort 50 Hz Gemäß Abbildung 12 stellt die Parallelschaltung von Petersenspule X Pet und Netz-Ersatz- Kondensator X Netz,kap für die Fehlerstelle F als Innenreaktanz des Netzes X Netz,gesamt eine Gesamt-Reaktanz von Seite 11 von 24

12 dar. X Netz,gesamt = U Phase / I F,RESPE,o.RÜ = U Phase / (ü I CE,Netz ) (10) Bemerkung: Der Wert für X Netz,gesamt kann zur Kontrolle auch aus der folgenden Beziehung unter Berücksichtigung der Vorzeichen gewonnen werden X Netz,gesamt = X Netz,kap // X Pet = (- U Phase /I CE,Netz ) // (+U Phase / I Pet ) (11) Der Erdschlussstrom ist aus der vollständigen Stromschleife (siehe Abbildung 12): Umspannwerks-Sammelschiene Übergangswiderstand R Ü Innenreaktanz des Netzes X Netz,gesamt Umspannwerks-Sammelschiene wie folgt zu berechnen. I F = (U N / 3) / R ü 2 + X Netz,gesamt 2 (12) Zahlenbeispiel 1: Fehler in einem ausgedehntem 20-kV-Kabelnetz (9 Kabelabgänge à 10 km ) Petersenspule: 3,7% überkompensiert Übergangswiderstand = 100 Ohm U Phase = V / 3 = V I CE,Netz = l Kabel i Kabel + l HFL i HFL = 9 Abg 10 km 3 A/km + 0 = 270 A I Pet = (1+ü). I CE,Netz = (1 +0,037) 270 A = 280 A X Netz,gesamt = U Phase / I F,RESPE,o.RÜ = U Phase / (ü I CE,Netz ) = / 10 = 1155 Ω I F,RESPE, m.rü = U Phase / R 2 ü + X 2 Netz,gesamt = / = 9,9 A 1.8 Netzform 3: Berechnung des Erdschlussstromes in einem Netz mit Sternpunktslöschung (RESPE) - Berechnung des 250-Hz-Anteils im Erdschlussstrom Bei der Berechnung der 250-Hz-Verhältnisse ist Folgendes zu berücksichtigen (siehe Abbildung 13): 1. Die treibende Spannung ist hier der 250-Hz-Anteil der Leiter-Erde-Spannung und nicht die 50-Hz-Phasenspannung. U Phase,250 = p 250 U N / 3, wobei p 250 den Anteil der 5. Oberschwingung in der verketteten Spannung bezeichnet. 2. Alle Kapazitäten haben bei 250 Hz eine 5-mal so kleine Reaktanz wie bei 50 Hz. 3. Die Petersenspule hat bei 250 Hz eine 5-mal so große Reaktanz wie bei 50 Hz. Daher kann ihre Reaktanz gegenüber den Netzkapazitäten vernachlässigt werden. 4. Die Reaktanzen der Leitungen sind 5-mal so groß wie bei 50 Hz und sollten nicht mehr vernachlässigt werden. Seite 12 von 24

13 X Netz, kap.,250 = U N 3 5 I CE Abbildung 13: Erdschluss in einem Netz mit Sternpunktslöschung (RESPE) Ersatzschaltung; F Fehlerort 250 Hz Gemäß Abbildung 13 entfällt in der Parallelschaltung von Petersenspule X Pet und Netz- Ersatz-Kondensator X Netz,kap wegen der sinnvollen Vernachlässigbarkeit der nunmehr hohen Impedanz der Petersenspule der Spulenzweig. Damit verhält sich bei hohen Frequenzen ein gelöschtes Netz wie ein isoliertes Netz. Die Reaktanzen sind mit dem Faktor f/50hz zu berücksichtigen. Bemerkung 1: Bedingt durch die Vereinfachung (statt Leitungsimpedanz wird nur die Leitungsreaktanz genommen) kann es rein rechnerisch bei einer gewissen Leitungslänge durch gegenseitiges Aufheben der Blindanteile zu einer Resonanz kommen. Dann würde der Strom unendlich, was aber unrealistisch wäre. In diesem Fall sind immer noch die Wirkwiderstände vorhanden, welche den Oberschwingungsanteil im Erdschlussstrom wirksam bedämpfen. Nur in diesem Fall ist eine exakte Berechnung erforderlich. Bemerkung 2: Der Wert für X Netz,gesamt kann zur Kontrolle auch aus der folgenden Beziehung unter Berücksichtigung der Vorzeichen gewonnen werden: X Netz,gesamt,250 = X Netz,kap,50 /5 // X Pet 5 (- U Phase /I CE,Netz ) /5 (11a) Bemerkung 3: Der Reaktanzwert der Leiterschleife von der Fehlerstelle zur Umspannwerks-Sammelschiene und zurück beträgt für 250 Hz das Fünffache der 50-Hz- Reaktanz. Der Erdschlussstrom ist aus der vollständigen Stromschleife (siehe Abbildung 13): Seite 13 von 24

14 Umspannwerks-Sammelschiene Übergangswiderstand R Ü Phasenleiter X L,250 Netzkapazität X Netz,gesamt,250 Erd-Rückleitungsimpedanz Z m,250 = k 0 X L,250 Umspannwerks-Sammelschiene zu berechnen. I F,250 = p 250 (U N / 3) / R ü 2 + [X Netz,kap,250 - (1+k 0 ) X L,250 ] 2 (12a) Zahlenbeispiel 2: Fehler in einem großen 20-kV-Kabelnetz (9 Kabelabgänge à 10 km mit x = 0,13 Ohm/km ) Petersenspule: 3,7% überkompensiert (spielt im Folgenden keine Rolle) Übergangswiderstand = 100 Ohm Fehlerort in 3 km Entfernung von der Umspannwerks-Sammelschiene: X L = 3km 0,13 Ω/k = 0,39 Ohm k 0 = 0,7 p 250 = 2% = 0,02 I CE,Netz = l Kabel.i Kabel + l HFL.i HFL = 9 Abg 10 km 3A/km + 0 = 270 A U Phase,250 = p 250 U N / 3 = 0, V / 3 = 231 V X Netz,gesamt,250 (- U Phase /I CE,Netz ) /5 = (11547/270) /5 = 8,6 Ohm X L,250 = x l 5 = 3km 0,13 Ω 5 =1,95 Ohm I F,250 = p 250 (U N / 3) / R ü 2 + [X Netz,kap,250 - (1+k 0 ) X L,250 ] 2 = 231 V / [8,6 - (1+0,7) 1,95] 2 = 2,3 A 1.9 Netzform 4: Berechnung des Erdschlussstromes in einem Netz mit Sternpunktslöschung und kurzzeitiger Widerstandserdung des Sternpunktes (KNOSPE) Fallweise wird in einem grundsätzlich gelöschten Netz im Fehlerfall kurzzeitig ein mehr oder weniger stromstarker Widerstand parallel zur Petersenspule zugeschaltet, um die Erdschlussortung zu verbessern (Wattreststrom-Erhöhung bzw. KNOSPE). In diesem Fall ist, ausgehend von Abbildung 12, parallel zur Petersenspule der Sternpunktswiderstand zu berücksichtigen (siehe Abbildung 11a). Beim Ortungsverfahren der KNOSPE in einem grundsätzlich gelöschten Netz wird also ein weiterer Strompfad durch den Sternpunkt- Widerstand geschaffen, der den zusätzlichen Wirkstrom I R hervorruft. In der Abbildung 14a ist zuerst der physikalische Stromfluss und in Abbildung 14b das daraus abgeleitete Schaltschema wiedergegeben. Seite 14 von 24

15 Abbildung 14a: Physikalischer Stromfluss bei Erdschluss in einem Netz mit Sternpunktslöschung und kurzzeitiger Widerstandserdung des Sternpunktes (KNOSPE) ; F Fehlerort Abbildung 14b: Erdschluss in einem Netz mit Sternpunktslöschung und kurzzeitiger Widerstandserdung des Sternpunktes (KNOSPE) Schaltschema; F Fehlerort Gemäß Abbildung 15 setzt sich der Erdschlussstrom I F wiederum aus den kapazitiven Strombeiträgen der einzelnen Netzabschnitte (I CE,Netz ), dem induktiven Spulenstrom I Pet und dem Strom durch den Sternpunktswiderstand I R zusammen. In der realen Netztechnik ist der Strom I R so groß, dass die Leitungsimpedanzen bis zur Fehlerstelle "F" nicht mehr - wie in den vorigen Abschnitten - vernachlässigt werden können, sondern, wie im Abschnitt Netzform 1 (NOSPE) dargestellt, zu berücksichtigen sind. In Analogie zum vorigen Abschnitt wird in der Folge von der vereinfachten Darstellung gemäß dem Verfahren der symmetrischen Komponenten ausgegangen (siehe Abbildung 15), Seite 15 von 24

16 Z L L k 0 * Z L Abbildung 15: Erdschluss in einem Netz mit Sternpunktslöschung und kurzzeitiger Widerstandserdung des Sternpunktes (KNOSPE) - Ersatzschaltung; F Fehlerort Zur Beantwortung der stets gleichen Kernfrage "Wie schließt sich der Strompfad, von Erde her kommend, in das sonst überall hochwertig galvanisch isolierte Netz?" wird die Stromschleife Umspannwerks-Sammelschiene Übergangswiderstand R Ü Phasenleiter Z L Parallelschaltung von Innenreaktanz des Netzes X Netz,gesamt (Netzkapazität // Petersenspulen-Induktivität) und Sternpunkts-Widerstand R Stp Erd- Rückleitungsimpedanz Z m = k 0. Z L Umspannwerks-Sammelschiene betrachtet (siehe Abbildung 15). I F,KNOSPE, m.rü = U Phase / (Z L + R Ü + Z m + X Netz,gesamt // R Stp ) (13) I F,KNOSPE, m.rü = U Phase / [(R Stp // X Netz,gesamt ) + Z L (1+k 0 ) + R Ü ] mit U Phase U N / 3 [V] R Stp Sternpunktswiderstand [Ω] X Netz,gesamt Innenreaktanz des Netzes: X Netz,gesamt = U Phase / (ü.i CE,Netz ) Z L Impedanz des Phasenleiters Z m Erd-Rückleitungsimpedanz der Erde k 0 Verhältnis von Erd-Rückleitungsimpedanz zu Impedanz des Phasenleiters: R Ü Übergangswiderstand an der Fehlerstelle Zahlenbeispiel 3: Fehler in einem großen 20-kV-Kabelnetz mit Freileitungsanteilen (9 Kabelabgänge à 10 km) Petersenspule: 3,7% überkompensiert Seite 16 von 24

17 Sternpunktswiderstand R Stp = 18 Ω Fehlerort: Freileitungsnetz, 6 km (à 0,35 Ω /km) von der Umspannwerks-Sammelschiene entfernt Übergangswiderstand = 5 Ohm U Phase = V / 3 = V I CE,Netz = l Kabel.i Kabel + l HFL.i HFL = 9 Abg 10 km 3 A/km + 0 = 270 A I Pet = (1+ü). I CE,Netz = (1 + 0,037) 270 A = 280 A X Netz,gesamt = U Phase / (ü I CE,Netz ) = / (0, ) = 1155 Ω R Stp // X Netz,gesamt = / ( ) = 17,7 Ω I F,KNOSPE, m.rü = U Phase / [(R Stp // X Netz,gesamt ) + Z L (1+k 0 ) + R Ü ] = / [17,7 + 2,1 (1+1) + 5] = 429 A 2 Betrachtungen zum Globalen Erdungssystemen 2.1 Grundlegendes Hinsichtlich der Personensicherheit im Erdschlussfall gilt in Österreich die ÖVE/ÖNORM E 8383: , Starkstromanlagen mit Nennwechselspannung über 1 kv, als verbindliche Vorschrift gemäß ETV 2002/A2 vom 12. Juli Die Europanorm ÖVE/ÖNORM EN50522: , Erdung von Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kv, wird in Zukunft die ÖVE/ÖNORM E 8383 ersetzen und ist anwendbar zur Festlegung von Anforderungen für die Projektierung und Errichtung von Erdungsanlagen für Starkstromanlagen in Netzen mit Nennwechselspannungen über 1 kv und einer Nennfrequenz bis einschließlich 60 Hz, um eine sichere und störungsfreie Funktion im bestimmungsgemäßen Betrieb von Hochspannungsanlagen sicherzustellen. Das Schutzziel, das es einzuhalten gilt, wird gemäß dem Stand der Technik und der Wissenschaft durch die zulässige Berührungsspannung U TP (t) beschrieben. Um diese einzuhalten, wird in der oben angeführten Normen im Bild 5 die Auslegung von Erdungsanlagen, die nicht Teil eines Globalen Erdungssystems sind, im Hinblick auf die zulässige Berührungsspannung U Tp durch Überprüfung der Erdungsspannung U E oder der Berührungsspannung U T beschrieben (siehe Abbildung 16). Seite 17 von 24

18 Abbildung 16: Zulässige Berührungsspannung (Bild 5 der ÖVE/ÖNORM EN 50522) Eine kritische Analyse des Normentextes zeigt allerdings, dass, im Fluß-Diagramm (Bild 16) der ÖVE/ÖNORM EN die Möglichkeit, durch die Feststellung eines Globalen Erdungssystems auf jedem weiteren Nachweis verzichten zu können, dies wird lediglich im Abbildungstext erwähnt, nicht aber explizit im Flussdiagramm aufgezeigt. Wenn man diesen Pfad noch einfügt, erhält man die Abbildung 17. Abbildung 17: Vervollständigtes Flussdiagramm zur Bestimmung der Zulässigkeit von Erdungsanlagen Seite 18 von 24

19 2.2 Definition eines Globalen Erdungsnetzes Die Schwierigkeit, das Vorliegen eines Globalen Erdungssystems nachzuweisen, liegt in der mangelnden Operationalität des Begriffs. Hier lautet die wesentliche Aussage, dass durch die Verbindung der örtlichen Erdungsanlagen untereinander sichergestellt ist, dass in einem Fehlerfall (Erdfehler) keine gefährlichen Berührungsspannungen auftreten. Laut DIN EN (VDE ): / EN :2010 kann das Bestehen eines Globalen Erdungssystems durch Mustermessungen oder Berechnungen für typische Anordnungen nachgewiesen werden. Bemerkung: Aufgrund der Zeitabhängigkeit der zulässigen Berührungsspannung hat die Funktion allfälliger sicherheitsrelevanter Erdschlussschutzeinrichtungen einen maßgeblichen Einfluss auf die Bewertung der Spannungsverhältnisse, welche ihrerseits ausschließlich durch die Anlagenkonzeption einschließlich des Erdungskonzeptes bestimmt werden. Hinsichtlich des Vorliegens eines Globalen Erdungssystems gilt allgemein: Ein niedriger Gesamterdungswiderstand ist nützlich, bietet aber zwangsläufig keine Sicherheit. Es gibt keine Mindestanforderung an den Erdungswiderstand. Sogar in Anlagen mit hohem Erdboden- und Gesamtwiderstand können durch Zusatzwiderstände und angemessene Potentialsteuerung die Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Ein niedriger Fehlerstrom ist nützlich, da dadurch die gesamte Erdungsspannung begrenzt wird. Zumindest beidseitig geerdete Kabelschirme oder Begleiterder verteilen den Fehlerstrom so, dass die gesamte Erdungsspannung bzw. die Berührungsspannungen herabgesetzt werden; Eine kurze Fehlerdauer ( 1 s) erhöht die zulässige Berührungsspannung. Als typische Fälle, dass eine Anlage Teil eines Globalen Erdungssystems ist, werden folgende Situationen angesehen: Anlage, umgeben von Gebäuden mit Fundamenterdern und verbundenen Erdungsanlagen, z. B. durch Kabelschirme von MS-Kabeln und/oder PEN-Leitern und/oder Begleiterdern Anlage versorgt Stadtzentren oder dicht bebaute Gebiete mit einer hohen Konzentration an metallischen Einbauten im Erdreich Anlage mit einer bestimmten Anzahl von nahegelegenen Anlagen Anlage mit einer bestimmten Anzahl und Länge von abgehenden Erdern Anlage angeschlossen über mehrere Kabel mit Erderwirkung Anlage versorgt ausgedehnte Industriegebiete Als typische mögliche Fälle, dass eine Anlage nicht Teil eines Globalen Erdungssystems ist, werden folgende Situationen angesehen: Seite 19 von 24

20 Kabelübergangsmasten in Netzausläufern Dünn besiedelte Gebiete Einzeln stehende Anlagen Pumpstationen Trafostationen mit Freileitungsanspeisung usw. 2.3 Messungen zur Verteilung von Erdfehlerströmen Wie wiederholte Messungen des Institutes für Elektrische Anlagen der Technischen Universität Graz in verschiedenen Netzgebieten und bei verschiedenen Fehlersituationen gezeigt haben, hat der Fehlerstrom aufgrund der induktiven Verkopplungen von Hin- und Rückleiter(n) die Tendenz, in unmittelbarer Nähe des fehlerstromführenden aktiven Leiters zurückzufließen. Die in Abbildung 18 gezeigte Stromverteilung in Erdungsanlagen von Mittelund Niederspannungsanlagen auf allfällige Kabelschirme und Begleiterder ist insofern typisch für Globale Erdungsnetze, als nur ein kleiner Bruchteil (3 %) des Erdfehlerstromes in das physikalische Erdreich eintritt und der wesentliche Teil des Fehlerstroms in Kabelschirmen und Begleiterdern fortgeleitet wird und nicht über die Erdungsanlage fließt. Damit ist nur ein kleiner Teil des Erdfehlerstromes hinsichtlich der Ausbildung eines Spannungstrichters, hervorgerufen durch das Zusammenwirken von Erdstrom und Erdungsimpedanz, wirksam. Dadurch fallen die Auswirkungen auf die Berührungsspannungen deutlich geringer aus als im Allgemeinen angenommen wird. Abbildung 18: Realer Stromfluss beim einpoligen Fehler in einem Netz mit Erdschlusskompensation 2.4 Risikobetrachtungen Ein weiterer, neuartiger Ansatz für die Betrachtung von Risiken durch Erdfehler wird in die internationale Diskussion durch eine australische Norm [6] und den britischen nationalen Anhang zur oben angeführten Europanorm BS EN 50522:2010 [7] gebracht: Hierbei wird für eine potenziell gefährliche Struktur aufgrund der nachstehenden Formel das Risiko für ein einzelnes Individuum pro Jahr berechnet, durch Kontakt mit einer solchen Seite 20 von 24

21 Konstruktion, welche ein gefährliches Berührungspotenzial aufweisen kann, zu Schaden zu kommen. Dabei sind für alle konkreten Parameter Worst-Case-Annahmen zu treffen. p indiv = n earthfault x n expo x t earthfault + t expo x p Fib x CRF 365 x 24 x 60 x 60 (14) p indiv n earth fault t earthfault n expo Risiko eines Individuums, mit einer Struktur mit Gefährdungspotential (Earth Potential Rise, EPR) in Kontakt zu kommen [1/a] Häufigkeit für einen einpoliger Fehler mit Auswirkung auf diese Struktur [1/a] durchschnittliche Dauer eines solchen einpoligen Fehlers [s] Kontakthäufigkeit des Individuums mit der oben angeführten Struktur [1/a] t expo durchschnittliche Kontaktdauer des Individuums mit der oben angeführten Struktur p fib CRF Spannungs-Zeit-bedingtes Risiko für Herzkammerflimmern [p.u.] Reduktionsfaktor durch allfällige Warnhinweise oder Barrieren [p.u.] Für den Fall, dass eine solche Worst-Case-Analyse eine Wahrscheinlichkeit von weniger als p indiv < 10-6 ergibt, kann entsprechend [6] auf weitere Maßnahmen verzichtet werden. Wenn die Wahrscheinlichkeit höher liegt und Werte bis zu p indiv < 10-4 annehmen kann, ist laut [7] eine wirtschaftliche Betrachtung (Cost Benefit Analysis, CBA) zulässig, aufgrund derer mögliche Abhilfemaßnahmen bewertet werden. Wenn man auch diese Überlegungen in das obenstehende Flussdiagramm (Abbildung 17) einfügt, ergibt sich das modifizierte Flussdiagramm zur Bestimmung der Zulässigkeit von Erdungsanlagen (siehe Abbildung 19) Seite 21 von 24

22 Abbildung 19: Erweitertes Flussdiagramm entsprechend dem nationalen britischen Anhang zur oben angeführten Europanorm BS EN 50522:2010 [7] Seite 22 von 24

23 3 Ausblick und Schlussfolgerung Mittels des vereinfachten Verfahrens bei der Berechnung des Erdfehlerstromes können in Mittelspannungsnetzen leicht Aussagen über dessen Größe mit tolerierbarer Ungenauigkeit getroffen werden. Die Ergebnisse der zuvor gezeigten Methode zeigen einerseits einen erleichterten Zugang zu dieser Aufgabe sowie eine Vereinfachung der nötigen Berechnungen der Erdfehlerströme. Die Erfahrungen mit Globalen Erdungssystemen zeigen jedoch, dass es auf jeden Fall notwendig ist, die im Falle eines Erdfehlers auftretenden Berührungsspannungen im Bereich von Erdungsanlagen und insbesondere die Fehlerstromaufteilung in Globalen Erdungssystemen zu untersuchen. Für die Beantwortung der Frage, wieweit Risikobetrachungen in die Bewertung von Erdungsanlagen eingehen können, sind zukünftig noch Diskussionen auf breiter Ebene nötig. Seite 23 von 24

24 Literatur [1] M. Lindinger, Nachweis Globaler Erdungssysteme durch Messung und Berechnung von verteilten Erdungsanlagen, Dissertation TU Graz 2012 [2] ÖVE/ÖNORM EN 50522:2011, Erdung von Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kv [3] ÖVE/ÖNORM EN , Kurzschlussströme in Drehstromnetzen - Teil 3: Ströme bei Doppelerdkurzschluss und Teilkurzschlussströme über Erde [4] Bräunlich, R., Die messtechnische Überprüfung von großen Erdungsanlagen, Fachkommission für Hochspannungsfragen, FKH, Zürich, 1995 [5] EG-0, Power System Earthing Guide, 2010, Energy Networks Association Limited [6] BS EN 50522:2010, National Annex NA [7] ÖVE/ÖNORM E 8383: , Starkstromanlagen mit Nennwechselspannung über 1 kv Seite 24 von 24