Einfluss Harmonischer auf den Erdschluss-Reststrom

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1 Fakultät Elektrotechnik und Informatik Einfluss Harmonischer auf den Erdschluss-Reststrom Stand der Modellbildung... Uwe Schmidt Karla Frowein Zittau,

2 00 Inhalt Prinzip der Resonanz-Sternpunkterdung Grundlagen Harmonische im Erdschluss-Reststrom Resonanzstellen Frequenzabhängige Impedanzen Berechnung von Erdschluss-Restströmen Einfluss Fehlerort Einfluss des Erdungs-/Fehlerwiderstandes Zusammenfassung Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 2 von 20

3 01 Grundlagen Prinzip der Resonanz-Sternpunkterdung U EN G M U q L I M L G E I ace CE I bce I cce I L I CE a b c - Kompensation des kapazitiven Erdschluss-Reststromes I CE - vollständige Kompensation: 3 ω L M = 1 ω C E - Verstimmungsgrad v: v = I CE I L I CE Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 3 von 20

4 01 Grundlagen Prinzip der Resonanz-Sternpunkterdung - Dämpfung d: d = I rw I CE - Erdschluss-Reststrom I RES(50) : I RES(50) = I CE d 2 + v 2 Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 4 von 20

5 01 Grundlagen Prinzip der Resonanz-Sternpunkterdung - Dämpfung d: d = I rw I CE - Erdschluss-Reststrom I RES : I RES = I CE d 2 + v 2 + i 2 ν Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 5 von 20

6 01 Grundlagen Obergrenze des Erdschluss-Reststromes (DIN VDE ) A Erdschluss-Reststrom I RES Nennspannung des Netzes U kv n Obergrenze des Erdschluss-Reststromes (DIN VDE (VDE )) - für 20-kV-Netze: I RES = 60 A - ohne bekannte Werte: I ν = 0, 1 I CE Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 6 von 20

7 01 Grundlagen Zulässige Berührungsspannung (DIN EN 50522) zulässige Berührungsspannung (DIN EN 50522) - für Fehlerdauern t F 10 s: Erdungsanlage I RES Bezugserde U ZE (RA) E 2 U Tp U Tp = 80 V U E 2 U Tp - Erdungsimpedanz: Z Ep = 2 80 V 60 A = 2, 7 Ω Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 7 von 20

8 01 Motivation Ergebnisse von Messungen in 20-kV-Netzen A Erdschluss-Reststrom IRES Reststrom, gesamt Reststrom, 50-Hz-Anteil Obergrenze A kapazitiver Erdschlusstrom I CE Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 8 von 20

9 02 Harmonische im Erdschluss-Reststrom Ursachen U 1 Z 1(110) Z 1(20) Z 2 U I, 1 1 C 1 C 2 * U 1 * U I 3R F RES - Reihenschaltung von Mit-, Gegenund Nullsystem - Parallel- und Reihenresonanzen - dominierende Reihenresonanz: 3L M Z 0N C 0 * U 0 f e(r) = 1 2π L 0 + 2L 1 2L 1 L 0 C 0 + L 0 L 1 C 1 Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 9 von 20

10 02 Harmonische im Erdschluss-Reststrom Resonanzen - Spannungen Effektivwert der Spannung U ν(ll) 2 % 1,5 1 0,5 0 Vorfehler Fehler Frequenz der Spannung f Hz - Reihenschwingkreises wird im Erdschlussfall wirksam - Spannungen über den Elementen L und C werden größer - frequenzabhängige Impedanz Z (ω) des 20-kV-Netzes wird kleiner Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 10 von 20

11 Impedanz Z 02 Harmonische im Erdschluss-Reststrom Resonanzstellen eines realen 20-kV-Netzes A Aus der Sicht des Fehlerortes: Ω /20 kv S 40 MVA r u 12 % k Z 110 Uν Iν L M 11 km Hz Frequenz f Sammelschiene UW-fern I 430 A CE Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 11 von 20

12 Impedanz Z 02 Harmonische im Erdschluss-Reststrom Resonanzstellen eines realen 20-kV-Netzes A Aus der Sicht des Fehlerortes: Ω 1000 Z 1(20) C 1 * U Z 2 * U 2 1 C 2 U 1, I Hz Frequenz f Sammelschiene UW-fern 3L M C 0 * U 0 Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 12 von 20

13 02 Harmonische im Erdschluss-Reststrom Resonanzstellen eines realen 20-kV-Netzes A - Aus der Sicht des Strom- oder Spannungsquelle werden zwei Parallelschwingkreise wirksam - Netzimpedanz des 110-kV-Netzes hat Einfluss auf den Stromeintrag in das 20-kV-Netz - Zur Bestimmung des Erdschluss-Reststromes ist die Berücksichtigung des Stromteilers notwendig. k s = I ν(110) I ν(20) L 1(110) I (110) I (20) L 1 L 2 L 0 C 2 C 0 C 1(110) C 1 Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 13 von 20

14 Impedanz Z 02 Modellbildung Vergleich der Frequenzcharakteristik - reales Netz A IFC des Fehlerortes Stromteiler k s Ω Verhältnis k s Hz Frequenz f Sammelschiene UW-fern Hz Frequenz f Sammelschiene UW-fern Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 14 von 20

15 03 Berechnung von Erdschluss-Restströmen Erdschlussmessungen - 20-kV-Kabelnetz A 110/20 kv - kapazitiver Erdschluss-Reststrom Z 110 Uν S 40 MVA r u 12 % k I CE = 430 A Iν L M I 430 A CE 11 km - UW-naher Erdschluss - UW-ferner Erdschluss - Fehlerwiderstand R F = 30 Ω Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 15 von 20

16 03 Berechnung von Erdschluss-Restströmen Erdschlussmessungen - 20-kV-Kabelnetz A Fehler Nähe Sammelschiene A 50 gemessen 40 berechnet Hz 450 Frequenz f Erdschluss-Reststrom I RES A Erdschluss-Reststrom I RES Fehler im Netz gemessen berechnet Hz 450 Frequenz f Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 16 von 20

17 Impedanz Z 03 Einfluss des Erdungs-/Fehlerwiderstandes Einfluss der Dämpfung, Freileitungsnetz B Ω Frequenz f Hz 26 Ohm 10 Ohm 0,0001 Ohm A Erdschluss-Reststrom I RES Frequenz f Hz 0,0001 Ohm 10 Ohm 25,9 Ohm Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 17 von 20

18 03 Einfluss des Erdungs-/Fehlerwiderstandes Einfluss der Dämpfung, Freileitungsnetz - Fehler- und Erdungswiderstände glätten den Impedanzverlauf - Erdschlüsse in/an Stationen mit hohem Erdungswiderstand müssen nicht mit worst-case-szenarien beaufschlagt werden - Fehlerwiderstände in Kabelanlagen unklar! Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 18 von 20

19 04 Zusammenfassung 1. Berücksichtigung der frequenzabhängigen 110-kV-Netzimpedanz ist notwendig. 2. Reihen-Resonanzstellen können zu Stromüberhöhungen führen. 3. Oberschwingungspegel der 110-kV-Ebene haben entscheidenden Einfluss 4. Realistische Erdungs- und Fehlerwiderstände dämpfen Oberschwingungsanteile im Erdschluss-Reststrom I RES 5. Funktionierendes Modell auf Basis verteilter, frequenzabhängiger Parameter Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 19 von 20

20 Klug sein besteht zur Hälfte darin, zu wissen, was man nicht weiß. Konfuzius ( v. Chr.) Uwe Schmidt Hochschule Zittau/Görlitz Fakultät Elektrotechnik und Informatik Professur Energiesysteme/ Grundlagen der Elektrotechnik Zittau Tel.: +49 (3583) Hochschule Zittau, Harmonische im Erdschluss-Reststrom Folie 20 von 20