12 Schutz gegen Überspannungen und elektromagnetische Störungen (EMI)

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1 Mehr Informationen zum Titel Schutz gegen Überspannungen und elektromagnetische Störungen (EMI) Auf die DIN VDE 0184 (VDE 0184): Überspannungen und Schutz bei Überspannungen in Niederspannungs-Starkstromanlagen mit Wechselspannungen Allgemeine grundlegende Informationen (IEC TR 62066:2002) wird hingewiesen. Der Überspannungsschutz, auch die theoretischen Grundlagen, sind dort ausführlich behandelt. Nach DIN VDE Abschnitt gelten für den Schutz bei Überspannungen folgende Grundsätze: Personen und Nutztiere müssen gegen Verletzungen und Sachwerte müssen gegen alle schädigenden Einflüsse geschützt sein, die infolge eines Fehlers zwischen aktiven Teilen von Stromkreisen unterschiedlicher Spannungen auftreten können. Personen, Nutztiere und Sachen müssen gegen die Auswirkungen von Überspannungen (z. B. atmosphärische Einwirkungen oder Schaltüberspannungen), die erwartungsgemäß auftreten können, geschützt werden, wenn ein nicht akzeptables Risiko besteht..1 Schutz von Niederspannungsanlagen bei Erdschlüssen in Netzen mit höherer Spannung DIN VDE Die Anforderungen an den Schutz von Personen und Einrichtungen von Transformatorstationen (mspannstationen) durch die Art der Erdung im Hochspannungsbereich und im Niederspannungsbereich werden nachfolgend dargestellt. Anmerkung 1: In diesem Abschnitt werden Spannungen über V AC und V DC als Hochspannung (HV) bezeichnet. Mit Niederspannung (LV) bezeichnet werden Anlagen, die mit Spannungen unter V AC und V DC betrieben werden. Anmerkung 2: Die Festlegungen gelten nicht für Niederspannungsnetze der öffentlichen Elektrizitätsverteilungsnetze. Die Anwendung dieser Norm für öffentliche Netze wird jedoch dringend empfohlen. Zum Schutz bei Fehlern im Hochspannungsbereich ist eine Erdung (Hochspannungsschutzerde, HSE) vorzusehen. Im Hochspannungsbereich müssen alle zugehörigen Körper (z. B. Transformatorgehäuse) und fremde leitfähige Teile (z. B. Konsolen, Kabelmäntel, Traggerüste für Schaltgeräte usw.) an diesen Hochspan-

2 380 Schutz gegen Überspannungen und elektromagnetische Störungen (EMI) nungsschutzerder angeschlossen sein. Für den Sternpunkt des Transformators wird in TN- und TT-Systemen und evtl. auch im IT-System ein Niederspannungsbetriebserder (NBE) benötigt. Diese beiden Erder (HSE und NBE) sind entweder elektrisch getrennt voneinander zu errichten (getrennte Erdungsanlagen) oder sie werden als eine gemeinsame Erdungsanlage errichtet. Die Bedingungen hierfür werden nachfolgend dargestellt. Bei einem Erdschluss in der Hochspannungsanlage fließt ein Erdschlussstrom, der eine Anhebung des Potentials gegen Erde hervorruft. Die Größe der Potentialanhebung wird bestimmt durch den Erdschlussstrom und den Erdungswiderstand des Hochspannungsschutzerders. Es gilt folgende Beziehung: f RE (.1) Darin bedeuten: f Fehlerspannung in der Niederspannungsanlage zwischen Körpern und der Bezugserde in V Teil des Erdschlussstroms in der Hochspannungsanlage in A, der über die Erdungsanlage der Transformatorenstation fließt R E Widerstand der Erde in zwischen dem Erder der Transformatorstation und der Bezugserde Bei einem Fehler im Hochspannungsbereich fließt ein hoher kapazitiver Strom gegen Erde. Dieser kapazitive Strom (Erdschlussstrom) ist abhängig von der Sternpunktbehandlung im Hochspannungsnetz. Er beträgt bei hochohmiger Sternpunkterdung: IC CE (.2) Durch den Einbau einer Erdschlusslöschspule (Netze mit Erdschlusskompensation) wird der hohe kapazitive Erdschlussstrom I C stark begrenzt, und es kommt nur noch der Erdschlussreststrom est zum Fließen (Bild.1). In Netzen ohne Erdschlusskompensation liegt der Erdschlussstrom in 20-kV-Netzen bei etwa 4 A bis 6 A pro 100 km Netzlänge bei Freileitung und etwa 200 A bis 350 A pro 100 km Netzlänge bei Kabel. Normalerweise werden Netze (10 kv bis 33 kv) mit Erdschlusskompensation so betrieben (aufgeteilt), dass der Erdschlussreststrom 30 A bis 60 A (maximal 80 A) nicht überschreitet. Die Erdschlusskompensationsspule ist ein induktiver Widerstand und wird bemessen nach: XL 1 (.3) 3 CE In den Gln. (.2) und (.3) bedeuten: I C kapazitiver Erdschlussstrom in A Nennspannung (Außenleiterspannung) in V

3 .1 Schutz von Niederspannungsanlagen bei Erdschlüssen 381 C E X L Kreisfrequenz = 2 f in Hz Kapazität der Leitung/des Kabels gegen Erde in F induktiver Widerstand der Spule in X L C E R A I L ' I C est I L ' I C I C ' est I L ' L I C I L Bild.1 Erdschlusskompensation Die Situation mit einem Erdschluss im Hochspannungsbereich mit den betriebsfrequenten Beanspruchungsspannungen 1 und 2 ist für das TN-System dargestellt in: Bild.2 für eine Transformatorstation mit einer gemeinsamen Erdungsanlage für die Hochspannungsschutzerde und die Niederspannungsbetriebserde Bild.3 für eine Transformatorstation mit getrennten Erdungsanlagen für die Hochspannungsschutzerde und die Niederspannungsbetriebserde Die betriebsfrequente Beanspruchungsspannung ist die Spannung, die an der Isolierung der Niederspannungsbetriebsmittel in der Transformatorstation (z. B. Transformatoren, Überspannung-Schutzeinrichtungen, Schalter usw.) anliegt. Die Größe und die Dauer der betriebsfrequenten Beanspruchungsspannung von Niederspannungsbetriebsmitteln in der Verbraucheranlage aufgrund eines Erdschlusses in der Hochspannungsanlage darf die in Tabelle.1 angegebenen Werte nicht überschreiten.

4 382 Schutz gegen Überspannungen und elektromagnetische Störungen (EMI) Hochspannung Niederspannung Transformatorstation Niederspannungsanlage L1 L2 L3 PEN Erdschlusskompensation f R E Bild.2 Beanspruchungsspannungen bei einer gemeinsamen Erdungsanlage für Hochspannungsschutzerder und Niederspannungsbetriebserder mit Erdschlusskompensation für das Hochspannungsnetz in einem TN-System. Es sind: f Fehlerspannung in der Niederspannungsanlage zwischen Körpern und der Bezugserde 1 Betriebsfrequente Beanspruchungsspannung der Niederspannungsbetriebsmittel in der Transformatorstation 2 Betriebsfrequente Beanspruchungsspannung der Niederspannungsbetriebsmittel in der Verbraucheranlage (Quelle: DIN VDE : ) Abschaltzeit Zulässige betriebsfrequente Beanspruchungsspannung an Betriebsmitteln in Niederspannungsanlagen; Effektivwerte Forderung Nennspannung der Anlage 230/400 V 277/480 V 400/690 V > 5 s V 480 V 527 V 650 V 5 s V 1430 V 1477 V 1600 V Tabelle.1 Größe und Dauer der betriebsfrequenten Beanspruchungsspannung Die erste Zeile der Tabelle.1 gilt für Hochspannungsnetze mit langer Abschaltzeit, z. B. für Netze mit isoliertem Sternpunkt und Netze mit Erdschlusskompensation. Die zweite Zeile gilt für Hochspannungsnetze mit kurzer Abschaltzeit, z. B. für Netze mit niederohmiger Sternpunkterdung.

5 .1 Schutz von Niederspannungsanlagen bei Erdschlüssen 383 Hochspannung Niederspannung Transformatorstation 1 Niederspannungsanlage 2 L1 Erdschlusskompensation 0 L2 L3 PEN HSE NBE f R E R A Bild.3 Beanspruchungsspannungen bei getrennten Erdungsanlagen für Hochspannungsschutzerder und Niederspannungsbetriebserder mit Erdschlusskompensation für das Hochspannungsnetz in einem TN-System. Es sind: f Fehlerspannung in der Niederspannungsanlage zwischen Körpern und der Bezugserde Betriebsfrequente Beanspruchungsspannung der Niederspannungsbetriebsmittel 1 2 in der Transformatorstation Betriebsfrequente Beanspruchungsspannung der Niederspannungsbetriebsmittel in der Verbraucheranlage HSE Hochspannungsschutzerde NBE Niederspannungsbetriebserde (Quelle: DIN VDE : ) Wird das Niederspannungsnetz als TN-System betrieben, darf eine gemeinsame Erdungsanlage errichtet werden, wenn die im Erdschlussfall auftretende Fehlerspannung f = R E nach Gl. (.1) innerhalb der in Bild.4 vorgegebenen Zeit abgeschaltet wird. Wenn in einem TN-System der PEN-Leiter an mehreren Stellen im Netz geerdet und die verschiedenen Erder in einem Gebiet mit dichter Bebauung liegen, sodass von einem globalen Erdungssystem ausgegangen werden kann, dann darf immer eine gemeinsame Erdungsanlage errichtet werden. Anmerkung: In einem Gebiet mit enger, geschlossener Bebauung (Fundamenterder, Netzerder, Blitzschutzerder, metallene Rohrsysteme im Erdreich usw.) ist eine ordnungsgemäße Trennung der Erdungsanlagen (HSE und NBE) ohnehin nicht möglich. Die gemeinsame Erdungsanlage muss dann einer der folgenden Bedingungen genügen: