Energietag Brandenburg 008 BTU Cottbus 10.09.008 Ingenieurmäßige Berechnung der Oberschwingungsanteile im Erdschlussreststrom Prof. Dr.-Ing. habil. Dietrich Stade Kontaktadresse: Habichtsring 0 D-98693 Ilmenau-Oberpörlitz Tel.: ++49 3677 883009 Fax: ++49 3677 466518 E-Mail: dietrich.stade@t-online.de
Ei Einpolige li Fehler F hl im i Netz N t Anforderungen A f d aus der d Sicht des Netzbetreibers Unterbrechungsfreie Stromversorgung der Abnehmer im Fehlerfall A t Automatische, ti h schnelle h ll und d selektive l kti F Fehlerortung hl t (Ab (Abgang, O Ort) t) Verhinderung: Doppelerdschluss, Kurzschluss Personensicherheit Kleine Fehlerströme Geringe Beschädigung der Anlagen an der Fehlerstelle Selbständiges Verlöschen eines Fehler-Lichtbogens Geringe Berührungs- und Schrittspannungen kleine Beeinflussungsspannungen Wirtschaftlichkeit
W l h Kriterien Welche K it i erfüllt füllt RESPE in i öffentlichen öff tli h Mittelspannungsnetzen? Unterbrechungsfreie Stromversorgung der Abnehmer im Fehlerfall Automatische schnelle und selektive Fehlerortung (Abgang Automatische, (Abgang, Ort) Verhinderung: Doppelerdschluss, Kurzschluss Personensicherheit Kleine Fehlerströme Geringe Beschädigung der Anlagen an der Fehlerstelle Selbständiges Verlöschen eines Fehler-Lichtbogens Geringe g Berührungsg und Schrittspannungen p g kleine Beeinflussungsspannungen Wirtschaftlichkeit
Einschränkungen bei der Nutzung der RESPE resultieren vordergründig aus der Gefahr des Übergangs eines Erdschlusses zum DOPPELERDSCHLUSS oder KURZSCHLUSS und werden aus der Sicht der Personensicherheit durch vorgegebene BERÜHRUNGSÜ und SCHRITTSPANNUNGEN d i i dominiert.
I RES I Ce v d ires, OS I RES, zul. 60 A mit: Reststrom g Reststrom zulässiger I Ce 3 U N C E (50-Hz-Wert) v 1 I D I Ce Verstimmung (50-Hz-Wert) d I RES, wirk I Ce Dämpfung (50-Hz-Wert) ires, OS I RES, OS I Ce Oberschwingungsanteil im Reststrom
Berechnung von ires, RES OS unter Berücksichtigung der Kurzschlussleistung Sk(110kV) und der Netzfahrweise (Transformatoreinsatz) sowie der Beachtung von: ires, RES OS f ((THD U)) vorzugsweise: g uhh=55 THD U (uh=5) sind eine Funktion der Netzlast und damit abhängig von: - Tageszeit - Wochentag - Jahreszeit
Treuenbrietzen Mo, 1.06.06, bis So, 19.06.06 4,5 4,0 3,5 UhU U inin%% 3,0,5,0 1,5 10 1,0 0,5 00 0,0 Mo, 00:00 Di, 00:00 Mi, 00:00 Do, 00:00 Fr, 00:00 Sa, 00:00 So, 00:00 Mo, 00:00 Zeit h3 h5 h7 h11 h13 h17 h19 THD
Berechnung von ires, RES OS unter Berücksichtigung der Kurzschlussleistung Sk(110kV) und der Netzfahrweise (Transformatoreinsatz) sowie der Beachtung von: ires, RES OS f ((THD U)) vorzugsweise: g uhh=55 THD U (uh=5) sind eine Funktion der Netzlast und damit abhängig von: - Tageszeit - Wochentag - Jahreszeit V Verzerrende d L Lasten t sind i d verteilt t ilt iin einem i weit it verzweigten i t Mitt Mittelspannungsl Freileitungs-/Kabelnetz mit unterschiedlichen Leitungslängen / -typen / -querschnitten Kupplungen mehrerer Mittelspannungsnetze auf der 110-kV-Ebene
Grundsätzlicher Netzaufbau I h I h (1) I h (3 ) I h ()
Berechnung von ires, RES OS unter Berücksichtigung der Kurzschlussleistung Sk(110kV) und der Netzfahrweise (Transformatoreinsatz) sowie der Beachtung von: ires, RES OS f ((THD U)) vorzugsweise: g uhh=55 THD U (uh=5) sind eine Funktion der Netzlast und damit abhängig von: - Tageszeit - Wochentag - Jahreszeit V Verzerrende d L Lasten t sind i d verteilt t ilt iin einem i weit it verzweigten i t Mitt Mittelspannungsl Freileitungs-/Kabelnetz mit unterschiedlichen Leitungslängen / -typen / -querschnitten Kupplungen mehrerer Mittelspannungsnetze auf der 110-kV-Ebene dämpfenden Einflüssen im höherfrequenten Bereich (150... 350 Hz) bei Transformatoren, Leitungen und der Netzlast sowie der Erde
(X0T) (X0L) Fehlerort I0 R0D = 3 RD CE CE U0 X0D = 3 XD CE ICe ID ICe 00 Grundprinzip der Kompensation des 50-Hz-Erdschlussstroms: I ID v50 Hz 1 D ; 1 ; v50 Hz 0 I Ce I C C Ce Im Oberschwingungsbereich gilt (h 3): vh 3 1 ID 1 1 1 1 I Ce h h über die Erdschlussdrossel fließt kein S Strom (Isoliertes (I li N Netz iim OS OS-Bereich) B i h)
Ersatzschaltung im Oberschwingungsbereich Ih 0 L1 L L3 Uh Rers,fh IRES,h RES h (L1) IRES,h RES h (L) IRES,h RES h (L3) jxl ers,fh Erdschluss im Leiter L1 -jxc ers,fh IRES,h (L1) = IRES,h
Ersatzschaltung im Oberschwingungsbereich I RES, h I RES 3U h 3 X L, ers, fh I RES, h X C, ers, fh 3 Rers, fh h mit: 3 X L, ers, fh X C, ers, fh vos, fh 3 Rers, fh d OS, fh Verstimm ng Verstimmung Dämpfung
Die Berechnung von IRES,h setzt die Kenntnis der Ersatzimpedanz voraus (XL,ers,fh; XC,ers,fh; Rers,fh) Während X C, ers, fh 3 UN I Ce h problemlos berechnet werden kann, ist die Ermittlung von XL,ers,fh und Rers,fh sehr aufwendig und wird zweckmäßiger Weise computergestützt vorgenommen (BOSES). Unter Nutzung eines vereinfachten Netzschemas, das typische Netzverhältnisse repräsentiert, wird eine Abschätzung der Impedanzverhältnisse möglich Bei der Ermittlung von Rers,fh ist die Frequenzabhängigkeit der Betriebsmittelresistanzen zu berücksichtigen und der Einfluss der Erde und der Netzlast abzuschätzen
Grundsätzlicher Netzaufbau l ers I Ce C 3 5,5 ;
Aus: I RES, h 3 X 3U h X C, ers, fh L, ers, fh 3 Rers, fh und X C, ers, fh 3 UN I Ce h folgt: mit ah f I Ce I RES, h ah uh I RES in [A] ah in [1] uh in [%] oder mit I RES, h a * uh 5 a * 0,33 ah 3 1 ah 5 0, ah 7
F kt ah = f(ice) Faktor 4 ah=3 0 18 16 a 14 a* 1 ahh=55 10 8 ah=7 6 4 0 50 100 150 00 50 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 ICe in A a* für u7/u5 = 0, und u3/u5 = 0,33 1000
Die Verstimmung im Oberschwingungsbereich: vos,fh OS fh = 3XL,ers L ers h XC,ers C ers h kann für einzelne Oberschwingungen in Abhängigkeit von ICe den Wert null annehmen (RESONANZ) Die Folge ist: hohe Oberschwingungsströme der Frequenz h im IRES; Dominanz der 5. Stromharmonischen wird für reale Netze nicht aufgehoben Netze mit Erdschlussrestströmen von ICe 150... 300 A sind u. U. durch Erdschlussrestströme der 5 Harmonischen kritisch zu bewerten 5.
der technischen Entwicklung in öffentlichen MS-Netzen Kabelanteil Netzausdehnung g THD U (insbesondere uh=5 ) ICe 800... 1000 A 4... 6 % Schlussfolgerungen zulässiger Reststrom: IRES zul/ice I RES zul I Ce 60 800 0,075 v d ires, OS b i fl beeinflussbar: b v 0... 0,0 0 0 nicht beeinflussbar: d 0,0... 0,04 oft: ft 0,05 0 05 50-Hz-Werte zulässiger Oberschwingungsanteil im Reststrom: ires,os,zul. ires,os, zul. 0,075 v d 0,075 0,0 0,04 0,06 (6 % von I Ce )
zulässige Spannungsverzerrung bei Dominanz der 5. Harmonischen uh 5 zul. 1 ah 5 mit: ires,os, zul. ICe 1 ah 5 0,067 0,077 für typischen Netzaufbau ires,os, zul. 0,06 ( p. u. Wert ) 6 % von I Ce I Ce 800 A u h 5, zul. 0,077 0,06 800 3,7 % FAUSTFORMEL FAUSTFORMEL: uh 5 zul. I Ce C in %; 00 I Ce in A
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