Aktuelle Erkenntnisse und Entwicklungen zur Resonanz ......OSPE NOSPE % Quelle: ETG-Fachbericht 132;...

Fakultät Elektrotechnik und Informatik

Aktuelle Erkenntnisse und Entwicklungen zurResonanz-Sternpunkterdung in Verteilnetzen

Argumente für RESPE. . .

Uwe Schmidt

Dresden, 19.12.2016

00 Inhalt

Resonanz-SternpunkterdungGründe der Auswahl

Obergrenze des Erdschluss-ReststromesWertung

Obergrenze in der NetzplanungBerührungsspannungBeeinflussung von Telekomunikationsanlagen

Harmonische im Erdschluss-ReststromResonanzstellenFrequenzabhängige ImpedanzenReale Erdschluss-Restströme

EntwicklungenOrtung

Zusammenfassung

Dresden, 19.12.2016 Resonanz-Sternpunkterdung in Verteilnetzen Folie 2 von 45

01 Resonanz-SternpunkterdungPrinzip

ENU

qU

LIML

EC CEI

abc

aCEIbCEI

cCEI

EGMG

LI

- Kompensation des kapazitivenErdschluss-Reststromes ICE

- vollständige Kompensation:

3 ·ω · LM =1

ω · CE- Verstimmungsgrad v:

v =ICE − IL

ICE


01 Resonanz-SternpunkterdungPrinzip

qU

E M3G GM3L

00

F3R

RES(50) 0(50)3I I

L13

I rw13

I CE13

I

T0L

EC

- Dämpfung d:

d =IrwICE

- Erdschluss-Reststrom IRES(50):

IRES(50) = ICE ·√

d2 + v2


01 Resonanz-SternpunkterdungGründe der Auswahl


Vorteile

Erdschluss-Lichtbögen verlöschen von selbst.

Netz kann im 1poligen Fehlerfall betrieben werden.

Berührungsspannungen UT sind unkritisch

Nachteile

Beeinflussungsspannungen sind unkritisch

Wiederzünden des Lichtbogens wird verhindert.

Transiente Überspannungen bei Fehlereintritt

Im 1poligen Fehlerfall wirksame stationäre Verlagerungsspannung.

Subharmonische/Kippschwingungen sind möglich

Verlagerungsspannung im Normalbetrieb bei Unsymmetrie

Hohe Aufwendungen für Kompensationsanlagen

Schegner P.;Sternpunktbehandlung und Erdung in Kabelnetzen; NEXANS-Kabelseminar; 2014; Hannover

01 Resonanz-SternpunkterdungKriterien der Auswahl


- Die Häufigkeit von Erdfehlern steigt in den niedrigen Spannungsebenen- 380/220-kV-Netz ca. 2 Erd-Kurzschlüsse 1/100 km·a- 110-kV-Netz ca. 5 . . . 10 Erd-Kurzschlüsse 1/100 km·a- MS-Netze bis zu 400 Erd-Kurzschlüsse 1/100 km·a

- In 110-kV- und MS-Netzen mit Resonanzsternpunkterdung verlöschen einegroße Anzahl von Erdschlüssen von selbst (Erdschlusswischer).

- 50 % bis 70 % der Erdschlüsse verlöschen nach ca. 0,2 s.- 90 % der Erdschlüsse verlöschen nach ca. 1 s.

- Die Zeitdauer zur Ortung von Erd- bzw. Doppelerdschlüssen kann mehrereStunden betragen.

- Gefahr durch die Schritt- und Berührungsspannung- Gefahr durch das direkte Berühren stromführender Teile- Folgefehler, Brandgefahr

Schegner P.;Arten der Sternpunktbehandlung; Vorlesungsunterlagen; 2014; TU Dresden

01 Resonanz-SternpunkterdungAnteile RESPE - Verteilnetze


0

20

40

60

80

100

20 kV 6…60 kV 110 kV Gesamt

2 1,422,6

11,88,6 10,710,4

83

68,1

77,4

68,4

6,48,2

7,9

RSPE+KNOSPE

RSPE

OSPE

NOSPE

%

Quelle: ETG-Fachbericht 132; Die aktuelle Situation der Sternpunktbehandlung in Netzen bis 110 kV (D-A-CH), 2011

02 Obergrenze des Erdschluss-ReststromesEinfluss von Oberschwingungsanteilen

qU

E M3G GM3L

00

F3R

RES 0(50)3 I I

L13

I rw13

I CE13

I

T0L

EC

13

I

- Dämpfung d:

d =IrwICE

- Erdschluss-Reststrom IRES:

IRES = ICE ·√

d2 + v2 + ∑ i2ν


02 Obergrenze des Erdschluss-ReststromesNormative Vorgabe - DIN VDE 0845-6-2

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100

Erds

chlu

ss-R

ests

trom

I RES

Nennspannung des Netzes Un

A

kV

Obergrenze des Erdschluss-Reststromes(DIN VDE 0845-6-2)

- für 20-kV-Netze:

IRES = 60 A

- ohne bekannte Werte:

Iν = 0, 1 · ICE

- für 110-kV-Netze:

IRES = 200 A


02 Obergrenze des Erdschluss-ReststromesErgebnisse von Messungen in 20-kV-Netzen


0

20

40

60

80

100

120

140

0 200 400 600 800 1000 1200

Erd

sch

luss

-Re

stst

rom

IR

ES

kapazitiver Erdschlusstrom ICEA

A

Obergrenze

Reststrom, gesamt

Reststrom, 50-Hz-Anteil

02 Obergrenze des Erdschluss-ReststromesHistorie Lichtbogenlöschung - Ergebnisse von G. Meyer (1931)


1. Brenndauer unabhängig vonder Nennspannung Un

2. Brenndauer abhängig von derVerstimmung v

Meyer G.;Die Brenndauer von ErdschlussLichtbögen in kompensierten Netzen; 1931; etz-Archiv

02 Obergrenze des Erdschluss-ReststromesHistorie - Ergebnisse von Erich & Heinze (1963)


1. Brenndauer abhängigvon der Verstimmung v

2. Brenndauer abhängigvom Aufbau derIsolierung

Erich & Heinze;Löschung von Erdschlusslichtbögen in Mittelspannungsnetzen; 1963; etz-Archiv

02 Obergrenze des Erdschluss-ReststromesHistorie - Ergebnisse von Koch (1981)


1. Brenndauer abhängigvom Erdschlussort

Koch K.;Versuche in kompensierten Mittelspannungsnetzen zur Ermittlung der Brenndauer von Erdschlusslichtbögen beiunterschiedlichem Oberschwingungsgehalt im Reststrom; 1981; FGH

02 Obergrenze des Erdschluss-ReststromesHistorie - Aussage von Roser (1931)


Roser H.;Die technischen Probleme der Drehstrom- Übertragung mit 400 kV; 1931; ETZ

02 Obergrenze des Erdschluss-ReststromesDissertation Emanuel Fuchs (2013)


- Auswertung von alten und neuen Erdschlussdaten -

DoktoratDissertation

Institut für Elektrische Anlagen

Kritische Betrachtung des Löschverhaltens in kompensierten 20-kV-Netzen

Gutachter:Univ.-Prof. DI Dr. Lothar FickertUniv.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Gawlik

Dipl.-Ing. Emanuel Fuchs

1. Analyse der Erdschlussmessungen vonErich & Heinze und Koch

2. Vorschlag neuer „Löschgrenze“

02 Obergrenze des Erdschluss-ReststromesLöschgrenze nach E. Fuchs für 20-kV-Netze


0

20

40

60

80

100

120

140

0 200 400 600 800 1000 1200

Erds

chlu

ss-R

ests

trom

I RES

kapazitiver Erdschlusstrom ICE A

A Löschgrenze FUCHS

- Messung auf Sammelschiene des UW!

02 Obergrenze des Erdschluss-ReststromesVerkabelungsgrad - MITNETZ STROM GmbH


50

55

60

65

70

75

80

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Verkabelungsgrad

Verkabelungsgrad

%

02 Obergrenze des Erdschluss-ReststromesWertung

1. Kein direkter Zusammenhang zwischen Nennspannung undLichtbogenlöschung, siehe auch Poll (1984)

2. starker Zusammenhang zwischen Verstimmungsgrad v undLichtbogenlöschung

3. Abhängigkeit der Lichtbogenlöschung vom Erdschlussort

4. Lichtbogenlöschung im 110-kV-Netz nicht wissenschaftlich abgesichert

5. Zunehmender Verkabelungsgrad führt zu „unnötiger“ Löschgrenze


03 Obergrenze in der NetzplanungBerührungsspannung UTp der DIN EN 50522


Erdung von Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kV

ZE =2 ·UTprE · IRES

=160 V60 A

= 2, 7 Ω

rE - Reduktionsfaktor

Erdschlusskompensation

LI CEI

03 Obergrenze in der NetzplanungBerührungsspannung - Gemessene Erdungsimpedanzen ZE


Vergleich der Erdungsspannungen bei Ansatz neuer Löschgrenze nach E. Fuchs

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

ErdungsspannungUE

Erdungsimpedanz ZE

FuchsDIN VDE 0845-6-2

V

Ω

Ep Tp2 160 V= ⋅ =U U

03 Obergrenze in der NetzplanungBeeinflussung - Prüfung der Notwendigkeit der Untersuchung


03 Obergrenze in der NetzplanungBerücksichtigung des Doppelerdschlusses

1. Bei Verletzung des Richtwertes, Berücksichtigung des Doppelerdschlusses(im Freileitungsnetz)

2. Bei Kabelanteil ist „strenggenommen“ der Doppelerdschluss in jedem Fall zuberücksichtigen (Lichtbogen verlischt im Kabel nicht!).

3. Zulässige induzierte Spannung (DIN VDE 0845-6-2):

Uind(p) = 650 V (0, 2 s ≤ tF ≤ 0, 5 s)


03 Obergrenze in der NetzplanungBeeinflussung - Berücksichtigung des Doppelerdschlusses


0.1

1

10

100

1 10 100 1000

zulä

ssig

e Pa

ralle

lfüh

rungℓ z

ul/1

0 kA

Abstand zum beeinflussenden Leiter dm

kmρE = 150 ΩmρE = 1000 Ωm

E 0,65r = Freileitung (2 x AlSt)

X 0,8r = Umwelt

Spezifische Erdwiderstände:

Reduktionsfaktoren:

d

zulℓ

FI

indU

04 Harmonische im Erdschluss-ReststromUrsachen

qU

3RF

RES13I

1(20)L

0NL

1U1 1, U I

2U

0U

1(110)L

1(20)C

0CM3L

1(110)C

2(20)L

2 2,U I

2(110)L

2(20)C2(110)C

- Reihenschaltung von Mit-, Gegen-und Nullsystem

- Parallel- und Reihenresonanzen

- dominierende Reihenresonanz:

fe(R) =1

2π·

√L0 + 2L1

2L1 · L0 · C0 + L0 · L1 · C1


04 Harmonische im Erdschluss-ReststromResonanzstellen eines realen 20-kV-Netzes


Aus der Sicht des Fehlerortes RF ≈ 0 Ω:

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000

ImpedanzZ

Frequenz fSammelschiene UW-fern

Ω

Hz

110/20 kV

Iν

Uν

ML

110Z

CE430 AI

r

k

40 MVA

12%

S

u

11 km

04 Harmonische im Erdschluss-ReststromResonanzen - gemessene Spannungen

0

0,5

1

1,5

2

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Effe

ktiv

wer

t der

Spa

nnun

gUν(

LL)

Frequenz der Spannung f

Vorfehler

Fehler

Hz

%- Reihenschwingkreises wird im

Erdschlussfall wirksam

- Spannungen über den Elementen Lund C werden größer

- frequenzabhängige ImpedanzZ (ω) des 20-kV-Netzes wirdkleiner

RR RLU U

I

RC




Aus der Sicht des Fehlerortes:

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000

ImpedanzZ


Ω

Hz

1U

2U

0U

1C

2C

0CM3L

1L

2L

0NL

U I;


- Aus der Sicht des Strom- oder Spannungsquelle werden zweiParallelschwingkreise wirksam

- Netzimpedanz des 110-kV-Netzes hat Einfluss auf den Stromeintrag in das20-kV-Netz

(20)I L

1

C1

2L

2C

0L

0C

(110)L1

(110)C1

(110)I


04 Harmonische im Erdschluss-ReststromWirksame Impedanz - Gesamtes Netz

IFC des Fehlerortes

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000

ImpedanzZ


Ω

Hz

Stromteiler ks

1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000Verhältnisk s


Hz


Frowein K.;Beschreibung von Oberschwingungsquellen für die Berechnung des Erdschluss-Reststromes beiResonanz-Sternpunkterdung; Diplomarbeit; 2015; TU Dresden

04 Harmonische im Erdschluss-ReststromErdschlussmessungen - 20-kV-Netz

110/20 kV

Iν

Uν

ML

110Z

CE430 AI

r

k

40 MVA

12%

S

u

11 km

- kapazitiver Erdschluss-Reststrom

ICE = 430 A

- UW-naher Erdschluss

- UW-ferner Erdschluss


04 Harmonische im Erdschluss-ReststromErdschlussmessungen - 20-kV-Netz

Fehler Nähe Sammelschiene

0

10

20

30

40

50

50 150 250 350 450

Erdschluss-Reststrom

I RES

Frequenz f

gemessen

berechnet

A

Hz

Fehler im Netz

0

10

20

30

40

50

50 150 250 350 450Erdschluss-Reststrom

I RES

Frequenz f

gemessen

berechnet

A

Hz



04 Harmonische im Erdschluss-ReststromEinfluss des Fehler-/Erdungswiderstandes

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000

ImpedanzZ

Frequenz f26 Ohm 10 Ohm 0,0001 Ohm

Ω

Hz

0

10

20

30

40

50 150 250 350 450

Erdschluss-Reststrom

I RES

Frequenz f

0,0001 Ohm 10 Ohm 25,9 Ohm

A

Hz



04 Harmonische im Erdschluss-ReststromWertung

1. Der Erdschluss-Reststrom eines MS-Netzes kann zuverlässig berechnetwerden, wenn die Frequenzabhängigkeit des 110-kV-Netzes berücksichtigtwird.

2. Die Größenordnung der Oberschwingungsanteile im Erdschluss-Reststromhängen wesentlich von der Fehler-/Erdungsimpedanz ab.

3. Messungen des Erdschluss-Reststromes IRES auf der Sammelschiene derUW-Anlagen eignen sich nur bedingt für die Bestimmung maximalerBerührungsspannungen im Netz.


04 Harmonische im Erdschluss-ReststromEigenfrequenzen 110-kV-Netz, ICE = 400 A


1

10

100

1000

10000

100000

1000000

1 10 100 1000

Betr

ag d

er Im

peda

nzZ

Frequenz f

Ltg-Länge 10kmSS, 110kV

Hz

Ω

EC

ML

380/110kV

CE 400A=I

line 10 km=ℓ

04 Harmonische im Erdschluss-ReststromErdschluss im 110-kV-Verteilnetz


0.001

0.01

0.1

1

10

100

10 100 1000

Betr

ag d

er Im

peda

nzZ(

jω)

Frequenz f

10 km20 km40 kmSS UW A

kΩ

Hz

ML

380/110kV

CE 200A≈I

line(Ed) 180 kmℓ =

line(1) 250 kmℓ =

line(2) 200 kmℓ =

380/110kV

UW A UW B

Fehler im Zuge der Freileitung

05 Neues und EntwicklungenOrtung von Erdschlüssen


Stationäre Verfahren Transiente Verfahren

Überstrom- KNOSPE

- NOSPE

cos φ - Watt-Reststrom

sin φ - Oberschwingung

Admittanz- U0/I0

- dU0/dI0

Stromeinspeisende Verfahren

- Pulsortung

Wischerverfahrenqu-Verfahren- qu2-Verfahren- qu4-Verfahren

05 Neues und EntwicklungenOrtung von Erdschlüssen - Wischerverfahren


-15

-10

-5

0

5

10

15

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 1 2

Sp

an

nu

ng

u0

in k

V

Str

om

i0

Zeit t

RF 200 Ωi0

u0A

ms

-15

-10

-5

0

5

10

15

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 1 2

Sp

an

nu

ng

u0

in k

V

Str

om

i0

Zeit t

RF 0 Ωi0

u0A

ms

3 km

2,5 km

3,3 km

7,5 km

0,1 km

1,5 km

1 km

1,2 km

110/10 kV

05 Neues und EntwicklungenOrtung von Erdschlüssen - Wischerverfahren

3 km

2,5 km

3,3 km

7,5 km

0,1 km

1,5 km

1 km

1,2 km

110/10 kV- Standard-Wischerverfahren nur bis RF ≈ 50 Ω- Einsatz bei Kreisströmen (vermaschte Netze) nicht

sinnvoll

- Ansprechschwelle (z. Bsp.: 30 %) kann zu späterÖffnung des Messfensters zur Bewertung führen

- hohe Fehlerwiderstände:- Leiterseile auf Erde (trocken)- Bäume Winter: (RF(mess) ≈ 200 kΩ)- Bäume Frühling: (RF(mess) ≈ 20 kΩ)


05 Neues und EntwicklungenOrtung von Erdschlüssen - modifizierte Wischerverfahren

-6

-4

-2

0

2

4

6

-1000 -500 0

Ladungq 0

Nullspannung u0q0a q0b q0c q0d

mAs

V

- Bewertung des über der Zeitintergriertem Stromes:

u0 (t) = u0 (t0) +1

Cers

∫ tet0

i0 (t)dt

- korrekte Anzeigen bis RF ≈ 5 kΩ- Ortung intermittierender Fehler

- Korrektur unsymmetrischerLastströme


05 Neues und EntwicklungenOrtung von Erdschlüssen - qu2-, qui-Wischerverfahren


-6

-4

-2

0

2

4

6

-1000 -500 0

Lad

un

g q

0

Nullspannung u0

q0a q0b q0c q0d

mAs

V

3 km

2,5 km

3,3 km

7,5 km

0,1 km

1,5 km

1 km

110/10 kV

q0c

q0d

q0a

q0b

05 Neues und EntwicklungenOrtung von Erdschlüssen - KUDE


ENU

qU

LIML

KUDEI

a

bc

Sammelschiene

UW-Erde

a

bc

Kurzzeitiger Doppelerdschluss (KUDE)

05 Neues und EntwicklungenReduzierung von Erdschluss-Restströmen - FPE


ENU

qU

LIML

RESI

a

bc

F ER R

Sammelschiene

UW-Erde

a

bc

Erdung fehlerbehaftete Phase (FPE)

05 Neues und EntwicklungenReduzierung von Erdschluss-Restströmen - FPE

ENU

qU

LIML

RESI

a

bc

F ER R

Sammelschiene

UW-Erde

a

bc

Erdung fehlerbehaftete Phase (FPE)

- Ströme an der Fehlerstelleauf langen Abgängenunklar

- parasitäre Lastströme inErdungsanlagen?

- Forschungsbedarf


06 Zusammenfassung

1. Verzicht auf „Löschgrenze“/Obergrenze für Einsatz Resonanz-SPE.

2. Verzicht auf „Diskussionen“ um den Doppelerdschluss bei der Betrachtungvon Beeinflussungen (DIN VDE 0845-6-2). Übernahme der Festlegungen zurNOSPE.

3. Grenzwerte des Erdschluss-Reststromes sollten aus den Festlegungen zurzulässigen Berührungsspannung UTp (DIN EN 50522) resultieren.

4. Modifizierte Wischerverfahren verbessern die Zuverlässigkeit derErdschluss-Ortung.

5. Die „Entlastung“ der Fehlerstelle kann über verhältnismäßig einfacheVerfahren realisiert werden (FPE, KUDE). Die Wirksamkeit in großen Netzenist zu prüfen.



Klug sein besteht zur Hälfte darin, zu wissen, was mannicht weiß.

Konfuzius (551 - 479 v. Chr.)

Uwe SchmidtHochschule Zittau/GörlitzFakultät Elektrotechnik und InformatikProfessur Energiesysteme/Grundlagen der Elektrotechnik02763 ZittauTel.: +49 (3583) 612-4307E-Mail: [email protected]

Resonanz-SternpunkterdungGründe der Auswahl

Obergrenze des Erdschluss-ReststromesWertung

Obergrenze in der NetzplanungBerührungsspannungBeeinflussung von Telekomunikationsanlagen

Harmonische im Erdschluss-ReststromResonanzstellenFrequenzabhängige ImpedanzenReale Erdschluss-Restströme

EntwicklungenOrtung

Zusammenfassung

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