ew FACHTHEMAMittelspannung

Im gelöscht betriebenen 20-kV-Kabelnetz führt ein einpoligerErdschluss unter Umständen zu

einer sehr lange andauerndenSpannungsüberhöhung auf dennicht fehlerbehafteten Leitern. Eineautomatische Abschaltung durchNetzschutzeinrichtungen findet beidieser Form der Sternpunktbehand-lung im einpoligen Fehlerfall inDeutschland nicht statt. Die ma-nuelle Abschaltung durch Mitarbei-ter des Netzbetreibers dauert vor al-lem dann sehr lange, wenn der be-

troffene 20-kV-Halbring vom Erd-schlusserfassungssystem nicht ein-deutig ausgewiesen wird. Als Ursa-chen hierfür sind hochohmige undintermittierende Fehler oder paralle-le Speisekabel zu sehen. Es sei andieser Stelle jedoch auch darauf ver-wiesen, dass mangelhafte Schutz-konzepte, unpassende Einstellun-gen der Schutzgeräte sowie eine un-zureichende Inbetriebnahme eben-so die Ursache für ein Versagen desErdschlussschutzsystems sein kön-nen. Die Anzahl der zur Identifizie-rung des fehlerhaften Kabels not-wendigen Suchschaltungen hängtjedoch auch bei einem funktionie-renden Erdschlussschutzsystemvon der Anzahl der installierten Re-lais im Halbring sowie dessen Struk-tur ab und führt unwillkürlich zu be-einträchtigter Versorgung bei denbetroffenen Kunden. Mit der Fehler-dauer wächst das Risiko, dass es zurAusbildung eines weiteren Erdfeh-lers in einem anderen Leiter kommt.

Während Bauarbeiten im Versor-gungsgebiet von Kabelnetzbetrei-bern in der Regel die Hauptgründefür 20-kV-Störungen darstellen, sind

Die niederohmige Sternpunkterdung ge-währleistet eine rasche Ortung und Ab-schaltung von Erdfehlern. Die stationäreund transiente Spannungsbeanspruchungder fehlerfreien Leiter ist bei Resistanz-bzw. Reaktanzsternpunkterdung unter-schiedlich, jedoch zeitlich deutlich kürzerals bei Resonanzsternpunkterdung. Damitverringert sich die Wahrscheinlichkeit vonintermittierenden Fehlern oder Doppelerd-schlüssen, die als die eigentlichen Proble-matiken hinsichtlich der Versorgungssicher-heit und Spannungsqualität zu sehen sind.Die Verfasser berichten über die Motivationzur Sternpunktumstellung, den Netzschutzund Erfahrungen, welche bei einem Erd-schlussversuch gewonnen wurden.

Niederohmige Sternpunkterdung bringt Vorteile

Umstellung der Sternpunkterdungim 20-kV-Kabelnetz

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Dipl.-Ing. Walter Castor, Bereichsleiter Netze, Dipl.-Ing. RobertFenkl, Abteilungsleiter Netzführung und Netzschutz, ErlangerStadtwerke AG, und Dipl.-Ing. Hagen Grünert, SachverständigerElektrische Energietechnik, Schutztechnik von Hoch- und Mittel-spannungsanlagen, Geschäftsführer der GSC power engineeringGmbH, Erlangen.

Erdfehler

–500,30 0,50

t

Span

nung

, Stro

m

38130.1

0,35 0,40 0,45

–40

–30

–20

–10

0

10

kV, A

30

–40

Span

nung

u

–30

–20

–10

0

10

20

kV

40

b)

a)

s

UL1 UL2 UL3

U0 3 I0

Bild 1. Intermittierender Erdfehler, a) Leiterspannungen, b) Sternpunktstromund -spannung

als technische Ursachen vor allemPE-Kabel, Spannungswandler undKaltschrumpfmuffen als Schwach-stellen zu nennen. Untersuchungenan Kaltschrumpfmuffen ergaben,dass eine – in ihrem Ausmaß vonder Lagertemperatur abhängige –Nicht-Reversibilität des Elastizitäts-moduls nach dessen Entlastung zurVerringerung der axialen elektri-schen Festigkeit führt und als Ursa-che für erhöhte Fehlerhäufigkeit ge-sehen wird. Das Problem des »watertreeing« bei PE-Kabeln aus be-stimmter Fertigung ist in Erlangenkein Thema mehr, seit sämtlichePE-Kabel ausgetauscht oder saniertwurden.

Ein Doppelerdschluss führt für al-le aus dem 20-kV-Netz versorgtenKunden zu einem spürbaren Span-nungseinbruch mit den entspre-chenden negativen Konsequenzen,wie Produktionsunterbrechungenoder Systemausfällen. Die selbst-ständige Löschung des Erdfehlers,durch Kompensation des kapaziti-ven Erdschlussstroms mit Petersen-spulen, ist zweifelsfrei für Freilei-tungsnetzbetreiber von Vorteil.

Durch die bei niederohmigerSternpunkterdung nur noch für ma-ximal einige hundert Millisekundenandauernde Spannungsüberhöhungauf den gesunden Leitern findet einÜbergang zum mehrpoligen Fehlerund dem damit verbundenen star-ken Spannungseinbruch praktischnicht mehr statt. Abschaltungen vonKunden im Rahmen der Erdschluss-suche gehören ebenfalls der Vergan-genheit an. Es wird durch den Netz-schutz nur der tatsächlich fehlerbe-haftete 20-kV-Halbring automatischvom Netz getrennt. Die Wahrschein-lichkeit der Abschaltung eines zwei-ten Halbrings, wie im Falle einesDoppelerdschlusses, ist sehr gering.Da bei dieser Betriebsweise die Kurz-schlussanzeiger in den Transforma-torstationen bereits beim einpoligenFehler zuverlässig ansprechen, wirdgleichfalls die fehlerbehaftete Kabel-strecke innerhalb des Halbrings aus-gewiesen, so dass die Freischaltungder fehlerbehafteten Teilstrecke undWiederzuschaltung aller in diesemHalbring angeschlossenen Kundensehr schnell vorgenommen werdenkann. Der Spannungseinbruch derLeiterspannungen, der durch deneinpoligen Fehler im niederohmiggeerdeten Netz verursacht wird, istdeutlich geringer als beim Doppel-erdschluss im gelöschten Netz undwird von den an der Unterspan-

nungsseite der Transformatoren an-geschlossenen Kunden nicht regis-triert – so die bisherigen Erfahrungender Erlanger Stadtwerke als auch dieErfahrungen regionaler und überre-gionaler Netzbetreiber.

Bild 2 zeigt die berechneten mini-malen Leiterspannungen im be-trachteten Netz für einpolige Fehleran allen Sammelschienen. Es ist er-sichtlich, dass die Spannung nichtunter 80 % fällt.

Als Vorteile können somit gese-hen werden:• geringe Wahrscheinlichkeit vonDoppelerdschlüssen und intermit-tierenden Erdschlüssen,• geringe Spannungsabsenkungder Leiterspannungen während desFehlers,• Abschaltung des fehlerbehafteten

Abgangs, keine Abschaltung eineszweiten Abgangs,• schnelle Fehlerlokalisierung sowie• durch die schnelle Abschaltungnur lokal begrenzte thermischeSchädigung des fehlerbehaftetenBetriebsmittels.

Parameter der Sternpunkterdung

Die Erdung kann als Resistanz- oderReaktanzsternpunkterdung ausge-führt werden. Für die Erdung mussdie zu erwartende Höhe des Fehler-stroms berücksichtigt werden. We-sentliche Merkmale für die Ausle-gung sind:• transiente Überspannungen: DieResistanzerdung zeichnet sichdurch eine höhere Dämpfung dertransienten Spannungen aus. Das

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0

110

140Knotenpunkte

Leite

rspa

nnun

g U

LL

38130.2

Leiterspannung

20 40 60 8070

75

80

85

90

95

100

105%

100 120

UL1UL2UL2UL3UL3UL1

Bild 2. Minimale LL-Spannungen im Westnetz

1,10

2,1

0,5Stromverhältnis Ik(1)/Ik(3)

Erdf

ehle

rfakt

or δ

38130.3

Erdfehlerfaktor

0,1 0,2 0,3 0,4

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,01,4

ResistanzReaktanz

1 580 A

Bild 3. Erdfehlerfaktor als Funktion Ik(1)/Ik(3)

bedeutet, dass die Spannungen derfehlerfreien Leiter nach Fehlerein-tritt wesentlich kleiner sind als beiReaktanzsternpunkterdung.• Stationäre Überspannungen: Beider Resistanzsternpunkterdung lie-gen die Spannungsamplituden dergesunden Leiter im Fehlerfall in derGrößenordnung derer des gelösch-ten Netzes.

Das betrachtete Netz ist trotz desmaximalen Erdfehlerstroms von rd.1 580 A (d. h. Ik(1)/Ik(3) = 0,24) als einNetz mit nicht wirksamer Sternpunk-terdung zu bezeichnen (� > 1,4). DieDimensionierung der Erdungsein-richtung wird maßgeblich bestimmtdurch:• die obere Grenze des Fehler-stroms, die von den Erdungsanla-gen gemäß DIN VDE 0101 und derBeeinflussung von Fernmeldeanla-gen gemäß DIN VDE 0228 abhängt,• die untere Grenze des Fehler-stroms, die durch die Netzschutz-einrichtungen bestimmt wird, umauch bei kleinstem Fehlerstrom ei-nen Erdfehler sicher zu erkennen.

Schutztechnik

Die Umstellung der Sternpunktbe-handlung erfordert im Netz desEnergieversorgers als auch in denkundenseitigen 20-kV-Anlagen An-passungen des Netzschutzes. Inzwei bereits umgestellten Netzge-bieten berechnen sich die minima-len Kurzschlussströme zu 1,6 kA fürmehrpolige Fehler und zu 0,7 kA für

einpolige Fehler. Unter Berücksich-tigung paralleler Speisekabel undeiner Ansprechsicherheit von min-destens 1,5 für Fehler im Schutzbe-reich zweiter Ordnung, beträgt derEinstellwert der leiterselektiven An-regung rd. 200 A.

Die im Mittelspannungsnetz all-gemein übliche Überstromanre-gung mit Einstellwerten zwischen300 und 600 A muss daher für dieErdfehlererkennung durch einespannungsgesteuerte Überstrom-oder Impedanzanregung ersetztwerden. Bild 4 zeigt den Fehler-strom und die Fehlerspannung für

Fehler vom Speisepunkt im Um-spannwerk bis zum entferntestenNetzausläufer. Die Spannung derfehlerhaften Phase bleibt für alleFehlerorte unter dem EinstellwertUmin = 0,8 Un.

Der Schutz des Sternpunktbild-ners und Erdungswiderstands wirddurch die Funktionen• Überstromzeitschutz (50,50N, 51,51N),• Gegensystemschutz (46) und• Überlastschutz (49)

realisiert. Vor allem die Gegensy-stemschutzfunktion bietet eineempfindliche, nahezu unverzögert

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Fehlergrenzen

Prozent der Nennspannung2 % 5 % 100 %

Betragsfehler �6 % �3 % �3 %Winkelfehler �240 min �120 min �120 min

Tafel 2. Fehlergrenzen vonSpannungswandlern 3P

Kabelimpedanzen

R X Re/Rl Xe/Xl

Z1 gemessen 0,157 0,116Z1 theoretisch 0,151 0,105Z0 gemessen 0,657 0,295 1,061 0,513Z0 theoretisch 0,572 0,232 0,929 0,403

Abweichung Z1 –3,8 % –9,6 %Abweichung Z0 –12,9 % –21,4 % –12,4 % –21,5 %

Tafel 1. Kabelimpedanzmessungen

Nullpunktbildner

38130.5

I0I1I2

IF00

= 13

·I0I1I2

0IFIF

= 13

·

Bild 5. Ströme im Nullpunktbildner

Fehlerkenngrößen

00

2,0

1,0Entfernung l

Stro

m, S

pann

ung

38130.4

0,2 0,4 0,6 0,8

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

kA

UL = f (l)

Umin

IL = f (l)

Imax

Bild 4. Einpolige Kurzschlussgrößen

wirkende und einfache Lösung zumSchutz des Kabels und Nullpunkt-bildners. Bild 5 verdeutlicht, dassexterne Fehler durch ein Nullsy-stem, interne Fehler durch ein Mit-und Gegensystem gekennzeichnetsind. Die Amplituden betragen je-weils 33 % des Fehlerstroms beimwiderstandslosen Erdfehler.

Praktische Erfahrungen und Versuchsergebnisse

Zur Verifizierung der Funktion derSchutzgeräte und vor allem der Gül-tigkeit der Kabeldaten sowie der tat-sächlich auftretenden Erd- und Be-rührungsspannungen und dem Ver-halten des Nullpunktbildners undErdungswiderstands wurde ein Erd-schlussversuch durchgeführt.

Um möglichst praxisnahe Bedin-gungen zu gewährleisten, wurde dieSchaltung auf einen einpoligenFehler mitten im Netz am Ende ei-nes 0,89 km langen Kabels vom TypNA2XS(F)2Y vorgenommen.

Der Fehler wurde selektiv bei ei-ner Fehlerdauer von 120 ms vombetreffenden Distanzrelais abge-schaltet. Der Kurzschlussstrom be-trug 1,43 kA, die Kurzschlussspan-nung 0,6 kV.

Es wurden die Erdspannungenam Speisepunkt und in Abständenvon 150 und 350 m vom Umspann-werk gemessen. Die maximalenAmplituden lagen unter 20 V, wasden praktischen Nachweis der Ein-haltung der DIN VDE 0101 doku-mentiert.

Großes Interesse galt der Verifika-tion der theoretischen und prakti-schen Kabeldaten. Hierzu wurdendie Mit- und Nullimpedanz der Ka-belstrecke ausgemessen. Die Ab-weichungen (Tafel 1) zeigen, dassbesonders die Messung der Nullim-pedanz bei der Verwendung vonDistanzrelais unumgänglich ist.

Ein weiterer Aspekt, der nicht ver-nachlässigt werden darf, ist die Ge-nauigkeit der Spannungswandler.Insbesondere im Kabelnetz mit kur-zen Kabellängen beträgt die Kurz-schlussspannung im Fehlerfalle nurwenige Prozent der Nennspannung(siehe Versuchsdaten 5 % Un). Indiesem Arbeitsbereich sind die Feh-ler , insbesondere der Winkelfehler,der häufig im Einsatz befindlichenSpannungswandler der Klasse 3P

entsprechend der Tafel 2 relativgroß, was zu erheblichen Messfeh-lern bei der Reaktanzberechnungführt. Daher sollten Spannungs-wandler der Klassen 0,5 bzw. 1 ver-wendet werden.

Zusammenfassung

Die Umstellung des 20-kV-Netzesvon gelöschtem auf niederohmiggeerdeten Sternpunkt bringt reinenKabelnetzbetreibern und derenKunden erhebliche betriebliche Vor-teile, schont die angeschlossenenBetriebsmittel und führt mittelfris-tig zu Kosteneinsparungen.

Den Vorteilen ist der Aufwandgegenüberzustellen, der durch An-passung des Netzschutzes und In-stallation der Erdungseinrichtun-gen verursacht wird. Im vorliegen-den Fall beliefen sich die Kosten fürein umzustellendes Teilnetz mit ei-ner Einspeiseleistung von 31,5 MVAauf weniger als 200 000 €, was demgünstigen Umstand zu verdankenist, dass der gesamte Netzschutz be-reits dreipolig ausgeführt war unddeshalb in den Leistungsschalter-abzweigen keine neuen 20-kV-Stromwandlersätze eingebaut wer-den mussten.

(38130)

57SONDERDRUCK PDF 6277 aus ew Jg.108 (2009), Heft 4, S. 54-57

hagen.gruenert@gscpower.com

www.estw.de

robert.fenkl@estw.de

www.gscpower.com

walter.castor@estw.de

Spannungsverlauf

–200

20

0,20t

Span

nung

u

38130.7

0,04 0,08 0,12 0,16

–16

–12

–8

–4

0

4

8

12

16

s

V UE_0 mUE_150 mUE_350 mUB0

Bild 7. Erd- und Berührungsspannungen

Bild 6. Störschrieb des fehlerbehafteten Felds