Kabelreserve in Oberösterreich - Institut für Elektrische Anlagen

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener
Netze
Dissertation
Begutachter:
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Lothar Fickert
Prof. Dr.-Ing. Peter Schegner
Vorgelegt von:
Dipl.-Ing. Clemens Obkircher
Institut für Elektrische Anlagen
Institutsleiter: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Lothar Fickert
Technische Universität Graz
A - 8010 Graz, Inffeldgasse 18-I
Telefon: (+43 316) 873 – 7551
Telefax: (+43 316) 873 – 7553
http://www.ifea.tugraz.at
http://www.tugraz.at
Graz / Juli - 2008

Danksagung
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher
Projektmitarbeiter am Institut für Elektrische Anlagen der TU-Graz.
Dabei gilt mein Dank an erster Stelle Herrn Prof. Lothar Fickert für seine Unterstützung
während meiner Arbeit an der Dissertation. Er hat immer wieder für neue Ideen gesorgt.
Ich möchte mich auch bei Prof. Schegner für seine Bereitschaft zur Begutachtung meiner
Dissertation bedanken.
Ein großes Dankeschön gilt allen Kollegen am Institut für Elektrische Anlagen, die mir mit
Rat und Tat zur Seite standen.
Georg Achleitner hat auch auf dem Gebiet der gelöschten Netze geforscht, und er war ein
guter Freund und Diskussionspartner. Wir haben einige Publikationen und Patente
zusammen erarbeitet, und hierfür sei ihm gedankt.
Meine Kollegin Beti Trajanoska stand mir immer unterstützend zur Seite, und ohne ihre Hilfe
wäre diese Dissertation erst später vollendet worden.
Auch meiner Familie möchte ich für die jahrelange Unterstützung danken.
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Kurzfassung
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Titel: Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Schlüsselwörter: Erdschlussreststrom, Ausbaureserve, Oberschwingungen, Resonanzen
Diese Dissertation beschäftigt sich mit den auftretenden Problemen im Zusammenhang mit
vermehrtem Ausbau von erdschlussstromkompensierten (gelöschten) Netzen. Der
Netzausbau erhöht die Erdkapazitäten der Netze, sodass der zu kompensierende kapazitive
Erdschlussstrom und auch der Erdschlussreststrom steigt.
Der Erdschlussstrom ist abhängig von Betriebsspannung, Frequenz, Oberschwingungen und
von der Verteilung von Kapazitäten und Induktivitäten im Netz (Resonanzen). Der
Erdschlussreststrom ist zusätzlich abhängig von Verstimmung, Verlustfaktor, von der
Sättigung der Petersenspulen und von parallel geführten Systemen, welche die
Kompensation erschweren.
Mit Hilfe eines Algorithmus werden die Grenzen des Ausbaus gelöschter Netze aufgezeigt,
sowie weitere Probleme, die den Ausbau erschweren, aufgezeigt. Vor allem wird der Einfluss
von Oberschwingungen, und deren Resonanzen analysiert, um bei weiterem Netzausbau
oder Netztrennungen (Schalthandlungen) eventuell auftretende Verschlechterungen der
Erdschlusslöschung zu vermeiden. Weiters werden noch technische Maßnahmen
untersucht, die einen zukünftigen Betrieb der Netze innerhalb der normativen
Rahmenbedingungen gewährleisten.
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Abstract
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Title: Expansions limits of earth fault compensated networks
Keywords: residual earth fault current, extension reserve, harmonics, resonances
This thesis deals with the arising problems in connection with increased extension of earthfault-compensated
grids. The grid extension increases the line to earth capacities, so that the
capacitive line to earth current which can be compensated and also the earth fault residual
current rise.
The earth fault current depends on operating voltage, frequency, harmonics and on the
distribution of capacities and inductances in the grid (resonances). The ground fault residual
current depends additionally on detuning, damping, on the saturation of the Petersen coils
and on parallel led systems, which are in opposition to a perfect compensation.
With the help of a grid calculation program the limits of the grid extension are pointed out, as
well as further problems that bring difficulties are shown. Above all the influence of
harmonics und their resonances are examined, in order to avoid arising degradations of the
earth fault clearing ability. Further technical measures are explained, which ensure a future
problem-free grid operation.
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Inhaltsverzeichnis
1 Symbole und Abkürzungen ................................................................................. 7
2 Einleitung............................................................................................................. 9
2.1 Überblick ...................................................................................................... 9
2.2 Forschungsfragen und -thesen .................................................................. 10
2.3 Aufgabenstellung........................................................................................ 10
3 Allgemeine Zusammenhänge............................................................................ 11
3.1 Technische Grundlagen ............................................................................. 11
3.1.1 Isoliertes Netz ..................................................................................... 11
3.1.2 Gelöschtes Netz.................................................................................. 12
3.1.3 Niederohmig geerdetes Netz............................................................... 14
3.2 Erdschlusslöschung, Grundlagen............................................................... 15
3.2.1 Ersatzschaltbild ................................................................................... 16
3.2.2 Der Erdschluss in symmetrischen Komponenten................................ 16
3.2.3 Kurzzeitig mittelohmig geerdetes Netz................................................ 18
3.2.4 Zuverlässigkeit und Betriebsführung/Störungsbehebung.................... 18
3.2.5 Spannungsqualität .............................................................................. 18
3.2.6 Vor-/Nachteile (Auswirkungen hinsichtlich Erdschlusslöschung) ........ 19
3.3 Parameter .................................................................................................. 19
3.3.1 Verstimmung (v).................................................................................. 20
3.3.2 Dämpfung (d) ...................................................................................... 20
3.3.3 Erdschlussreststrom (IRest) .................................................................. 20
3.3.4 Löschgrenze (IG) ................................................................................. 21
3.3.5 Sternpunktverlagerungsspannung (UNE) ............................................. 23
3.3.6 Regelung von Erdschlussdrosseln ...................................................... 24
3.3.7 Kapazitiver Erdschlussstrom (ICE) ....................................................... 24
3.3.8 Oberschwingungsanteil (THD) ............................................................ 25
3.3.9 Messtechnische Bestimmung der Netzparameter............................... 27
4 Stand der Technik betreffend der Ausbaureserve gelöschter Netze ................. 31
4.1 Normenlage in Österreich und in Deutschland........................................... 31
4.2 Berechnung der Ausbaureserve eines Netzes ........................................... 31
5 Methodik zur Abschätzung der Ausbaureserve und des Erdschlussreststroms 32
5.1 Bestimmung der Obergrenze des Netzausbaus (ohne Oberschwingungen)..
................................................................................................................... 32
5.1.1 Allgemeines......................................................................................... 32
5.1.2 Herleitung des maximalen Netzausbaus ohne Oberschwingungen .... 32
5.1.3 Bestimmung der minimalen Verstimmung........................................... 35
5.2 Maximaler Netzausbau mit Berücksichtigung von Oberschwingungen und
Resonanzen.......................................................................................................... 36
5.2.1 Zentrale Aufstellung der Löschspulen ................................................. 40
5.2.2 Dezentrale Aufstellung der Löschspulen (unmittelbare Kompensation
an den Erdkapazitäten) ..................................................................................... 40
5.3 Abschätzung der Ausbaureserve ............................................................... 41
5.3.1 Interpretation der Grafik ...................................................................... 42
6 Methodik zur Berechnung des Erdschlussreststroms........................................ 46
6.1 Verifikation der Ausgangsbasis .................................................................. 46
6.1.1 Ortseinfluss der Oberschwingungserzeugung..................................... 47
6.1.2 Linearer Zusammenhang zwischen Oberschwingungsspannung und –
strom ............................................................................................................ 50
6.1.3 Resonanz entlang einer Leitung.......................................................... 51
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
6.2 Simulation in Neplan®................................................................................ 54
7 Abstimmversuche und Berechnungen............................................................... 55
7.1 Bewertung der Messungen ........................................................................ 55
8 Analyse von Ausschwingvorgängen bei Erdschlüssen / Erdschlusswischern ... 56
8.1 Allgemeines................................................................................................ 56
8.2 Berechnungsergebnisse............................................................................. 58
8.2.1 Patentierung des Verfahrens zum Nachstellen einer Löschspule ....... 58
9 Erdschlussversuche in gelöschten Netzen ........................................................ 62
9.1 Versuche in einem 110-kV-Drehstromnetz................................................. 62
9.1.1 Versuch 1............................................................................................ 62
9.1.2 Versuch 2............................................................................................ 64
9.1.3 Versuch 3............................................................................................ 65
9.2 Versuche in 20-kV-Drehstromnetzen ......................................................... 66
10 Aussagen zur Löschgrenze ............................................................................... 68
10.1 Versuchskonzept........................................................................................ 68
11 Maßnahmen, die den weiteren Ausbau gelöschter Netze ermöglichen............. 73
11.1 Niederohmige/starre Erdung ...................................................................... 73
11.2 Mittelohmige Erdung .................................................................................. 74
11.3 Netztrennung/galvanische Trennung.......................................................... 75
11.4 Spezielle Kompensationsverfahren............................................................ 75
11.4.1 Aktive Reststromkompensation........................................................... 75
11.4.2 Phasenerdung..................................................................................... 76
11.4.3 Einsatz von GIL................................................................................... 76
11.4.4 Resonanzabstimmung ........................................................................ 76
11.4.5 Kompensation der Oberschwingungsspannungen oder -ströme......... 77
12 Zusammenfassung und Ausblick....................................................................... 78
13 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 80
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
1 Symbole und Abkürzungen
(in alphabetischer Reihenfolge)
CE Erdkapazität pro Leiter = Nullkapazität (CE ; C0)
d Dämpfung = Verlustfaktor (δ)
d3 Dämpfung der dritten Oberschwingung
d5 Dämpfung der fünften Oberschwingung
d7 Dämpfung der siebenten Oberschwingung
E Erde
f Frequenz
f0 Resonanzfrequenz
g Güte des Netzes an einem bestimmten Punkt (g = X/R)
g1 Güte der Grundschwingung
g3 Güte der dritten Oberschwingung
g5 Güte der fünften Oberschwingung
g7 Güte der siebenten Oberschwingung
I50 Erdschlussreststrom der Grundschwingung
I150 Erdschlussreststrom der dritten Oberschwingung
I250 Erdschlussreststrom der fünften Oberschwingung
I350 Erdschlussreststrom der siebenten Oberschwingung
ICE kapazitiver Erdschlussstrom (IC)
IG Löschgrenze (132 A)
IK Kompensationsstrom (IL und IRD)
IL Löschstrom der idealisierten Petersenspule(n) (induktiver Anteil)
IN Netzstrom (IC und IRQ)
IRD Löschspulenverluststrom
IRest Erdschlussreststrom
IRQ Querleitverluststrom
k Unsymmetriefaktor des Netzes
LD Induktivität der Petersenspule(n)
n Ordnung der Oberschwingung
N Sternpunkt
p1 Anteil der Grundschwingung (=1)
p3 Anteil der dritten Oberschwingung
p5 Anteil der fünften Oberschwingung
p7 Anteil der siebenten Oberschwingung
Pgrenz Anteil der Sternpunktverlagerungsspannung
RD Wirkwiderstand der Petersenspulen (in Parallel-Ersatzschaltung)
RE Erdungswiderstand
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RF Fehlerwiderstand
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
RQ Querableitwiderstand des Netzes
UB Betriebsspannung
UEN Sternpunktverlagerungsspannung
UENgrenz
maximal zugelassene Sternpunktverlagerungsspannung
UN Nennspannung
UPh Phasenspannung
v Verstimmung
v3 Verstimmung der dritten Oberschwingung
v5 Verstimmung der fünften Oberschwingung
v7 Verstimmung der siebenten Oberschwingung
vn Verstimmung der n-ten Oberschwingung
X Reaktanz
Z Impedanz
ΔCE Unsymmetrie des Netzteiles
ω Kreisfrequenz (2·π·f) der Grundschwingung (50 Hz)
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2 Einleitung
2.1 Überblick
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Ausgangspunkt für diese Dissertation sind wiederholt aufgetretene Fragen,
Problemstellungen und grundsätzliche Problemlösungen in kontroversen, öffentlichen
Diskussionen bezüglich geplanter 110-kV-Leitungsverbindungen, und die vorangegangene
Diplomarbeit [10].
Da bei neuen, umfangreichen Ausbauprojekten in gelöschten Netzen von der Bevölkerung
(und zum Teil der Politik) immer mehr der Einsatz von Kabeln statt Freileitungen gefordert
wird, ist es notwendig, zu untersuchen, ob vermehrter Kabeleinsatz in Netzen zu technischen
Problemen führen kann, und wo die netztechnischen Grenzen des Kabeleinsatzes liegen.
Anhand von realen Netzen werden die auftretenden Probleme in gelöscht betriebenen und
vorwiegend aus Freileitungen bestehenden Hoch- und Mittelspannungsnetzen bei
zusätzlichem Einsatz von Kabelsystemen, sowie Maßnahmen zum problemfreien
zukünftigen Betrieb analysiert.
Im Rahmen der Dissertation wurden verschiedene Gutachten hinsichtlich der Ausbaureserve
erstellt, und es wurden Erdschlussversuche durchgeführt. Die Analysen erfolgten unter
Einbeziehung von Messungen der Netzbetreiber, die in Zusammenarbeit mit der TU Graz
und unter Berücksichtigung des letztgültigen Netzausbauzustandes ausgearbeitet wurden,
wobei die notwendigen Netzdaten von den Netzbetreibern zur Verfügung gestellt wurden.
Die auftretenden Probleme und die resultierenden Ausbaugrenzen, die sich in elektrischen
Netzen ergeben, begründen sich vorwiegend in der Art der Sternpunktbehandlung. Die Art
der Sternpunktbehandlung, die für ein Netz gewählt wird, ist vor allem von der
Spannungshöhe, von der Netzgröße und von der historischen Entwicklung abhängig.
Es gibt verschiedene Arten der Sternpunktbehandlung wie
a) die starre Sternpunkterdung,
b) das isolierte Netz (isolierter Sternpunkt) und
c) das gelöscht betriebene Netz.
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
2.2 Forschungsfragen und -thesen
Im Zusammenhang mit der Untersuchung der Ausbaugrenzen gelöschter Netze, ergeben
sich die nachfolgend formulierten Forschungsfragen:
1) Ist die genaue Berechnung des Erdschlussreststromes an jeder Stelle eines Netzes
möglich?
2) Ist eine übersichtsmäßige Abschätzung des Erdschlussreststromes möglich?
3) Kann man die längenmäßige Ausbaureserve eines Netzes für verschiedene
Leitungsarten bestimmen?
4) Welchen Einfluss haben Oberschwingungen auf den Erdschlussreststrom?
5) Wie kann die Löschgrenze bestimmt werden?
6) Welche Methoden gibt es, um den Netzausbau hinsichtlich der Löschgrenze zu
unterstützen?
2.3 Aufgabenstellung
Aus den angegebenen Forschungsfragen lassen sich die folgenden Aufgabenstellungen
formulieren.
1) Entwicklung einer Berechnungsmethode, um den Erdschlussreststrom berechnen zu
können
2) Entwicklung eines Tools um den Erdschlussrestrom abschätzen zu können
3) Berechnung der längenmäßigen Ausbaureserve von gegebenen Netzen für
verschiedene Leitungsarten
4) Berücksichtigung von Oberschwingungen in den Berechnungen von
Erdschlussreststrom und Ausbaureserve
5) Bestimmung der Einflussfaktoren, die die Löschgrenze beeinflussen
6) Ermittlung von Methoden, die den weiteren Netzausbau jenseits der Löschgrenze
ermöglichen und erlauben
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
3 Allgemeine Zusammenhänge
3.1 Technische Grundlagen
Die im Folgenden verwendeten Formelzeichen und Abkürzungen sind in alphabetischer
Reihenfolge in Kapitel 1 wiedergegeben.
3.1.1 Isoliertes Netz
Abbildung 3.1: Isoliertes Netz – Prinzipersatzschaltbild (einfaches Strahlennetz)
In Abbildung 3.1 ist das Ersatzschaltbild eines isolierten Netzes dargestellt. Alle Sternpunkte
(Transformatoren und Sternpunktbildner) sind gegenüber der Erde isoliert. Im idealen Netz
ohne Unsymmetrien hat der Sternpunkt keine Verlagerungsspannung gegen Erde
(UNE = 0 V). Isolierte Netze finden ihre Anwendung bei Mittelspannungsnetzen geringer
Ausdehnung, da eine größere Ausdehnung der Netze höhere kapazitive Ströme verursacht.
Im isolierten Netz ist der Erdschlussstrom abhängig von den Erdkapazitäten des Netzes.
Dies bedeutet, dass größere Systemlängen von Netzen oder der Einsatz von Kabeln statt
Freileitungen zu größeren Erdschlussströmen führen.
Bei einem Dauererdschluss steigt die Leiter-Erde-Spannung in den fehlerfreien Leitern
(Phasen) auf den 3 -fachen Wert. In Freileitungsnetzen kann man mit der Selbstlöschung
des Lichtbogens rechnen, wenn der kapazitive Erdschlussstrom ICE kleiner als 35 A (für 10kV
oder 20-kV-Netze), oder kleiner als 60 A (für 60-kV-Netze) ist [11].
Verwendung:
- bei Mittelspannungsfreileitungsnetzen geringer Ausdehnung
- bei kleinen Kabelnetzen (z.B. KW-Eigenbedarfsnetze, Industrienetze)
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Vorteile:
- einfache Ausführung
- geringe Anforderungen an die Erdungsanlagen
Nachteile:
- intermittierende Erdschlüsse sind möglich
- erhöhte Überspannungsbeanspruchung, insbesondere bei intermittierenden Erdschlüssen
- Dauererdschlüsse und damit die Gefahr von Mehrfacherdschlüssen
- keine sichere selektive Erdschlusserfassung
- erhöhte Gefahr des Auftretens von subsynchronen Kippschwingungen
3.1.2 Gelöschtes Netz
Abbildung 3.2: Gelöschtes Netz - Prinzipersatzschaltbild (einfaches Strahlennetz)
In gelöschten Netzen (siehe Abbildung 3.2) werden ein oder mehrere
Transformatorsternpunkte oder Sternpunktbildner über Löschspulen (LD), deren Induktivität
oft veränderbar ist, geerdet. Für die genauere Einstellungen des induktiven Löschstromes
werden Tauchkernspulen verwendet. Bei einer vollständigen Abstimmung der Induktivität der
Löschspule auf die Kapazität des Netzes gegen Erde (Vollkompensation), fließt bei einem
einpoligen Fehler nur mehr der nichtkompensierbare Reststrom (ohmscher Wattreststrom,
Oberschwingungsströme) an der Fehlerstelle. Der Grundschwingungs-Erdschlussreststrom
ist vor allem von der Netzgröße abhängig, und seine vollständige passive Kompensation ist
wegen der ohmschen Komponente nicht möglich. Durch die Erdschluss-Kompensation wird
erreicht, dass der Erdschlusslichtbogen bis zu einer gewissen Netzgröße (Löschgrenze) trotz
Last
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
wesentlich größerer Netzausdehnung von selbst erlischt (im Vergleich zur isolierten
Sternpunktbehandlung).
Durch den im Vergleich zum isolierten Netz wesentlich langsameren Anstieg der
wiederkehrenden Spannung im gelöschten Netz lässt sich der höhere Wert der Löschgrenze
erklären. Das gelöschte Netz kann längere Zeit unter Einhaltung der technischen
Bedingungen mit einem bestehenden Erdschluss weiter betrieben werden, wenn sofort nach
Erdschlusseintritt Eingrenzungsmaßnahmen getroffen werden [33]. Bei einem
Dauererdschluss steigt die Spannung in den fehlerfreien Leitern (Phasen) wie beim isolierten
Netz auf den 3 -fachen Wert. Es ist möglich, dass in der Folge durch die
Spannungsanhebung der gesunden Leiter und eine allfällige Überbeanspruchung von
Isolationsstellen ein stromstarker Doppelerdschluss entsteht.
Verwendung:
- bei Mittel- und Hochspannungsnetzen (10 kV bis 110 kV) größerer Ausdehnung
Vorteile:
- trotz 1-poligem Fehler kann das Netz vorübergehend weiter betrieben werden (dies
bedeutet eine Erhöhung der Versorgungssicherheit)
- Erdschlüsse verlöschen meist von selbst
- kleine Erdschlussrestströme
- geringe Anforderungen an die Erdungsanlagen
- geringe Zahl von Abschaltungen beim Auftreten von Erdschlüssen
- wiederkehrende Spannung steigt wesentlich langsamer als bei isoliertem Netz
Nachteile:
- erhöhte Spannungsbeanspruchung der fehlerfreien Phasen und Leitungen im
Erdschlussfall
- Begrenzung der Netzausdehnung durch den Erdschlussreststrom
- Dauererdschlüsse sind möglich und damit die Gefahr von Mehrfacherdschlüssen
- oft unsichere selektive Erdschlusserfassung
- Mehraufwand durch Einbau und Regelung der Petersenspulen
- Isolation der Betriebsmittel gegen Erde muss der verketteten Nennspannung entsprechen
Gelöschte Netze werden derzeit bei Mittel- und Hochspannungsnetzen vorwiegend in
Europa eingesetzt (im angloamerikanischen Raum wird eine starre oder mittelohmige
Erdung bevorzugt). Gelöschte Netze sind u.a. vorteilhaft, weil hier im einpoligen Fehlerfall
(dem Erdschluss) kleine Fehlerströme fließen, ein Erdschlusslichtbogen von selbst erlischt,
die wiederkehrende Spannung langsam ansteigt und dann nur kleine Berühr- und
Beeinflussungsspannungen auftreten. Der bedeutendste Vorteil gelöschter Netze unter dem
Aspekt der Energieversorgung ist die große Versorgungssicherheit aufgrund weniger
Abschaltungen, da hier die meisten Leiter-Erde-Fehler (Erdschlüsse) von selbst verlöschen.
Der maximale Erdschlussreststrom bestimmt dabei im Wesentlichen die möglichen
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Ausbauten (zusätzliche Freileitungen und Kabel) in einem Netzteil (Löschbezirk). Der
Reststrom ist abhängig von den verschiedensten Faktoren. Von besonderem Interesse sind
Maßnahmen, die bei Ausbau mit Kabeln, den Netzbetrieb des Netzes weiter ermöglichen.
3.1.3 Niederohmig geerdetes Netz
Abbildung 3.3: Niederohmig geerdetes Netz - Prinzipersatzschaltbild (einfaches Strahlennetz)
In Netzen mit niederohmiger Sternpunkterdung (siehe Abbildung 3.3) werden die
Transformatorsternpunkte über Widerstände RE (einige 10 Ω bis ca. 60 Ω) mit Erde
verbunden, um die Erdkurzschlussströme zu begrenzen.
Eine Sonderform dieser Sternpunktbehandlung ist die starre Erdung, bei der die Sternpunkte
und Erde direkt verbunden werden (RE = 0 Ω). Bei dieser Netzform sind nicht mehr die
Spannungen das entscheidende Kriterium für die Auslegung der Betriebsmittel, sondern die
auftretenden einphasigen Erdkurzschlussströme. Eine betriebsfrequente
Spannungserhöhung an den nicht betroffenen Leitern (Phasen) tritt nur in begrenzter Höhe
auf. Auf die starre Erdung wird übergegangen, wenn die Löschfähigkeit des isolierten Netzes
oder des gelöschten Netzes nicht mehr gegeben ist bzw. der Isolationspegel es erfordert. Bei
starrer Erdung liegen die Erdkurzschlussströme im Bereich von einigen kA (in Hoch- und
Mittelspannungsnetzen) bzw. im Bereich von einigen 100 A (in Niederspannungsnetzen),
und die Schutzeinrichtungen sind in der Lage, fehlerbehaftete Leitungen selektiv
abzuschalten.
Um beim Auftreten von Kurz- und Erdschlüssen die fehlerfreie Versorgung wieder
herzustellen, wird gegebenenfalls durch die Automatische Wieder-Einschaltung (AWE)
versucht, die Leitung nach einer Abschaltung und einer kurzen Pausenzeit (ca. 0,5 bis 1 s)
wieder zuzuschalten. Automatische Wieder-Einschaltungen werden oft erfolgreich
eingesetzt, da erfahrungsgemäß in Freileitungsnetzen 90 % der Fehler nach einer
automatischen Wiedereinschaltung nicht mehr bestehen (d.h. der Lichtbogen verlischt).
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Verwendung:
bei Hoch- und Höchstspannungsnetzen (110 kV bis 750 kV) größerer Ausdehnung
bei Niederspannungsnetzen (400 V)
Vorteile:
- einfache Ausführung
- einfache selektive Erdschlusserfassung, AWE möglich
- Netzausdehnung nahezu unbegrenzt
- verminderter Isolationspegel bei starrer Erdung ausreichend
Nachteile:
- abhängig von der Größe und Anzahl der Sternpunktswiderstände bzw. Nullimpedanzen der
Transformatoren bei starrer Erdung u.U. große Erdkurzschlussströme, daher
erforderlichenfalls erheblicher Aufwand für Erdungsanlagen
- häufigere kurzfristige Abschaltungen (ca. 0,1 … 1 s) von Leitungen
3.2 Erdschlusslöschung, Grundlagen
In Mitteleuropa ist die vorherrschende Betriebsform in der Mittel- und Hochspannung
(bis 110 kV) die des gelöscht betriebenen Netzes. Dies bedeutet, dass das Netz durch
Löschspulen, die zwischen Sternpunkt und Erde geschaltet sind, so abgestimmt wird, dass
der am Fehlerort auftretende kapazitive Erdschlussstrom möglichst kompensiert wird. Der
verbleibende Fehlerstrom wird als Erdschlussreststrom bezeichnet. Dieser
Erdschlussreststrom ist vor allem abhängig von der Dämpfung d im Fehlerfall, sowie von der
verbleibenden Verstimmung v.
Der Vorteil eines so gearteten Netzbetriebes ist die große Versorgungssicherheit, da
Erdschlüsse nicht unmittelbar zu einer Abschaltung von Netzteilen führen, und über 95 %
(nach Angaben von Netzbetreibern) der Erdschlüsse von selbst wieder verlöschen. Bei den
restlichen 5 % kommt es zu Dauererdschlüssen oder intermittierenden Erdschlüssen, und in
der Folge können diese Erdschlüsse zu Doppelerdschlüssen oder Kurzschlüssen führen.
Prof. Waldemar Petersen hatte 1919 die Idee, eine Spule (Petersenspule) in den Sternpunkt
eines Netzes (Transformatorsternpunkte oder Sternpunktbildner) zu schalten, um eine
induktive Gegenkomponente zu den kapazitiven Erdschlussströmen im Erdschlussfall
einzubringen.
Früher kannte man noch andere Lösungen wie die Polerdung oder den Bauch´schen
Löschtransformator [10], die jedoch den Nachteil haben, dass sie bereits im fehlerfreien
Betrieb Wirkleistungsverluste verursachen.
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3.2.1 Ersatzschaltbild
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Abbildung 3.4: Prinzipersatzschaltbild – gelöschtes Netz (einfaches Strahlennetz)
3.2.2 Der Erdschluss in symmetrischen Komponenten
Mit Hilfe der symmetrischen Komponenten kann man ein symmetrisches Netz
(symmetrischer Aufbau und symmetrische Lasten vorteilhaft) nachbilden und berechnen. In
den folgenden Abbildungen (Abbildung 3.5 und Abbildung 3.6) sieht man die
Ersatzschaltbilder eines Erdschlusses in symmetrischen Komponenten. An der Fehlerstelle
werden Mit- Gegen- und Nullsystem in Form einer Serienschaltung verbunden.
Abbildung 3.5: Symmetrische Komponenten - vereinfachtes Ersatzschaltbild
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Im vereinfachten Ersatzschaltbild (Abbildung 3.5) erkennt man prinzipiell die Ersatzschaltung
des Erdschlusses.
Abbildung 3.6: Symmetrische Komponenten – Ersatzschaltbild mit vereinfachtem Restnetz
In Abbildung 3.6 ist das Ersatzschaltbild eines Erdschlusses in symmetrischen Komponenten
dargestellt. Daraus kann man die verschiedenen Formeln und Matrizen für die Berechnung
der Erdschlussverhältnisse bestimmen.
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
3.2.3 Kurzzeitig mittelohmig geerdetes Netz
Eine Sonderform des gelöschten Netzes (siehe Abbildung 3.7) ist das kurzzeitig mittelohmig
geerdete Netz. Mit dieser Art der Sternpunktbehandlung erhält man die Vorteile des
gelöschten Netzes, und man kann im Falle eines Erdschlusses eine gezielte Ortung
und/oder eine selektive Abschaltung durchführen.
I zusatz =
50 .. 300
Amp
0,2s
ORTUNG: I 0 > ( I 0 > )
Wattreststrom
Distanzschutz
Wischer-Erfassung
Oberschwingungsrelais
FOLGE: � Mldg
� evtl. AWE
� evt. isol. Schiene
�evtl. Auslösung
Abbildung 3.7: Prinzipschaltbild zur kurzzeitigen mittelohmigen Erdung
3.2.4 Zuverlässigkeit und Betriebsführung/Störungsbehebung
Bei Freileitungen liegt die durchschnittliche Störungsanzahl bei 0,6 Kurzschlüssen und 4,6
Erdschlüssen pro 100 km und Jahr [12].
Bei einer Verkabelung ist mit einer geringeren Anzahl von Erdschlüssen zu rechnen. Bei
Kurzschlüssen ist jedoch mit einer längeren Ausfalldauer gegenüber einer Freileitung zu
rechnen [19].
Bei Freileitungen gibt es Störungen die ohne Schaden ablaufen. Diese Fehler können meist
durch kurzzeitiges Spannungsfreischalten (AWE) beseitigt werden und danach ist die
Leitung wieder voll verfügbar.
Kabel hingegen müssen bei einer Störung in jedem Fall abgeschaltet werden und der Fehler
muss geortet werden [19].
3.2.5 Spannungsqualität
Im Allgemeinen wird die Spannungsqualität durch die Verwendung von Kabeln verbessert,
da es durch den Einbau zu einer Vergrößerung der Kurzschlussleistung kommt und sich dies
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
positiv auf die Spannungsqualität auswirkt und im ganzen Netz ein symmetrierender Effekt
durch den Einbau von Kabel festgestellt werden kann.
Jedoch ist bei dem Einsatz von Kabel auch auf die Nichtverfügbarkeit zu achten, die sich in
Spannungsqualitätsparametern bemerkbar machen kann. (SAIDI, SAIFI,..).
3.2.6 Vor-/Nachteile (Auswirkungen hinsichtlich Erdschlusslöschung)
Die Auswirkungen hinsichtlich Erdschlusslöschung sind, dass durch den Einsatz von Kabeln
eine symmetrierende Wirkung im Netz auftritt und damit ein Betrieb der Petersenspulen
näher am Resonanzpunkt durch eine geringere Verlagerungsspannung möglich wird.
Im Gegensatz dazu liefern Kabel jedoch einen viel größeren Beitrag zum kapazitiven
Fehlerstrom im Netz, der durch zusätzliche Kompensationsspulen kompensiert werden
muss. Dies bewirkt auch eine Erhöhung des Erdschlussreststromes der nicht kompensiert
werden kann (ohmscher Erdschlussreststrom und Oberschwingungsreststrom) und dadurch
kommt es zu einer Annäherung an die Löschgrenze (ÖVE B1/1976 [15]). Diese hat zur
Folge, dass es zu einer Ausbauproblematik im Netz kommen kann.
Weiters sind Kabelstrecken im Erdschlussbetrieb besonders zu beachten. Durch
Herausschalten von Kabelstrecken zur Fehlereingrenzung kann es zu einer beträchtlichen
Verstimmung (Verhältnis Petersenspule zur Netzkapazität – notwendige Ortungskapazität)
kommen, die zu gefährlichen Strömen an der Fehlerstelle führen können. Hier ist, wenn
möglich, ein Mitschalten von Spulen zu überlegen.
3.3 Parameter
Folgende Parameter beschreiben die physikalischen Zusammenhänge, die in gelöschten
Netzen beachtet werden müssen.
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3.3.1 Verstimmung (v)
v
I − I
I
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
CE L = (3.1)
CE
Die Verstimmung (v, Formel 3.1) in einem gelöschten Netz gibt an, um welchen Anteil das
Netz über- oder unterkompensiert ist. Überkompensiert bedeutet, dass der
Petersenspulenstrom IL größer als der kapazitive Strom ICE ist. Im üblichen Betrieb werden
gelöschte Netze mit einer Verstimmung von -2 % bis -6 % betrieben (Überkompensation),
um der Gefahr der Resonanz (siehe Abbildung 3.10) bei Ausfall oder Abschaltung einer
Leitung zu entgehen. Das Netz mit Verstimmung zu betreiben, ist bei nichtverdrillten
Freileitungsnetzen (nicht ausgekreuzte Leiterseile) meist notwendig, da sonst auf Grund der
Unsymmetrien im fehlerfreien Betrieb eine unzulässig große
Sternpunktverlagerungsspannung auftreten kann (siehe Formel 3.4 und Kapitel 5.1.3).
3.3.2 Dämpfung (d)
d = 1
ω C
∑
E
( 1
R
D
+
∑
1
R
Q
)
Die Dämpfung (d, 3.2) in einem Netz gibt den Anteil der Querableitwirkströme und der
Löschspulenwirkströme im Verhältnis zum kapazitiven Erdschlussstrom an. Im gelöschten
Netz ist d ein Maß für den ohmschen Anteil des Reststromes. In manchen Quellen wird die
Dämpfung auch als Verlustfaktor (δ) oder Bedämpfung β = I R /IC
bezeichnet:
3.3.3 Erdschlussreststrom (IRest)
Der Erdschlussreststrom besteht aus allen nicht kompensierten Fehlerströmen, die an der
Fehlerstelle über Erde abfließen (Wattreststrom, Verstimmungsstrom,
Oberschwingungsreststrom und eventuell Ortungsströme).
Der netzfrequente Anteil des Erdschlussreststromes ist vor allem abhängig von
Verstimmung, Dämpfung, Frequenz, Erdkapazitäten und Betriebsspannung. Auch die
Verteilung der Netzinduktivitäten und der Netzkapazitäten spielt eine wichtige Rolle.
Die Näherungsformel (3.3) für den Erdschlussreststrom der Grundschwingung in einem
Drehstromnetz bei idealer Verteilung und Anzahl der Löschspulen (unmittelbare
Kompensation vor Ort [10]) lautet:
U B
I Re st = 3ω
CE
( d + jv)
3
(3.3)
(3.2)
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Um den maximalen Netzausbau zu errechnen, müssen bei allen Faktoren die Extremwerte
eingesetzt werden (siehe Kapitel 5). Die Auswirkungen der einzelnen Faktoren auf den
Erdschlussreststrom IRest, sollen in dieser Arbeit beleuchtet werden.
3.3.4 Löschgrenze (IG)
Die Löschgrenze beschreibt jenen Reststrom IRest, der maximal auftreten darf, um das
selbstständige Verlöschen eines auftretenden Lichtbogens zu gewährleisten. Diese Grenze
ist bestimmt durch das Vermögen eines Lichtbogens, von selbst zu verlöschen, sowie durch
die bei diesem Reststrom auftretenden Fehler- und Berührungsspannungen. In der
österreichischen Norm ÖVE B1 [15] (siehe Tabelle 3.1) und in der deutschen Norm VDE
0228 Teil 2 [23] (siehe Abbildung 3.8) wird verlangt, dass der Reststrom in gelöschten
Netzen bei einem Dauerfehler unter einer nennspannungsabhängigen Löschgrenze bleibt
(in ÖVE B1 [15] nur die Grundschwingung), und dass dabei keine Gefährdungen durch
Fehlerspannungen auftreten. Bis zu diesem Wert wird zusätzlich angenommen, dass der
Erdschluss meistens innerhalb weniger Perioden der 50-Hz-Wechselspannung verlöscht.
Nennspannung des
Netzes [kV]
Erdschlussrestrom
bzw.
Erdschlussstrom
[A] Maßgebend ist
die Grundwelle.
Tabelle a
Tabelle b
3…20 25 30 45 60 110 150
60
35
63
37
Tabelle a für Netze mit Erdschlusskompensation; für Kabelnetze bis 20 kV Nennspannung mit kleinen Freileitungsanteilen gilt Tabelle a
auch bei isoliertem neutralem Punkt, Tabelle b für Netze mit isoliertem neutralem Punkt.
Tabelle 3.1: Löschgrenzen laut ÖVE B1 [15]
67
40
78
50
90
60
132
-
180
-
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Abbildung 3.8: Löschgrenzen laut VDE 0228 Teil 2 [23]
Wird die Löschgrenze überschritten (die Löschfähigkeit des Netzes durch Selbstlöschung
eines Lichtbogens ist mutmaßlich nicht mehr gegeben), muss nach geltender Normenlage
der Doppelerdschluss hinsichtlich ohmscher und induktiver Beeinflussung untersucht
werden. Gegebenenfalls müssen Maßnahmen gesetzt werden, z.B. durch geeignete
Erdungsmaßnahmen, um die Dauerfehlerspannungen auf die maximal zulässigen Werte zu
begrenzen oder der Fehlerstrom muss in geeigneter Zeit abgeschaltet werden. Die in den
europäischen Normen, geforderten Abschaltzeiten (siehe Abbildung 3.9) hängen dabei vom
Gefährdungsmodell bzw. von der auftretenden Fehler- bzw. Berührungsspannung ab [17].
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Abbildung 3.9: Zulässige Berührungsspannungen und Abschaltzeiten laut ÖVE/ÖNORM E 8383 [17]
3.3.5 Sternpunktverlagerungsspannung (UNE)
Im erdschlusskompensierten Netz stellt sich eine Sternpunktverlagerungsspannung UNE
bereits im ungestörten Betrieb ein. Grund dafür ist die kapazitive Unsymmetrie von 110-kV-
Netzen, da Freileitungen kurzer Länge in dieser Spannungsebene oft nicht verdrillt werden.
Im Gegensatz zu reinen Freileitungsnetzen sind bei reinen Kabelnetzen die Unsymmetrien
aufgrund der Bauweise deutlich kleiner, und daher können solche Netze ohne Verstimmung
betrieben werden. Für ein solches, in Resonanz betriebenes Netz, empfiehlt es sich
automatisch geregelte Erdschlussdrosseln einzusetzen, um die Verstimmung in jedem
Schaltzustand möglichst klein (nahe null) zu halten.
NE
2
B k B Y R+a Y S+aYT Yu
⋅
2 2 3 v+d 3 YΣ
3G0 3j CE
U U
U =- =- =
k… Unsymmetriefaktor (siehe 3.3.9.4)
j
+ ω −
ωL
D
[31] (3.4)
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
3.3.6 Regelung von Erdschlussdrosseln
Zur Regelung der Erdschlussdrosseln (zur Ermittlung des zu kompensierenden
Erdschlussstromes) kann man zwei verschiedene Methoden verwenden:
a.) Rechnerisch
Der Erdschlussstrom wird rechnerisch mittels Netzberechnung bestimmt und die Einstellung
der Erdschlusskompensation danach ermittelt.
b.) Abstimmversuche
Die Induktivitäten der Erdungsdrosseln und die Kapazitäten der Leitungen bilden im
normalen Netzbetrieb einen Parallelresonanzkreis. Durch Abstimmung dieses
Resonanzkreises auf vollständige Resonanz (maximale Verlagerungsspannung UNE) findet
man die Einstellung für v = 0, wenn keine anderen Einflussfaktoren, wie Sättigung der
Löschspulen im Fehlerfall (Erdschluss) oder kapazitive Kopplung von parallel geführten
Systemen auftreten. Diese Abstimmung hat man gefunden, wenn die
Sternpunktverlagerungsspannung ihr Maximum erreicht. Bei dieser empirischen Methode ist
die Berechnung des kapazitiven Erdschlussstromes nicht notwendig.
Ein weiterer Nachteil dieser Methode ist, dass bei einem hochgradig symmetrischen Netz
wie einem Kabelnetz die Verlagerungsspannung so klein sein kann, dass das Maximum
nicht mehr leicht gemessen werden kann. Ein wesentlicher Vorteil einer kleinen
Verlagerungsspannung im abgeglichenen Zustand ist jedoch, dass man das Netz mit einer
kleineren Verstimmung oder vollständig kompensiert betreiben kann.
3.3.7 Kapazitiver Erdschlussstrom (ICE)
Der kapazitive Erdschlussstrom ICE (Formel 3.5) ist abhängig von den Erdkapazitäten des
Netzes. Dieser Strom gibt vor, wie groß der einzustellende induktive Löschstrom über die
Petersenspulen sein muss. Kabel besitzen aufgrund des kleineren Abstandes der Leiter zu
einem (geerdeten) Kabelschirm bzw. bei Gürtelkabeln auch untereinander (der Phasen
gegenüber auf Erdpotenzial befindlichen Schirmen/Mäntel), wesentlich höhere
Erdkapazitäten CE als Freileitungen, somit ergeben sich mit wachsendem Kabelanteil in
Netzen auch wesentlich größere Erdschlussströme (siehe Tabelle 5.1).
U
= ω ) (3.5)
3
B
ICE 3 C E (50Hz
I
Re st 2 2
= d + v (50Hz)
(3.6)
ICE
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
In den folgenden Abbildungen sieht man die prinzipiellen Verhältnisse zwischen
Verstimmung (v), Dämpfung (d), Reststrom (IRest) und Sternpunktverlagerungsspannung
(UNE). Aus einer solchen Grafik lässt sich dann der zulässige Betriebsbereich, der vom
maximalen Reststrom bei Erdschluss und von der maximalen Verlagerungsspannung im
Normalbetrieb abhängig ist, ablesen.
Grau – zulässiger Betriebsbereich
(überkompensiert)
Abbildung 3.10: Verlagerungsspannung und
Reststrom (idealisiert)
3.3.8 Oberschwingungsanteil (THD)
Abbildung 3.11 Ortskurve des
Erdschlussstromes
Der Oberschwingungsanteil liefert einen wesentlichen Anteil am Erdschlussreststrom im
gelöschten Netz. Bei Netzen, die vollständig kompensiert betrieben werden, besteht der
Erdschlussreststrom nahezu nur aus dem Oberschwingungsanteil. Den größten Anteil am
Oberschwingungsreststrom hat in der Regel die fünfte Oberschwingung (z.B. 250 Hz).
In den beiden folgenden Abbildungen erkennt man anhand eines Beispiels
(Erdschlussversuch in einem 110-kV-Netz) den Einfluss der unterschiedlichen Frequenzen
(Oberschwingungen), auf den Erdschlussreststrom. Man sieht den gemessenen
Erdschlussreststrom, aufgeteilt auf die Oberschwingungen. In Abbildung 3.12 sieht man die
Aufteilung bei Resonanzabstimmung (die 5-te und 7-te Oberschwingung dominieren den
Erdschlussreststrom) und in Abbildung 3.13 ist die Reststromaufteilung bei einer
Verstimmung von ca. 15 % dargestellt.
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Erdschlussreststrom [A]
30
20
10
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
0
0 100 200 300 400 500 600 700
Frequenz [Hz]
Abbildung 3.12 Oberschwingungsanteile des Fehlerstromes bei Resonanzabstimmung (v = 0)
Erdschlussreststrom [A]
40
30
20
10
0
0 100 200 300 400 500
600 700
Frequenz [Hz]
Abbildung 3.13: Oberschwingungsanteile des Fehlerstromes bei Verstimmung (v = -7 %)
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Oberschwingungen U(L1)
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
g g
0,0
0 100 200 300 400 500 600
Abbildung 3.14: Oberschwingungsanteile der Spannung im fehlerfreien Zustand
Frequenz [Hz]
Die gemessene Aufteilung der Oberschwingungen (Abbildung 3.14) in der Phasenspannung
vor dem Erdschluss (der 50-Hz-Anteil ist mit 100 % skaliert) ist entscheidend für die
auftretenden Oberschwingungsrestströme. Wenn man diese Aufteilung vor dem Erdschluss
kennt, kann man auf den im Fehlerfall auftretenden Erdschlussreststrom schließen (siehe
Kapitel 5 und 6).
3.3.9 Messtechnische Bestimmung der Netzparameter
Um den Erdschlussreststrom berechnen oder abschätzen zu können, ist es erforderlich, die
Netzparameter zu bestimmen.
3.3.9.1 Messungen
Im mehreren Netzen wurden unter Teilnahme des Instituts für Elektrische Anlagen der TU
Graz Durchstimmversuche zur Bestimmung der Netzparameter durchgeführt. Zur
Auswertung der Erdschlussversuche wurde ein EXCEL- und ein Matlabtool entwickelt, mit
dem die Netzparameter einfach und anschaulich dargestellt und berechnet werden können.
In der Beispielsmessung (siehe Abbildung 3.15) wurde der Durchstimmversuch nur teilweise
durchgeführt (Vollresonanz wurde nicht erreicht).
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Beispielsmessung:
U in kV
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
-80
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80
U EN in kV
8
7
6
5
4
3
2
1
U3
U2
U in kV
0
0,00% 2,50% 5,00% 7,50% 10,00% 12,50% 15,00% 17,50%
v in %
Abbildung 3.15: Beispiel eines Abstimmversuchs (EXCEL-Tool)
U1
U EN in kV
8
7
6
5
4
3
2
1
Datum
0
470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570
I CE: 563 A
Dämpfung d: 2,33%
I WR: 13,1 A
Unsymmetrie k: 0,258%
I L in A
Legende:
ICE
kapazitiver Erdschlussstrom
IWR Wattreststrom (50 Hz)
UNE Verlagerungsspannung
v Verstimmung
IL eingestellter Spulenstrom
Mit den so ermittelten Netzdaten und den im Folgenden hergeleiteten Formeln ist es
möglich, die entscheidenden Netzparameter (Dämpfung und Unsymmetrie) zu bestimmen.
Sternpunktverlagerungsspannung:
U
EN
k
2
v + d
2
UB
⋅
3
= (3.7)
UEN… Sternpunktverlagerungsspannung
k… Unsymmetriefaktor
v… Verstimmung
d… Dämpfung
UB… Betriebsspannung (verkettet)
ΔCE… Kapazität (Maß für die Unsymmetrie)
CELx… Erdkapazität der Phase x
IW… Wirkkomponente des Erdschlussreststromes
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IC… kapazitiver Erdschlussstrom
k
ΔC
+ C
EL1
EL2
EL3
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
E
= (3.8)
C
I
I
C
+ C
W d = (3.9)
3.3.9.2 Bestimmung der Verstimmung v
IL und IC müssen durch Messungen oder Berechnungen bekannt sein, um die anderen
Faktoren (k, d) zu bestimmen!
I − I I
v −
C L L
= = 1
(3.10)
IC
IC
IL… Löschspulenstrom
3.3.9.3 Bestimmung der Dämpfung d (3 verschiedene Verfahren)
Um den Wattreststrom zu bestimmen, muss man die Dämpfung d des Netzes kennen. Im
Folgenden werden drei verschiedene Verfahren, (die aus Formel 3.7 hergeleitet wurden) zur
Berechnung der Dämpfung aus einem Durchstimmversuch, dargestellt.
1. Wendepunktverfahren
Schritt 1: Messen von UEN bei Variation von v
� Kurve UNE(v)
Schritt 2: Ermittlung der maximalen Steigung der Kurve UEN(v)
� d = v ⋅ 2 bei maximaler Steigung der Kurve
2. Maximalwertverfahren
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Schritt 1: Messen von UENmax bei v1=0 UENmax… Sternpunktverlagerungsspannung bei v=0
Schritt 2: Verstimmen bis zu UEN
=
� in diesem Punkt gilt: d=v2
3. Zweipunktverfahren
UENmax � v2
2
Schritt 1: Messen von UEN bei verschiedenen Verstimmungen (v1, v2)
1. Punkt: UEN1 bei v1
2. Punkt: UEN2 bei v2
Schritt 2: Berechnung von d
2 2
EN2 ⋅ v2
2
U EN1
2
EN1
2
EN2
2
1
U − U ⋅ v
d = (3.11)
− U
Das Zweipunktverfahren zur Ermittlung der Dämpfung d ist das genaueste, da man mehrere
Punkte auswerten kann, und dann den Mittelwert bildet.
3.3.9.4 Bestimmung von k
Da man jetzt die Dämpfung und die Verlagerungsspannung bei einer gegebenen
Verstimmung kennt, kann man die kapazitive Unsymmetrie des Netzes berechnen (Formel
3.12).
k
2 2
UEN1
⋅ v1
+ d ⋅ 3
= (3.12)
UB
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
4 Stand der Technik betreffend der Ausbaureserve
gelöschter Netze
Der Stand der Technik betreffend der Ausbaureserve gelöschter Netze dient als
Ausgangslage für die weiterführenden Betrachtungen zur Berechnung des
Erdschlussreststroms und der Ausbaureserve von gelöschten Netzen.
4.1 Normenlage in Österreich und in Deutschland
In der ÖVE B1/1976 [15] und in der VDE 0228 Teil 2 [23] werden die Löschgrenzen (in A)
für die verschiedenen Spannungsebenen angegeben (siehe Abbildung 3.8 und Tabelle 3.1).
In der österreichischen Norm wird davon ausgegangen, dass die Grundschwingung
entscheidend für die Löschung ist („Maßgebend ist die Grundwelle“).
In der ÖVE E 8383 [17] wird zur Berechnung der Berührungsspannungen der Effektivwert
des Erdschlussreststroms herangezogen. Daher ist es nicht zulässig, bei der Bewertung
eines gelöschten Netzes, nur die Grundschwingung des Erdschlussreststroms zu betrachten,
sondern man muss alle Frequenzen (technische Oberschwingungen) in die Berechnung mit
einbeziehen.
Bezüglich der physiologischen Wirkung von höherfrequenten Berührungsspannungen auf
Menschen und Nutztiere gibt die VDE V 0140 [28] Auskunft. Im Allgemeinen ist mit einer
Abnahme der Körperimpedanz mit steigender Frequenz und mit steigender Spannung zu
rechnen [28].
4.2 Berechnung der Ausbaureserve eines Netzes
Bei den Berechnungen wird meist nur der Grundschwingungsanteil berücksichtigt, denn laut
geltender Normenlage in Österreich [17] darf der Erdschlussrestrom IRest mit 10 % vom
kapazitiven Erdschlussstrom ICE angenommen werden, wenn der exakte Wert nicht bekannt
ist.
Bei der Berechnung des Erdschlussreststroms und der Ausbaureserve mit Unterstützung
von Versuch(en) wird entweder der Effektivwert oder der Grundschwingungsanteil des
Erdschlussreststroms aufgezeichnet, und in der Folge wird linear auf die Ausbaureserve
hochgerechnet. Dadurch erhält man ein punktuelles Ergebnis (ort- und zeitabhängig) für den
Erdschlussreststrom, aber man kann keine Aussage für das ganze Netz treffen, da man die
örtlichen Resonanzen, die zeitabhängigen Oberschwingungspegel und die ausbaubedingte
und schaltzustandsabhängige Veränderung der Resonanzen nicht berücksichtigt. Dieses
punktuelle Ergebnis gilt nur für den Ort des Erdschlussversuchs bei dem vorhandenen
Schaltzustand und bei den Oberschwingungspegeln zum Versuchszeitpunkt.
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
5 Methodik zur Abschätzung der Ausbaureserve und des
Erdschlussreststroms
Im Zuge der Ausbauplanung von gelöschten Netzen ist eine Abschätzung der
Ausbaugrenzen und des momentanen Erdschlussreststroms vorteilhaft, da man dadurch
frühzeitig Maßnahmen zur Einhaltung der Rahmenbedingungen (Normen) vorbereiten kann.
Im folgenden Abschnitt werden die für die Bestimmung der Kabelreserve in gelöschten
Netzen notwendigen mathematischen Zusammenhänge zusammenfassend dargestellt.
5.1 Bestimmung der Obergrenze des Netzausbaus (ohne
Oberschwingungen)
5.1.1 Allgemeines
Die Obergrenze des Netzausbaus wird durch die in der ÖVE B1 [15] festgelegte
Löschgrenze IG bestimmt (siehe Tabelle 3.1 und Abbildung 3.8).
Der im isolierten Netz auftretende kapazitive Erdschlussstrom ist bestimmt durch
U B
ICE = 3CE
⋅ω
3
(5.1)
IG… Löschgrenze
CE… Erdkapazität eines Leiters (einer Phase)
UB… höchste auftretende Betriebsspannung
ω… Kreisfrequenz (2·π·f)
ICE… kapazitiver Erdschlussstrom
5.1.2 Herleitung des maximalen Netzausbaus ohne Oberschwingungen
Absolute Grenze des Netzausbaus (beispielhaft für 50 Hz Drehstromnetze):
I I
= 2 (5.2)
2
50 G
I50… Erdschlussreststrom der Grundschwingung
U B
I50 = 3CE
⋅ ω ⋅ ⋅ (d + jv) = ICE
(d + jv)
3
(5.3)
2 UB
2 2 2 2
I 50 = (3CE⋅ω ⋅ ⋅ (d + jv) ) = I CE (d + v )
3
1 (5.4)
1
Der Lichtbogen ist weitgehend ohmsch. Die Phasenlage ist egal, da alle Lichtbögen auch bei
ungünstigen Voraussetzungen mit 50 Hz bis IG löschen sollten.
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Herleitung der maximalen Verstimmung v, um die Löschgrenze nicht zu überschreiten:
I = I (d + v ) = I
2 2 2 2 2
50 CE G
v =
I −(d⋅I I
)
2 2
G CE
CE
Wenn der Grenzwert des Erdschlussreststromes IG nicht überschritten werden soll, muss für
die Verstimmung v als in diesem Zusammenhang bestimmenden Parameter gelten:
v
I −(d⋅I I
)
2 2
G CE
≤ (5.6)
CE
Wenn der Wurzelausdruck einen komplexen Wert ergibt (die Differenz der Ausdrücke < 0
wird), dann befindet man sich über der Ausbaugrenze. Das heißt, dass die Löschgrenze
nicht mehr eingehalten wird.
Herleitung der maximalen Netzgröße CEmax aus Formel 5.4:
(3C
U
⋅ω ) (d
3
+ v ) = I = I
CE
=
IG
UB
2 2 2
(3 ⋅ω ) ⋅ (d + v )
3
B 2 2 2 2 2
E G G
Wenn der Grenzwert des Erdschlussreststromes IG nicht überschritten werden soll, muss für
die Erdkapazität pro Leiter CE als in diesem Zusammenhang bestimmenden Parameter
gelten:
C
E
≤
U
3
I
G
B 2 2
(3 ⋅ω ) ⋅ (d + v )
Anhand des folgenden Beispiels wird der prinzipielle Unterschied bezüglich der
Ausbaureserve von gelöschten Netzen zwischen Kabel und Freileitungen dargestellt.
Eine zusätzliche Erdkapazität CE von z.B. 13 μF entspricht in einem 110-kV-Netz einem
zusätzlichen kapazitiven Erdschlussstrom ICE von ca. 870 A (UB = 123 kV; f = 50 Hz). Dies
entspricht einer Länge von (siehe Tabelle 5.1) entweder
(5.5)
(5.7)
(5.8)
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
ca. 70 km VPE-Kabel (einsystemige Erweiterung)
oder
ca. 30 km Ölkabel (einsystemige Erweiterung)
oder
ca. 1900 km Freileitung (einsystemige Erweiterung).
Bezeichnung CE ICE
[μF/km] [A/km]
NA2XSY 3x150 Kabel 10 kV 0,356 2,18
NA2XSY 3x240 Kabel 10 kV 0,505 3,02
N2XS2Y 1x95 Kabel 20 kV 0,216 2,58
Stalu 95/15 20-kV-Freileitung 0,006 0,072
E-2XHMYY 240 VPE-Kabel 110 kV 0,13 8,70
E-2XHM2Y 300 VPE-Kabel 110 kV 0,15 10,04
E-2XHM2Y 400 VPE-Kabel 110 kV 0,17 11,38
E-2XHM2Y 500 VPE-Kabel 110 kV 0,18 12,05
E-APMUDY 150 Al-Ölkabel 110 kV 0,353 23,63
E-PMDNY 300 Ölkabel 110 kV 0,339 22,69
E-PMDNY 500 Ölkabel 110 kV 0,387 25,90
E-APMUDY 500 Al-Ölkabel 110 kV 0,397 26,57
ÖAKUDY 800 Ölkabel 110 kV 0,565 37,81
ÖAHKUDY 850 Ölkabel 110 kV 0,48 32,13
Al/St 240/40 110-kV-Freileitung 0,00377 0,25
310/100 Donau 110-kV-Freileitung 0,00686 0,46
Zum Vergleich:
520/500 180/160 GIL 400 kV 0,054 3,61
Tabelle 5.1: Kenngrößen von Hochspannungsleitungen je (Drehstrom-) System
In Tabelle 5.1 sind die Kenngrößen verschiedener Hochspannungsleitungen bezüglich des
Erdschlussstrombeitrags dargestellt. Es ist ersichtlich, dass Kabel einen wesentlich größeren
Beitrag als Freileitungen zum Erdschlussstrom ICE leisten. Deshalb erreicht man die
Ausbaugrenzen eines gelöscht betriebenen Netzes bei Kabeleinsatz bis zu 70-mal
schneller. Wenn man die auftretenden Resonanzen der Oberschwingungen im
Erdschlussreststrom berücksichtigt, dann erreicht man die Löschgrenze unter Umständen
wesentlich schneller (siehe folgende Kapitel).
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
5.1.3 Bestimmung der minimalen Verstimmung
Aufgrund der Unsymmetrie von Freileitungen in gelöschten Netzen (abhängig von der
Verdrillung), ist es möglich, dass die Sternpunktverlagerungsspannung im Normalbetrieb
besonders in der Nähe der Vollkompensation (siehe Formel 5.9) Werte erreicht, die im
Betrieb nicht toleriert werden können. Die Sternpunktverlagerungsspannung wird zur
Erdschlusserkennung herangezogen, und darf daher im fehlerfreien Betrieb eine vom
Netzbetreiber festgelegte Spannungshöhe UENgrenz nicht überschreiten.
U
EN
k
2
v + d
2
U B
⋅
3
= (5.9)
UEN… Sternpunktverlagerungsspannung
UB… Betriebsspannung
d… Dämpfung
v… Verstimmung
k… Unsymmetriefaktor
U ENgrenz
p grenz =
U B
3
(5.10)
UENgrenz… maximale vom Netzbetreiber zugelassene Sternpunktverlagerungsspannung
pgrenz… auf UB bezogene Sternpunktverlagerungsspannung
2
1E + ⋅ 2E + ⋅ 3E E
C a C a C ΔC
k = ≈
C + C + C 3⋅C 1E 2E 3E E
ΔCE… Unsymmetrie
CXE… Erdkapazität einer Phase
a… Drehoperator
aus Formel 5.9 folgt:
2
⎛ 2 k U ⎞
B 2
= ⎜ ⋅
⎜
⎟
UENgrenz 3 ⎟
⎝ ⎠
(5.11)
v -d
(5.12)
Daher gilt:
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k
v d
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
≥
2
− 2
pgrenz
2
(5.13)
5.2 Maximaler Netzausbau mit Berücksichtigung von
Oberschwingungen und Resonanzen
In einigen Veröffentlichungen ([5], [22], [24]) wird das Thema der Bedeutung der
Oberschwingungen angesprochen, wobei von einigen Netzbetreibern Messungen
durchgeführt wurden (Erdschlussversuche).
Herleitung
Grenze des Netzausbaus / der Netzgröße:
Höhere als die siebente Oberschwingung werden im Folgenden nicht berücksichtigt, da sie
in der Praxis üblicherweise vernachlässigbar kleine Werte annehmen.
2
50
2
150
2
250
2
350
2
G
I + I + I + I + .... = I
(5.14)
I50… Erdschlussreststrom der Grundschwingung
I150… Erdschlussreststrom der dritten Oberschwingung
I250… Erdschlussreststrom der fünften Oberschwingung
I350… Erdschlussreststrom der siebenten Oberschwingung
Bemerkung: Die Löschgrenze (Stromstärke) wird als Effektivwert angenommen. Der Effektivwert ist ein Maß für
den Energieumsatz im Lichtbogen. Dieser Energieumsatz ist ein wichtiges Maß für die Löschung des
Lichtbogens.
Die Phasenlage des Erdschlussreststromes, die Nulldurchgänge, die Kurvenform und Flankensteilheit des
Reststromes haben einen Einfluss auf die Lichtbogenlöschung.
Es gibt zum Lichtbogenverhalten für f ≠ 50 Hz bereits Messungen ([35],[36]). Diese Messungen wurden in
realen Netzen durchgeführt (daher konnte man nicht die Phasenlagen, die Amplituden und andere
entscheidende Faktoren einstellen). Ergebnis dieser Messungen war, dass leichte
Oberschwingungsanteile die Löschung erleichtern, überwiegende Oberschwingungsanteile die Löschung
jedoch erschweren ([35],[36]). In verschiedenen Versuchen (Variation der OS, der Phasenlagen, der
Amplituden, …) könnte man eventuell Gesetzmäßigkeiten entdecken. deshalb werden die Anteile der 50-
Hz-Grundschwingung und der Oberschwingungen quadratisch addiert.
In der VDE V 140 (IEC 479-1) [28] wird die Wirkung des elektrischen Stromes auf Menschen und Nutztiere
dargestellt. Darin ist die Gesamtkörperimpedanz in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt, es gibt
aber keine Untersuchung der Abhängigkeit der Gesamtkörperimpedanz von einem Frequenzgemisch. Die
zulässigen Maximalströme durch den menschlichen Körper werden nur für eine Frequenz zwischen 15
und 100 Hz angegeben (siehe auch Abbildung 3.9).
Seite 36/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Bestimmung der Oberschwingungsverstimmung:
1
2 1
v1 = 1−
⇒ v
2
n = −
= (v1
+ n −1)
2
2
3ω C L
⋅ ( ⋅ π ⋅ ⋅ ) C L
n
f 2 3
1
1
E
D
0 n
vn… Verstimmung aus Sicht der n-ten Oberschwingung
n… Ordnung der Oberschwingung
ω… Kreisfrequenz = 2⋅π⋅f0⋅n
E
D
(5.15)
Im Folgenden wird die Verstimmung der Grundschwingung (v1) mit dem Buchstaben v
bezeichnet.
Grundschwingung:
UB
I50
= p1
⋅g1
⋅3CE
⋅ω
⋅ ⋅ (d + jv) = ICE(d
+ jv)
3
(5.16)
2
UB
2 2 2
I50
= ( p1
⋅ g1
⋅3CE
⋅ ω⋅
) ⋅ (d + v )
3
g1… Güte der Grundschwingung (im realen Netz > 1, im Folgenden konservativ = 1
gesetzt)
p1… Anteil der Grundschwingung (=1)
3-te Oberschwingung
150 UB
I150
= g3
⋅p
3 ⋅ ⋅3CE
⋅ω
⋅ ⋅(d3
+ jv3)
50 3
2 150 UB
2 2 2
I150
= ( g3
⋅p
3 ⋅ ⋅3CE
⋅ω
⋅ ) ⋅(d3
+ v3
)
50 3
(5.17)
g3… Güte der dritten Oberschwingung (im realen Netz > 1, im Folgenden konservativ =1
gesetzt)
p3… Anteil der dritten Oberschwingung
d3… Dämpfung der dritten Oberschwingung (sehr klein im Vergleich zu v3, im Folgenden
=0 gesetzt)
v3… Verstimmung aus Sicht der dritten Oberschwingung (maximal 0.89)
5-te Oberschwingung
250 UB
I250
= g5
⋅ p5
⋅ ⋅3CE
⋅ω
⋅ ⋅ (d5
+ jv5)
50 3
2 250 UB
2 2 2
I250
= ( g5
⋅ p5
⋅ ⋅3CE
⋅ ω⋅
) ⋅ (d5
+ v5
)
50 3
(5.18)
g5… Güte der fünften Oberschwingung (bei Resonanz = 8.7)
p5… Anteil der fünften Oberschwingung (üblicherweise kleiner als 0,02 )
d5… Dämpfung der fünften Oberschwingung (sehr klein im Vergleich zu v5, im Folgenden
=0 gesetzt)
v5… Verstimmung aus Sicht der fünften Oberschwingung (maximal 0.96)
Seite 37/82

7-te Oberschwingung
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
350 UB
I350
= g7 ⋅ p7
⋅ ⋅3CE
⋅ω
⋅ ⋅ (d7
+ jv7
)
50 3
(5.19)
2 350 UB
2 2 2
I350
= ( g7⋅
p7
⋅ ⋅3CE
⋅ ω⋅
) ⋅ (d7
+ v7
)
50 3
g7… Güte der siebenten Oberschwingung (im realen Netz > 1, im Folgenden konservativ
=1 gesetzt)
p7… Anteil der siebenten Oberschwingung (üblicherweise kleiner als 0,01)
d7… Dämpfung der siebenten Oberschwingung (sehr klein im Vergleich zu v7, im
Folgenden =0 gesetzt)
v7… Verstimmung aus Sicht der siebenten Oberschwingung (maximal 0.98)
Herleitung der maximalen Verstimmung v
2 U B 2 2 2 150 U B 2 2
I G = ( 3C
E ⋅ω
) (d + v ) + ( p 3 ⋅ ⋅3C
E ⋅ω
⋅ ) ⋅(v
3 ) +
3
50 3
250 U B 2 2 350 U B 2
+ ( g 5 ⋅p
5 ⋅ ⋅3C
E ⋅ω
⋅ ) ⋅(v
5 ) + ( p 7 ⋅ ⋅3C
E ⋅ω
⋅ ) ⋅(v
7
50
3
50
3
I
2
G
+
( g
U B 2 2
U B
= ( 3C
E ⋅ ω ) ⋅ v + ( 3C
E ⋅ ω )
3
3
5
⋅ p
5
⋅
250
50
)
2
⋅ (v
2
5
) +
( p
7
⋅
350
50
)
2
2
⋅ (v
⋅ ( d
UB 2 2 2 UB 2 2 150 2
(3C E⋅ω ) ⋅ v = I G −(3C E⋅ω) ⋅ (d + (p 3⋅)
⋅
3 3
50
2 250 2 2 350 2 2
⋅ (v 3 ) + (g5⋅p 5⋅ ) ⋅ (v 5 ) + (p 7⋅ ) ⋅(v
7 ))
50 50
2
7
))
2
+
( p
3
150
⋅ )
50
2
2
)
⋅ (v
2
3
) +
(5.20)
(5.21)
(5.22)
Die folgende allgemeine Formel (5.23) beinhaltet 13 verschiedene Parameter, die alle einen
Einfluss auf die Kabelreserve des Netzes haben. Durch diese Komplexität ergibt sich ein
vieldimensionaler Lösungsraum. Deshalb wird die Formel im Folgenden nach der
Verstimmung (bezogen auf die Grundschwingung) und nach der Erdkapazität des Netzes
aufgelöst, um die Ergebnisse aus ingenieursmäßiger Sicht anschaulich darzustellen (siehe
unten).
Seite 38/82

v
2
I
=
2
G
− ( 3C
E
U B
⋅ω
)
3
2
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
⋅ ( d
2
+ ( p
3
150
⋅ )
50
2
⋅ (v
( 3C
2
3
E
) + ( g
5
U B
⋅ω
)
3
⋅ p
2
5
250
⋅ )
50
2
⋅ (v
2
5
) + ( p
7
350
⋅ )
50
2
⋅ (v
2
7
))
(5.23)
Wenn der Grenzwert des Erdschlussreststromes (IG) nicht überschritten werden soll, muss
für die Verstimmung v als in diesem Zusammenhang bestimmenden Parameter gelten:
2 U B 2 2
2 2
2 2
2 2
IG
− ( 3C
E ⋅ω
) ⋅ ( d + ( p3
⋅ 3)
⋅ (v3
) + ( g 5 ⋅ p5
⋅ 5)
⋅ (v5
) + ( p7
⋅ 7)
⋅ (v7
))
3
v ≤ (5.24)
U B
( 3C
E ⋅ω
)
3
Wenn der Wurzelausdruck in Formel 5.24 eine komplexe Lösung ergibt, dann gibt es keine
mögliche Verstimmung, bei der die Löschgrenze unterschritten wird.
Herleitung der maximalen Erdkapazität CEmax (Maß für die Netzgröße)
2 U B 2 2 2 150 U B 2 2
I G = ( 3C
E ⋅ω
) (d + v ) + ( p 3 ⋅ ⋅3C
E ⋅ω
⋅ ) ⋅(v
3 ) +
3
50 3
250 U B 2 2 350 U B 2
+ ( g 5 ⋅p
5 ⋅ ⋅3C
E ⋅ω
⋅ ) ⋅(v
5 ) + ( p 7 ⋅ ⋅3C
E ⋅ω
⋅ ) ⋅(v
7
50
3
50
3
2 2 U B 2 2 2 150 2
IG
= CE ( 3⋅
ω ) ⋅ ((d + v ) + ( p3
⋅ ) ⋅ (v
3
50
250 2 2 350 2 2
+ ( g 5 ⋅ p5
⋅ ) ⋅ (v5
) + ( p 7 ⋅ ) ⋅ (v7
))
50
50
C
2
E
=
U B 2
( 3⋅
ω ) ⋅ ((d
3
2
2
2
+ v ) + ( p ⋅3)
⋅ (v
3
I
2
3
2
G
2
3
) + ( g
) +
5
⋅ p
5
⋅5)
2
2
)
⋅ (v
2
5
) + ( p
7
⋅ 7)
2
⋅ (v
2
7
))
(5.25)
(5.26)
(5.27)
Wenn der Grenzwert des Erdschlussreststromes (IG) nicht überschritten werden soll, muss
für die Erdkapazität pro Leiter CE, als in diesem Zusammenhang bestimmenden Parameter,
gelten:
C
E
≤
U B
3⋅
ω ⋅
3
d
2
+ v
2
+ ( p
3
⋅3)
2
⋅ (v
2
3
I
G
) + ( g
5
⋅ p
5
⋅5)
2
⋅ (v
2
5
) + ( p
7
⋅ 7)
2
⋅ (v
2
7
)
(5.28)
Seite 39/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Wie gemäß Tabelle 5.1 ersichtlich ist, ergibt sich durch den jeweils vorliegenden
Netzausbauzustand (Längen der vorhandenen Freileitungen und Kabel in km) ein
bestimmter (summierter) Wert des Erdschlussstromes und ein daraus resultierender
Erdschlussreststrom. Der Erdschlussreststrom muss kleiner als die Löschgrenze IG bleiben.
Die Differenz zwischen dem momentanen Netzausbauzustand (Netzgröße vor Ausbau) und
dem fiktiven maximalen Ausbau (Löschgrenze) steht für zusätzliche Ausbauten von
Freileitungen und Kabeln im Löschbezirk zu Verfügung.
Als „Kabelreserve“ wird die Obergrenze des möglichen Kabelzubaus in km in dem
betrachteten Netzteil bezeichnet – d.h. die Kabelreserve bezeichnet jene zubaubare Länge
an Kabeln, die zum Verzehr der vorhandenen Löschreserve führt (keine Zubauten von
Freileitungen mehr möglich).
5.2.1 Zentrale Aufstellung der Löschspulen
Der Einsatz von zentral aufgestellten Löschspulen vergrößert im Vergleich zu dezentraler
Kompensation die auftretenden Erdschlussströme, die sich im Fehlerfall im Netz ausbilden.
Dadurch vergrößert sich der auftretende Erdschlussreststrom und die Strombelastung der
Leitungen [10]. In unvermaschten Mittelspannungsnetzen (z.B. 10-kV-Netzen) werden die
Löschspulen üblicherweise zentral aufgestellt.
5.2.2 Dezentrale Aufstellung der Löschspulen (unmittelbare
Kompensation an den Erdkapazitäten)
Es ist auf jeden Fall von Vorteil, die kapazitiven Erdschlussströme am Entstehungsort zu
kompensieren um die auftretenden Erdschlussrestströme zu minimieren. Bei Kabelstrecken
ist es zusätzlich von Vorteil, diese direkt zu kompensieren, da größere nicht direkt
kompensierte Kabelstrecken in einem Netz nicht mehr ohne weiteres abgeschaltet werden
können (notwendig bei der händischen Erdschlusssuche), da sonst zu große
Erdschlussrestströme die Folge sein können. In ausgedehnten und vermaschten
Hochspannungsnetzen (z.B. 110-kV-Netzen) werden die Löschspulen üblicherweise
weitgehend dezentral aufgestellt.
Seite 40/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
5.3 Abschätzung der Ausbaureserve
In der folgenden Abbildung 5.1 wird auf Basis der Zusammenhänge, die in den
vorangegangenen Kapiteln beschrieben sind, das Ergebnis der Berechnung der
Kabelausbaureserve eines gelöschten Netzes als Funktion des zusätzlichen Kabelausbaus
und der Verstimmung grafisch visualisiert.
Die Berechnung in dieser Form ist nur eine Abschätzung, da man ohne Berücksichtigung
des Schaltzustandes (der ortsabhängigen Resonanzsituation, siehe Kapitel 6.1.3) keine
genaue Berechnung des Erdschlussreststroms durchführen kann.
Ausgehend von Formel 5.28 werden weitere technische Parameter einbezogen, um den
Anforderungen des Netzbetriebs Rechnung zu tragen. In der folgenden beispielhaften
Abschätzung der Kabelreserve (Abbildung 5.1) werden die wesentlichen Parameter
dargestellt und im Nachhinein beschrieben.
In dieser Abbildung sieht man, grün dargestellt, den möglichen Betriebsbereich dieses
kompensiert betriebenen Netzes. Dieser Betriebsbereich ist begrenzt durch die maximale
und die minimale Verstimmung, die in diesem Netz zulässig sind. Die Kabelausbaureserve
ist bei einer gewünschten Kabelausbaulänge eine Funktion der Variationen bestimmter, als
fix angenommener Parameter. Diese Parameter sind z.B. die Netzgröße und Struktur des
Netzes (Kabel-/Freileitungsanteil, ICE), die Betriebsspannung, die Schaltsicherheitsreserve
(notwendige Ortungskapazität), der Anteil der verschiedenen Spannungsoberschwingungen,
die Verstimmung der Löschspulen, der Dämpfung und die maximal zugelassene
Verlagerungsspannung. Für den zusätzlichen Kabelausbau in einem 110-kV-Netz wird im
folgenden Beispiel ein repräsentatives Kabel mit einem kapazitiven Erdschlussstrom (ICE)
von 12 A/km gewählt.
Seite 41/82

5.3.1 Interpretation der Grafik
Abbildung 5.1: Kabelreserve (Beispiel)
Eingangsparameter:
Netzgröße vor Ausbau (im Beispiel 890 A):
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Ausbauzustand des Netzes vor dem Zubau von Kabelstrecken, gekennzeichnet durch den
kapazitiven Erdschlussstrom ICE in A.
Unsymmetriefaktor k (im Beispiel 0,46 %):
Aus Messergebnissen direkt als Funktion der Verlagerungsspannung, der Verstimmung und
Dämpfung sowie der Betriebsspannung berechnet.
Schaltreserve (im Beispiel 40 A):
Die notwendige Ortungskapazität (Schaltreserve) orientiert sich an üblichen Kabellängen und
an den daraus resultierenden üblichen kapazitiven Erdschlussstrombeiträgen. Sie wird mit
40 Ampere angenommen, um zu gewährleisten, dass das zur Ortung des Erdschlusses
notwendige Ausschalten einer Leitung mit einem kapazitiven Erdschlussbeitrag von 40
Ampere (ca. 4km Kabel) nicht zu einem Zustand führt, in dem ein auftretender Erdschluss zu
unzulässigen Zuständen (z.B. Überschreiten der Löschgrenze) führt. Dies ist dann der Fall,
wenn keine der Leitung zugeordnete Spule gleichzeitig abgeschaltet wird.
Güte (im Beispiel 1):
Seite 42/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Eine Güte von 1 bedeutet, dass Oberschwingungsresonanzen, die in realen Netzen auftreten
können, nicht betrachtet werden (konservativer, abschätzender Ansatz)
Oberschwingungen / Harmonische (im Beispiel 0,2, 1 und 0,5 %):
Anteil der Spannungsoberschwingungen z.B. für die 3., 5. und 7. Oberschwingung.
Dämpfung (im Beispiel 2,9 %):
Anteil der Dämpfung im kompensierten Netz.
UEN max (im Beispiel 10 %):
Vom Netzbetreiber im Normalbetrieb maximal zugelassene Verlagerungsspannung in
Prozent.
Spannung ( im Beispiel 123 kV):
Betriebsspannung des Netzes.
v / Verstimmung (im Beispiel 4 %):
Die vom Netzbetreiber gewünschte Verstimmung in % wird zur leichteren Sichtbarkeit der
Ausbaureserve eingezeichnet.
Koordinaten
Auf der Ordinate wird die Verstimmung v und auf der Abszisse der Kabelzubau in
Kabelkilometer (12 A kapazitiver Erdschlussstrom pro km Kabel) dargestellt.
Grenzkurven und Bereiche:
Löschgrenze:
Die Löschgrenze in dieser Abbildung zeigt die absolute Obergrenze der Verstimmung ohne
Sicherheitsreserve im vorliegenden Netz. Dies bedeutet, dass der Erdschlussreststrom von
132 A nicht überschritten wird, und die Sicherheitsreserve eingehalten wird, diese ist eine
Funktion der Löschgrenze (IG =132 A), der Dämpfung (d), der Oberschwingungen (THD), des
Ausbaugrades (CE ≈ ICE), und der Betriebsspannung (UB).
Einstellunsicherheit:
Seite 43/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Die Einstellunsicherheit wurde mit vmax = vmax – 1 % angenommen.
Es ist nämlich i.d.R. nicht möglich, die Löschspulen auf die momentane Netzsituation a priori
extrem genau einzustellen, da man die bei einem realen Netzerdschluss durch die
Petersenspule fließenden Löschspulenströme (Sättigung in Abhängigkeit von der realen
Betriebsspannung) nicht exakt und auch die Witterungseinflüsse (Dämpfung, Korona, …) nur
bedingt kennt („Einstellunsicherheit“). Zusätzlich muss man eine Schaltreserve einplanen, da
man den Fehlerort bei manchen dauerhaften Erdschlüssen nur durch Schaltversuche genau
lokalisieren kann. Dies bedeutet, dass es bei der Abschaltung von Leitungen zu höheren
Erdschlussrestströmen kommt (höhere Verstimmung).
Notwendige Ortungskapazität
Die notwendige Ortungskapazität (Schaltreserve) garantiert eine Reserve für die
Fehlersuche im Erdschlussfall.
Verlagerungsgrenze:
Die Verlagerungsgrenze in Abbildung 5.1 zeigt die absolute Untergrenze der Verstimmung,
die nötig ist, um den eingestellten Wert der Verlagerungsspannung nicht zu überschreiten
(siehe Kapitel 5.1.3). Diese Grenze ist eine Funktion der Unsymmetrie (k), der maximalen
Verlagerungsspannung (UENmax), der Dämpfung (d), und der Betriebsspannung (UB). Die
Verlagerungsspannung muss zur sicheren Erdschlusserkennung unter 30 % bleiben, womit
die nötige Sicherheitsreserve mit einer eingestellten maximalen Verlagerungsspannung von
beispielsweise 15 % bereits vorgegeben ist.
Seite 44/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
In Abbildung 5.2 sieht man exemplarisch den möglichen Betriebsbereich eines kompensiert
(gelöscht) betriebenen 110-kV-Netzes in Abhängigkeit von der Verlagerungsspannung (blau)
und dem Erdschlussreststrom (rot). Der zulässige Betriebsbereich (grün) wird einerseits
(linke Begrenzung) durch die maximale Verlagerungsspannung (kleiner 15 %), und
andererseits (rechte Begrenzung) durch den maximalen Kompensationsfehlstrom unter
Berücksichtigung der technischen Sicherheitsreserve („Einstellunsicherheit“ v = 1 %) und der
Schaltsicherheitsreserve (notwendige Ortungskapazität = 40 A) bestimmt.
Die maximale Verlagerungsspannung sinkt mit dem zusätzlichen Kabelausbau, da sich
Kabel symmetrierend auf das Netz auswirken.
Abbildung 5.2: Resonanzkurve - Betriebsbereich (Beispiel)
Seite 45/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
6 Methodik zur Berechnung des Erdschlussreststroms
Um den Erdschlussreststrom mit den Oberschwingungsrestströmen genau berechnen zu
können, muss das Netz in allen Einzelheiten nachgebildet werden.
6.1 Verifikation der Ausgangsbasis
Zur Verifikation der Ausgangsbasis wird ein einfaches Modell in Matlab® Simulink® und in
Neplan® erstellt, mit dessen Hilfe man verschiedene Oberschwingungseinspeisungen in
einem gelöschten Netz simulieren kann.
Dieses Netzmodell ist wie in Abbildung 6.1 und Abbildung 6.2 dargestellt aufgebaut.
Abbildung 6.1: Einlinienersatzschaltbild des Netzmodells
Seite 46/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Abbildung 6.2: Netzmodell in Matlab® Simulink® mit Einspeisung des Oberschwingungsstromes in
der Mitte der Freileitung
Das Netzmodell besteht in seiner Grundkonfiguration aus einem Kabel und zwei
Freileitungsstücken (siehe Abbildung 6.2). In diesem Netz kann man die Oberschwingungen
an verschiedenen Stellen einspeisen, den Fehlerort durch Veränderung der
Freileitungslängen beliebig verändern und die Kabellänge variieren.
Die Netzparameter sind in Tabelle 6.1 ersichtlich.
Freileitung Kabel
Länge in km 50 2-22
R1' in Ω/km 0,119 0,095
X1' in Ω/km 0,355 0,141
C0' in μF/km 0,006 0,13
Tabelle 6.1: Netzparameter des Netzmodells
Eine genaue Berechnung des Erdschlussreststromes in einem Netz ist nur möglich wenn
man von den folgenden Annahmen ausgehen kann.
6.1.1 Ortseinfluss der Oberschwingungserzeugung
Um den Ortseinfluss der Oberschwingungserzeugung zu ergründen, werden die
Oberschwingungen an verschiedenen Orten eingespeist (siehe Abbildung 6.2 und Abbildung
6.3), und so angepasst, dass die Oberschwingungsspannung am Fehlerort gleich bleibt. Im
Seite 47/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Netzmodell wurde beispielhaft die fünfte Oberschwingung simuliert. Laut
Superpositionsprinzip muss der resultierende Erdschlussreststrom in den verschiedenen
Fällen gleich sein.
Abbildung 6.3: Netzmodell in Matlab® Simulink® mit Einspeisung des Oberschwingungsstromes am
Ende der Freileitung
Es wurden drei verschiedene Simulationen durchgeführt, bei denen die
Oberschwingungseinspeisung einmal am Anfang der Freileitung (bei der Einspeisung),
einmal in der Mitte der Freileitung (nach 50 km) und einmal am Ende der Freileitung (am
Fehlerort) platziert wurde (siehe Abbildung 6.1 - 6.3).
Einspeisung der Oberschwingungen
Anfang der
Freileitung
Mitte der
Freileitung
am Fehlerort
I5 Einspeisung in A 100 30,92 11,16
U5 am Fehlerort in V 1960 1960 1960
U5 am Fehlerort in % 3 3 3
Fehlerstrom IF1 in A 11,66 11,66 11,66
Fehlerstrom IF5 in A 13,57 13,56 13,57
Tabelle 6.2: Ortsunabhängigkeit der Oberschwingungserzeugung
Seite 48/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
In Tabelle 6.2 sind die Ergebnisse der Berechnung dargestellt. Man sieht, dass die
Amplitude des Erdschlussreststroms der fünften Oberschwingung von der
Oberschwingungsspannung vor Fehlereintritt, aber nicht vom Ort ihrer Erzeugung abhängig
ist. Die Phasenlage des Oberschwingungsreststroms ist aber vom Ort der Erzeugung
abhängig, da die Längsimpedanzen der Leitungen eine Phasendrehung verursachen. Diese
unterschiedlichen Phasenlagen könnten einen Einfluss auf die Erdschlusslöschung haben.
(siehe Kapitel 10).
In den folgenden Abbildung 6.4 und Abbildung 6.5 sind die Spannungen am Fehlerort und
der Fehlerstrom beispielhaft dargestellt. Man sieht, dass die Oberschwingungen in den
Phasenspannungen auf den ersten Blick nicht erkennbar sind, aber dennoch große
Fehlerströme verursachen.
Abbildung 6.4: Spannungen am Fehlerort
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Abbildung 6.5: Erdschlussreststrom im Netzmodell
6.1.2 Linearer Zusammenhang zwischen Oberschwingungsspannung
und –strom
Wenn man die Oberschwingungsrestströme im Erdschlussfall anhand von Messungen der
Oberschwingungsspannungen im fehlerfreien Betrieb berechnen oder abschätzen will, dann
muss ein linearer Zusammenhang zwischen diesen Werten gegeben sein. In Abbildung 6.6
werden die Ergebnisse der Berechnungen im Netzmodell (siehe Abbildung 6.1 - 6.3)
dargestellt. Man sieht den linearen Zusammenhang zwischen
Oberschwingungsstromeinspeisung, Oberschwingungsspannung am Fehlerort und dem
Oberschwingungsreststrom.
Seite 50/82

Oberschwingungsspannung vor dem Fehler in V
12000
10000
8000
6000
4000
2000
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Linearität des Oberschwingungsreststroms an einem Fehlerort
0
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Eingespeister Oberschwingungsstrom in A
Abbildung 6.6: Linearer Zusammenhang zwischen Spannung und Strom an einem Ort
Da man laut Abbildung 6.6 von einem linearen Zusammenhang zwischen
Oberschwingungsspannungen und Oberschwingungsströmen ausgehen kann, ist es möglich
die Oberschwingungsströme im Erdschlussreststrom entsprechend der erwarteten oder
gemessenen Oberschwingungsspannungen zu skalieren.
6.1.3 Resonanz entlang einer Leitung
Zur Berechnung der Resonanzverhältnisse bei Veränderung des Erdschlussorts entlang
einer Leitung in dem einfachen Netzmodell, wurde das Netzmodell auf Neplan® übertragen,
und die Parameter wurden variiert. Neplan® rechnet in symmetrischen Komponenten, und
die Ergebnisse können anhand eines einfachen Ersatzschaltbildes in symmetrischen
Komponenten (siehe Abbildung 6.7) nachgerechnet werden.
U5
IF5
80
70
60
50
40
30
20
10
Oberschwingungsreststrom in A
Seite 51/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Abbildung 6.7: Ersatzschaltbilder zur einfachen Berechnung der Resonanz
Mit dem Ersatzschaltbild (Abbildung 6.7) kommt man zu einer einfachen Formel zur
Abschätzung der Fehlerentfernung (Freileitungslänge = lResonanz) bei Resonanz, z.B. der
fünften Oberschwingung:
Aus
1
f= 0
(6.1)
2⋅π⋅ LC
Folgt (vereinfacht)
2
⎛ 1 ⎞
⎜
⋅π⋅
⎟
⎝2 f ⎠ 2⋅LTransformator l Resonanz= −
inkm
' '
. (6.2)
C ⋅6⋅L 6⋅L E Leitung Leitung
lResonanz Länge der Freileitung in km für Resonanz der gewählten Frequenz
LTransformator Induktivität des Transformators L 1 = L 2
L’Leitung Induktivität der Freileitung = 6·L1; (L0 = 4·L1; L1 = L2)
Um den Charakter der Stromoberschwingungsresonanzen bei ortsvariablem Erdschluss
darzustellen, wurde der Fehlerort entlang der Leitung (siehe Abbildung 6.1) variiert. Wie in
Abbildung 6.8 ersichtlich, tritt die Resonanz in Abhängigkeit von der Fehlerentfernung, von
der Kabellänge und vom Oberschwingungspegel auf. Deshalb kann man ohne Kenntnis
der Resonanzsituation im Netz nicht von der Oberschwingungsspannung vor
Fehlereintritt auf den Oberschwingungsreststrom schließen.
Seite 52/82

Reststrom in A pro % des Spannungspegels der fünften
Oberschwingung vor dem Fehler
70
60
50
40
30
20
10
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Resonanz der fünften Oberschwingung im Modellnetz
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fehlerort auf der Freileitung in %
2 km Kabel (Simulink)
7 km Kabel (Simulink)
12 km Kabel (Simulink)
17 km Kabel (Simulink)
22 km Kabel (Simulink)
2 km Kabel (Neplan)
7 km Kabel Neplan
12 km Kabel (Neplan)
17 km Kabel (Neplan)
22 km Kabel (Neplan)
Abbildung 6.8: Resonanz des Oberschwingungsreststroms entlang einer Leitung (Berechnungen in
Neplan® und in Matlab® Simulink®)
In Abbildung 6.8 sind die Berechnungsergebnisse aus Neplan® und aus Matlab® Simulink®
dargestellt. In den Berechnungen wurde die Kabellänge von 2 km bis 22 km variiert (siehe
Abbildung 6.1).
Seite 53/82

6.2 Simulation in Neplan®
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Verschiedene Netze wurden im Netzberechnungsprogramm Neplan® nachgebildet. In
diesem Netzberechnungsprogramm werden bei Kurz- und Erdschlüssen nur die
netzfrequenten (50-Hz) Anteile berechnet.
Es ist zwar möglich, mit Neplan® eine Oberschwingungsanalyse im Nullsystem
durchzuführen, wodurch man Resonanzkurven erhält, aber Löschspulen werden nicht
berücksichtigt.
Um trotzdem mit diesem Netzberechnungsprogramm Erdschlüsse mit mehreren
Oberschwingungskomponenten zu berechnen, müssen die Netzparameter auf die jeweilige
Oberschwingung umgestellt werden. Dazu werden alle Impedanzen und Kapazitäten mit der
Ordnungszahl der Oberschwingung multipliziert. In der Folge ist es möglich, den
Erdschlussfehlerstrom zu berechnen. Dieses Ergebnis liefert einen Fehlerstrom bei
Nennspannung, weshalb das Ergebnis im Nachhinein noch mit den
Oberschwingungsspannungspegeln skaliert werden muss: Nach dem Prinzip der
Ersatzspannungsquelle am Fehlerort kann man die Oberschwingungsspannung am
Fehlerort als treibende Spannung betrachten, und den Reststrom entsprechend skalieren.
Mit dieser Methode ist es rasch möglich, die kritischen Orte für Oberschwingungsresonanzen
zu lokalisieren. Zusätzlich kann man die Auswirkungen von Ausbauten oder verschiedene
Schaltzustände analysieren.
Seite 54/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
7 Abstimmversuche und Berechnungen
Im Zuge von Netzuntersuchungen zur Bestimmung der Ausbaureserve und des
Erdschlussreststroms wurden Abstimmversuche durchgeführt, um die Netzberechnungen zu
verifizieren, und die für die Berechnung erforderlichen Netzparameter zu erhalten. In
Kapitel 3.3.9 ist die Durchführung der Abstimmversuche beschrieben.
7.1 Bewertung der Messungen
Bei manchen Netzen gibt es hinsichtlich der Erdschlussproblematik Unterschiede zwischen
den rechnerisch und den messtechnisch ermittelten Netzparametern. Es gibt verschiedene
Gründe für diese Abweichungen:
Löschspulen:
Der Nennstrom von Petersenspulen ist mit einer Toleranz von ± 5 % und die Ströme bei
anderen Einstellwerten mit ± 10 % einzuhalten [20].
Zusätzlich ist die allgemein angenommene Sättigung der Petersenspulen abhängig von der
Betriebsspannung. Die Stromerhöhung durch Sättigung kann einige % betragen (siehe
Abbildung 8.5 und [20]).
Erdkapazitäten:
Die berechneten Erdkapazitäten von Leitungen gehen von einer idealen Konfiguration (kein
Bewuchs, stabiler Durchhang, keine Umspannwerke) aus. In der Literatur [20] wird der
Einfluss der Masten in Freileitungsnetzen und der Umspannwerke mit einem Zuschlag von
bis zu 9 % angegeben. Der Einfluss des Durchhangs und des Bewuchses wird mit 4 %
(Unterschied zwischen Winter und Sommer) angegeben [20].
Dämpfungswiderstände:
Eine eventuell vorhandene „Wattreststromerhöhung“ wirkt sich nur minimal aus. In einem
Hochspannungsnetz konnte z.B. eine Zunahme der Dämpfung von 2,06 % auf 2,16 %
festgestellt werden. Dies wirkt sich im stationären Betrieb nicht maßgeblich aus, jedoch
können transiente Vorgänge (Ein- und Ausschwingvorgang) besser gedämpft werden.
Die Tatsache, dass ein Widerstand in Serie (Sonderschaltung) zur Petersenspule geschaltet
wird, bewirkt, dass der Strom über die Petersenspule im Fehlerfall kleiner und geringfügig
ohmscher wird.
Eine Wattreststromerhöhung, die einen signifikant höheren Wattreststrom bewirken würde,
müsste mit einem Widerstand durchgeführt werden, der parallel zur Petersenspule
geschaltet wird. Jedoch ist bei diesem Verfahren zu beachten, dass dabei ein, je nach
Widerstand, zusätzlicher Strom eingespeist wird, der ebenfalls nicht zu einer Überschreitung
der zulässigen normativen Grenzen (siehe Kapitel 4.1) führen darf.
Seite 55/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
8 Analyse von Ausschwingvorgängen bei Erdschlüssen /
Erdschlusswischern
Zur Bestimmung der Netzparameter können auch Erdschlusswischer herangezogen werden.
Viele Netzbetreiber benutzen Schutzgeräte, die in der Lage sind solche Wischer zu
detektieren und abzuspeichern. Dadurch wird es möglich die Netzparameter zum Zeitpunkt
des Erdschlusswischers zu bestimmen.
8.1 Allgemeines
Aus dem Ausschwingvorgang (Verlauf der Phasenspannungen) bei einem
Erdschlusswischer kann man verschiedene Parameter eines gelöschten Netzes bestimmen.
U/kV
100
75
50
25
0
211,8 211,9 212,0 212,1 212,2 212,3 212,4 212,5 212,6 212,7 212,8 t/s
U1E U2E U3E UEN
Abbildung 8.1: Ausschwingvorgang nach einem Erdschluss (unterkompensiert)
U/kV
100
75
50
25
0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7
K2:110kV SS1 A K2:110kV SS1 B K2:110kV SS1 C
Abbildung 8.2: Ausschwingvorgang nach einem Erdschluss (überkompensiert) 2
2 Da die Verlagerungsspannung UEN in der Aufzeichnung nicht aussagekräftig ist, wurde sie nicht
dargestellt.
t/s
Seite 56/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Aus der Schwebungsfrequenz des Ausschwingvorgangs fs oder aus der Frequenz der
Verlagerungsspannung fA und aus der Betriebsfrequenz f0 kann man die Verstimmung v
berechnen (siehe Formel 8.1 und 8.2). Zur Bestimmung der Kompensation (über- oder
unterkompensiert) kann man die Schwebung des Effektivwertes der Phasenspannungen
(Abbildung 8.1 und Abbildung 8.2) verwenden. Wenn die Phasenspannung, die am
schnellsten abfällt der erdschlussbehafteten Phase voreilt, dann liegt Überkompensation vor
(Abbildung 8.1), anderenfalls liegt Unterkompensation vor (Abbildung 8.2).
s 0
( )
f =f 1-v-1 [24] (8.1)
f
v= 1− f
f0
fA
fs
2
A
2
0
Betriebsfrequenz
Überlagerte Frequenz des Ausschwingvorgangs = f0 ± fS
Frequenz der Schwebung (siehe Abbildung 8.1 und Abbildung 8.2)
Aus der Zeitkonstante der abklingenden Verlagerungsspannung kann man die Dämpfung d
bestimmen.
2
⎡ t2 − t ⎤
1
d = ; [ ω= 2⋅π⋅f A ] ; τ=
ω⋅τ −
⎢
⎣ ln(U NE1) ln(U NE2 ) ⎦ ⎥
τ Zeitkonstante der abklingenden Schwingung
t2-t1 Zeitdifferenz zwischen der Messung von UNE1 und UNE2
Die Ermittlung der Unsymmetrie k aus der abklingenden Schwingung ist nicht möglich. 3
Eine zweite Methode zur Ermittlung des Kompensationsgrades ist die Analyse der Ortskurve
des Ausschwingvorgangs. In Abbildung 8.3 sieht man den Ausschwingvorgang des
überkompensierten Netzes. Bei einem unterkompensierten Netz ist die Ortskurve gegen den
Uhrzeigersinn gedreht.
3
Laut Prof. Schegner (TU-Dresden), Ergebnis von Erdfehlermessungen in einem gelöschten 110-kV-
Netz: Cired 2001 3.5 NE-EN/Ru-Fs ist die Bestimmung der Unsymmetrie aus dem
Ausschwingvorgang nicht möglich [22].
Seite 57/82
(8.2)
(8.3)

U in kV
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
U2
U3
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Ausschwingvorgang
-80
-80 -60 -40 -20 0
U in kV
20 40 60 80
Abbildung 8.3: Ausschwingvorgang (Ortskurve)
8.2 Berechnungsergebnisse
U1
Aus einer beispielhaften Störaufzeichnung (siehe Abbildung 8.3) werden folgende
Netzparameter berechnet.
fA = 51,3 Hz
τ = 0,233 s
v = -5,3 % (überkompensiert)
d = 1,33 %
8.2.1 Patentierung des Verfahrens zum Nachstellen einer Löschspule
[41]
Die Löschspulen im gelöschten Netz werden im Normalbetrieb eingestellt. Das heißt, dass
sie entsprechend der auftretenden Verlagerungsspannung eingestellt werden. Es ist aber
bekannt, dass der kleinste Erdschlussreststrom (Fehlerstrom) nicht bei dieser
Resonanzabstimmung erreicht wird. Das bedeutet, dass die „V-Kurve“ (Erdschlussreststrom
bei Verstellung der Petersenspulen) und die Resonanzkurve (Verlagerungsspannung bei
Verstellung der Petersenspulen im fehlerfreien Betrieb) ihre Maxima (Minima) nicht an
Seite 58/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
denselben Stellen erreichen. Der Grund dafür liegt in der Sättigung der Löschspulen und in
der Einkopplung einer Unsymmetrie von parallel geführten Systemen [34]. Daher sind die
Einstellungen der Petersenspulen nicht auf den Fehlerfall optimiert, und die auftretenden
Fehlerströme übersteigen die berechneten Werte. Dies ist vor allem dann ein Problem, wenn
das betrachtete Netz bereits an der Löschgrenze betrieben wird.
Aufgrund verschiedener Messungen und deren Auswertungen ist damit zu rechnen, dass die
Fehlkompensation der Petersenspulen ca. 10-30 A betragen kann (in Einzelfällen auch
deutlich mehr). Die eingestellten Verstimmungen (Abweichungen von Vollresonanz)
betragen in der Regel wenige Prozent (2 bis 6 %) und die Fehlkompensation, die aufgrund
von Sättigungen (wegen der Bemessung des Eisenkreises) auftreten kann, liegen im selben
Bereich (in einem 800 A Netz entspricht 30 A Fehlkompensation einer zusätzlichen
Verstimmung von 3,75 %).
Im Folgenden wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, bei dem nicht die Effektivwerte,
sondern der momentane Verlauf der Verlagerungsspannung gezielt analysiert wird:
Durch diese Analyse des Momentanverlaufs der Frequenz der Verlagerungsspannung
können korrekte Aussagen über die Verstimmung während eines aktuellen Erdschlussfalls
abgeleitet werden [39].
Dazu ist es nötig, mittels geeigneter Signalanalyse-Methode aus dem verrauschten
Spannungssignal im Abstand von jeweils einer halben Periode eine geeignete definierte
Momentanfrequenz zu bestimmen. Die durch ein geeignetes Extrapolationsverfahren
gewonnene Momentanfrequenz genau im ersten Zeitfenster nach dem Abschalten des
Erdschlusses bzw. dem verlöschen des Erdschlusslichtbogens beschreibt im Sinne der
Formel 8.2 die Verstimmung unmittelbar vor dem Abschalten bzw. Verlöschen.
In der folgenden Abbildung 8.4 ist der Frequenzverlauf eines ausschwingenden
Erdschlusses dargestellt. Dieser Frequenzverlauf ist dann die Basis für weitere
Berechnungen. Am Ende kommt man dann zu einem Verstimmungsverlauf, der von der
Spannungshöhe abhängig ist. Somit kann man dann abhängig von der momentanen
Betriebsspannung den errechneten Spulenstrom als Eingangswert für die Petersenspulen
verwenden.
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Frequenz in Hz
52,5
52
51,5
51
50,5
50
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
49,5
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Zeit in ms
Abbildung 8.4: Ausschwingen nach einem Erdschluss
U in kV
70
60
50
40
30
20
10
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
I in A
Abbildung 8.5: I/U Kennlinie vom Ausschwingvorgang
In der Abbildung 8.5 (I/U-Kennlinie der Petersenspulen im Netz) erkennt man die
Fehlkompensation, deren Größe abhängig von der (veränderlichen) Betriebsspannung ist. Im
oberen Bereich sieht man deutlich den Knick in der Kennlinie, der eine zusätzliche
Seite 60/82
f
U
70
60
50
40
30
20
10
Spannung in kV

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Überkompensation im Vergleich zur herkömmlichen Methode der Einstellung bewirkt. Im
Diagramm kann man eine Fehlkompensation von etwa 20 A herauslesen. Diese
Fehlkompensation würde mit steigender Betriebsspannung ebenfalls steigen, wobei
grundsätzlich hohe Betriebsspannungen im Sinne einer verlustarmen Netzbetriebsweise und
damit der Vermeidung von unnötigen CO2 Emissionen sinnvoll und anzustreben ist.
Aus
dem Ausschwingvorgang der Verlagerungsspannung kann zusätzlich zur Verstimmung
auch die Dämpfung d (Formel 8.4) bestimmen.
2
⎡ t2 − t ⎤
1
d = ; [ ω= 2⋅π⋅f A ] ; ⎢τ= ⎥
ω⋅τ −
τ
⎣ ln(U NE1) ln(U NE2 ) ⎦ (8.4)
Zeitkonstante der abklingenden Schwingung
Seite 61/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
9 Erdschlussversuche in gelöschten Netzen
Es wurden zur Untermauerung der Theorien dieser Arbeit Erdschlussversuche in Mittel- und
Hochspannungsnetzen durchgeführt. Bei diesen Versuchen wurden die
Oberschwingungsspannungen vor dem Fehlereintritt und der Fehlerstrom über die
Fehlerstelle gemessen. Die Erdschlüsse wurden immer direkt geschaltet, d.h. es entstand
kein Lichtbogen.
9.1 Versuche in einem 110-kV-Drehstromnetz
Die folgenden Erdschlussversuche wurden in einem 110-kV-Netz durchgeführt, in dem die
Netzkapazität und die Resonanzsituation durch das gezielte Wegschalten von Kabeln
verändert wurde.
9.1.1 Versuch 1
Es wurde ein Erdschlussversuch in einem 110-kV-Netz bei Normalschaltzustand
(Gesamtnetz / ICE = 686 A) durchgeführt.
Die im Folgenden angegebenen Resonanzfaktoren g
g1 = 1
g3 = k.A.
g5 = 1,9
g7 = 2,3
stammen aus einer vor den Erdschlussversuchen durchgeführten Netzberechnung, die
gemäß Kapitel 6.2 durch theoretische Netzanalysen bestimmt wurden.
Oberschwingungspegel in den Phasenspannungen vor dem Versuch:
U50….ca. 0,1%
U150….k.A.
U250….ca. 0,9%
U350….ca. 0,5%
Seite 62/82

Gemessene Erdschlussrestströme:
IF/A
100
50
0
-50
-100
-150
U1E/kV
100
50
0
-50
-100
-150
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60 2,65
2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60 2,65
Abbildung 9.1: Erdschlussreststrom und Spannung der fehlerbehafteten Phase
I50….ca. 16 A
I150….ca. 4 A
I250….ca. 55 A
I350….ca. 54 A
Berechnete Erdschlussrestströme mit den entsprechenden Resonanzfaktoren (g):
50
I50 = g1 ⋅p1⋅ ⋅I CE ⋅ (d 1)
= 1⋅1⋅1⋅686 ⋅ (0,0205) = 14,1A
50
250
I250 = g5 ⋅p5⋅ ⋅I CE ⋅ (v 5)
= 1,9⋅0,009⋅5⋅686 ⋅ (0,96) = 56,3A
50
350
I350 = g7 ⋅p7⋅ ⋅I CE ⋅ (v 7)
= 2,3 ⋅0,005⋅7⋅686 ⋅ (0,98) = 54,1A
50
Die Berechnungen stimmen mit den Messungen sehr gut überein. In Abbildung 9.1 ist der
Erdschlussreststrom und die Spannung der fehlerbehafteten Phase dargestellt.
t/s
t/s
Seite 63/82

9.1.2 Versuch 2
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Es wurde ein Erdschlussversuch in demselben 110-kV-Netz bei verringerter Netzkapazität
(ein Kabel wurde abgeschaltet / ICE = 622 A) durchgeführt.
Oberschwingungspegel in den Phasenspannungen vor dem Versuch:
U50….ca. 0,1%
U150….k.A.
U250….ca. 0,9%
U350….ca. 0,5%
Gemessene Erdschlussrestströme:
IF/A
100
50
0
-50
-100
-150
U1E/kV
100
50
0
-50
-100
-150
6,450 6,475 6,500 6,525 6,550 6,575 6,600 6,625 6,650 6,675 6,700 6,725 6,750
6,450 6,475 6,500 6,525 6,550 6,575 6,600 6,625 6,650 6,675 6,700 6,725 6,750
Abbildung 9.2: Erdschlussreststrom und Spannung der fehlerbehafteten Phase
I50….ca. 16 A
I150….ca. 4 A
I250….ca. 42 A
I350….ca. 48 A
Berechnete Erdschlussrestströme mit den entsprechenden Resonanzfaktoren (g):
50
I50
= g1
⋅p1
⋅ ⋅I
CE ⋅(d1)
= 1⋅1⋅1⋅
622⋅
(0,0214) = 13,
3A
50
250
I250
= g5
⋅p
5 ⋅ ⋅I
CE ⋅(v5)
= 1,6⋅
0,009⋅5
⋅622
⋅(0,96)
= 43A
50
350
I350
= g7
⋅p
7 ⋅ ⋅I
CE ⋅(v7)
= 2,
3⋅
0,005⋅7
⋅622⋅
(0,98) = 49A
50
Die Berechnungen stimmen mit den Messungen wieder sehr gut überein. In Abbildung 9.2 ist
der Erdschlussreststrom und die Spannung der fehlerbehafteten Phase dargestellt.
t/s
t/s
Seite 64/82

9.1.3 Versuch 3
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Es wurde ein Erdschlussversuch in demselben 110-kV-Netz bei verringerter Netzkapazität
(zwei Kabel wurden abgeschaltet / ICE = 563 A) durchgeführt.
Oberschwingungspegel in den Phasenspannungen vor dem Versuch:
U50….ca. 0,1%
U150….k.A.
U250….ca. 0,9%
U350….ca. 0,5%
Gemessene Erdschlussrestströme:
IF/A
100
50
0
-50
-100
U1E/kV
100
50
0
-50
-100
-150
8,50 8,55 8,60 8,65 8,70 8,75 8,80 8,85 8,90 8,95
8,50 8,55 8,60 8,65 8,70 8,75 8,80 8,85 8,90 8,95
Abbildung 9.3: Erdschlussreststrom und Spannung der fehlerbehafteten Phase
I50….ca. 15 A
I150….ca. 4 A
I250….ca. 35 A
I350….ca. 40 A
Berechnete Erdschlussrestströme mit den entsprechenden Resonanzfaktoren (g):
50
I50
= g1
⋅p1
⋅ ⋅I
CE ⋅(d1)
= 1⋅1⋅1⋅
563⋅(0,0243)
= 13,
7A
50
250
I250
= g5
⋅p
5 ⋅ ⋅I
CE ⋅(v5)
= 1,5⋅
0,009⋅5
⋅563⋅(0,96)
= 36A
50
350
I350
= g7
⋅p
7 ⋅ ⋅I
CE ⋅(v7)
= 2,
1⋅0,005⋅7
⋅563⋅
(0,98) = 40,
5A
50
Auch bei diesem Versuch stimmen die Berechnungen mit den Messungen sehr gut überein.
In Abbildung 9.3 ist der Erdschlussreststrom und die Spannung der fehlerbehafteten Phase
dargestellt.
t/s
t/s
Seite 65/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
9.2 Versuche in 20-kV-Drehstromnetzen
In einem 20-kV-Drehstromnetz wurden mehrere Erdschlussversuche zur Untersuchung der
Löschspuleneinstellung durchgeführt. Auch bei diesen Versuchen (Beispiel in Abbildung 9.4)
waren, wie bei den 110-kV-Erdschlussversuchen, die Oberschwingungsrestströme im
Erdschlussreststrom dominant.
Dabei wurde der Erdschlussreststrom auf zweierlei Arten bestimmt:
IFdirekt gibt den Strom an der Fehlerstelle an und wurde mittels Vor-Ort-Wandler bestimmt,
und der im Umspannwerk gemessene Abgangs-Summenstrom (IF) wurde dort an den
Schutzkernen der Abgangsstromwandler gemessen.
Strom in A
100
75
50
25
0
-25
-50
-75
I
Fdirekt
I
F
-100
0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97
Zeit in s
-40
Abbildung 9.4: Erdschlussversuch in einem 20-kV-Netz
U
L1
U
L2
U
L3
U
EN
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
Spannung in kV
Seite 66/82

Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
In einem anderen 20-kV-Drehstromnetz (mit Wattreststromerhöhung) wurden
Erdschlussversuche zur Unterstützung der Fehlerortung durch Analyse der in diesem Netz
üblichen Schutzeinrichtungen (Wattreststromerfassung) durchgeführt (siehe Abbildung 9.5).
Im Reststrom erkennt man vor allem die 11. und die 13. Oberschwingung aufgrund eines
nahen Skiliftes.
AI1/A
25
0
-25
-50
-1944,025 -1944,000 -1943,975 -1943,950 -1943,925 -1943,900 -1943,875 -1943,850 -1943,825
Abbildung 9.5: Erdschlussversuch in einem 20-kV-Netz (Strom an der Fehlerstelle in A)
t/s
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
10 Aussagen zur Löschgrenze
Nach dem Stand der Technik ist der Ausbau von gelöschten Mittel- und
Hochspannungsnetzen durch das Erreichen der Löschgrenze beschränkt. Diese
Löschgrenze ist in den einschlägigen Normen (siehe Kapitel 4.1) festgehalten und basiert auf
den Untersuchungen aus den 60er Jahren des vorigen Jahrhunderts. Auf Grund der
damaligen Verbraucherstruktur und –technologie ist zu mutmaßen, dass die
Oberschwingungsgehalte (THD) deutlich geringer waren als in heutigen Netzen, in denen
viele geregelte Verbraucher bzw. mehr Lasten mit Leistungselektronik eingesetzt werden.
Eine genauere Analyse der seinerzeitigen Literatur ergibt außerdem keinen Hinweis auf die
Phasenlage der Erdschlussströme zu den treibenden System-Spannungen und damit zur
Frage, ob die Quellimpedanz des Netzes eher induktiv oder kapazitiv (führt zu schlechten
Löschbedingungen) oder resistiv (gute Löschbedingungen durch Phasengleichheit von
Strom und Spannung) ist.
Daher wird in Fachkreisen immer wieder die Frage aufgeworfen, ob die normenmäßig
festgelegte Löschgrenze nicht im Sinne einer Erleichterung des Netzausbaus angehoben
werden könnte. Da bei der Erdschlusslöschung auch sicherheitsrelevante Fragen
berücksichtig werden müssen, erfordert es nach Meinung des Verfassers nicht nur
theoretische oder Labor-Untersuchungen, sondern auch belastbare Erkenntnisse aus einer
Vielzahl von geeigneten Netzversuchen.
Im Folgenden wird ein Versuchskonzept vorgestellt, dass die grundsätzlichen Aspekte von
Lichtbogenanalysen durch Versuche und theoretische Berechnungen abdeckt.
Zur Bestimmung der Löschgrenze muss ein Versuchskonzept erstellt werden, und die
Ergebnisse aus den Versuchen müssen statistisch ausgewertet werden.
In [36], [37] und [38] wird der Einfluss der Oberschwingungen auf die Erdschlusslöschung in
Versuchen und in Simulationen untersucht, aber bisher konnte noch kein klarer
Zusammenhang gefunden werden. Im Folgenden wird das Versuchskonzept, das zu
Ergebnissen führen könnte, dargestellt, aber im Rahmen der Dissertation wurden diese
Versuche nicht durchgeführt.
10.1 Versuchskonzept
Im Sinne eines umfassenden Versuchskonzepts ist ein Modell zu erstellen, das das
Verhalten eines gelöschten Netzes zeigt, und in dem man die folgenden Parameter frei
wählen kann.
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Fix zu wählende (worst case) Parameter:
• Temperatur 40 °C
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
• Luftdruck 1013,25 hPa (Meereshöhe)
• Luftfeuchtigkeit 100 %
• Wind 0 m/s
• Isolatorlänge (der kürzeste in der Spannungsebene verwendete)
• Spannungsebene z.B. 20 kV
Variable Parameter:
• Stromstärken
o Grundschwingung (ohmsch/induktiv/kapazitiv)
o Oberschwingungen (3, 5, 7, …?)
• Phasenlagen
o Zwischen Strömen und Spannungen
o Zwischen Grundschwingung und den einzelnen Oberschwingungen
• Wiederkehrende Spannung
o Kompensationsgrad
o Dämpfung
Anforderungen an den Versuchsaufbau:
• Variabler kapazitiver Strom (Phase Erde Kapazitäten)
• Variable Kompensation (Löschspule)
• Variable Oberschwingungen (in Amplitude und Phasenlage)
o Pro Oberschwingung maximal 100A (Vorschlag)
• Bei Mittelspannung: Dauerleistung (Lichtbogen) < 500 kVA
• Einstellbare Umgebungsbedingungen
Um ein gelöschtes Netz für die stationäre Analyse des Löschverhaltens in einem Versuch zu
simulieren, muss nicht das gesamte Netz nachgebildet werden, da das folgende Netz
(Abbildung 10.1) in der Simulation das gleiche Verhalten bezüglich der Erdschlusssituation
aufweist (siehe Abbildung 10.3).
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Abbildung 10.1: Ersatzschaltbild zur Simulation
UPh
RL
XL
RP
XP
RQ
3C0
Phasenspannung (11500 V)
Leitungswiderstand (1 Ω)
Leitungsreaktanz (4 Ω)
Widerstand Petersenspule (1 Ω)
Reaktanz Petersenspule (36,48 Ω)
Querableitwiderstand (1,11 Ω)
Null(Erd)kapazität (38,30 Ω entspricht 300 A)
Dieses Modell könnte grundsätzlich auch als Hardware realisiert werden,
allerdings wird im Folgenden nur die Simulation durchgeführt.
Abbildung 10.2: Matlab® Simulink® Modell zur Simulierung der Erdschlussbedingungen
Zur Nachbildung und zur Simulation wurde Matlab®-Simulink® verwendet. In ersten
Versuchen wurden die Parameter des Netzes sowie der Erdschlusszuschaltzeitpunkt
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Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
verändert, und die Ergebnisse aus den Simulationen stimmen mit realen Netzversuchen
überein (siehe Abbildung 10.3).
Simulationsergebnisse:
Abbildung 10.3: Simulationsergebnis IF, UEN, U1
Berechnete Werte aus den Netzparametern (Vorgabe):
ICE: 300 A
Dämpfung: 5,8 %
Wattreststrom: 0,058*300 A = 17,39 A
Verstimmung: -5 % (15 A)
Gesamtreststrom:
2 2
17,39 + 15 = 22,96A
Berechnete Werte aus der Simulation (Ausschwingvorgang, siehe Kapitel 8):
ICE: 301,65 A
Wattreststrom: 17, 4 A
Gesamtreststrom: 22,87 A
2
⎛ 1 ⎞
⎛ 1 ⎞
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
T 2⋅ ( 0,21455-0,2048)
Verstimmung: 1− ⎝ ⎠
= 1− ⎝ ⎠
=− 0,0519 =− 5,19%
2 2
f 50
0
2
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Der Vergleich der berechneten Werte aus den vorgegeben Netzparametern mit den erzielten
Simulationsergebnissen zeigt, dass das in Abbildung 10.2 vorgestellte Matlab® Simulink®
Modell, den gestellten Anforderungen nachkommt.
Abschätzung der benötigten Leistung für reale Laborversuche:
In einem Mittelspannungsnetz (20-kV-Netz) muss man mit einem maximalen ungelöschten
Erdschlussstrom von 500 A rechnen, da bei Erdschlussströmen in dieser Größenordnung
Untersuchungen sinnvoll sind. Die benötigte Dauerleistung für einen simulierten
Erdschlussversuch wäre 23 A * 11500 V = 264 kVA. Zusätzlich zu dieser
Grundschwingungsdauerleistung sind noch die Oberschwingungsströme leistungsmäßig zu
berücksichtigen.
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11 Maßnahmen, die den weiteren Ausbau gelöschter
Netze ermöglichen
In Erweiterung der bisherigen Betrachtungen, die sich auf einen Netzbetrieb mit
Erdschlusslöschung beschränken, werden im Sinne eines Ausblicks andere
Netzbetriebsmöglichkeiten hinsichtlich der kostenrelevanten Parameter für die
netztechnischen Mehraufwendungen aufgelistet. Diese Mehraufwendungen sind notwendig,
wenn wegen eines Kabelausbaus die Kabelreserve des betreffenden Netzes überschritten
wird.
Die im Folgenden untersuchten Realisierungsmöglichkeiten für den Netzbetrieb bei
Überschreitung des zulässigen Erdschlussreststromes orientieren sich am Stand der
Technik 1 .
Die kostenrelevanten Parameter ergeben sich je nach der gewählten Lösung und in
Abhängigkeit von der Netzstruktur (Topologie, Betriebsmittel) sowie dem Umfang der
geplanten Verkabelungsprojekte und der derzeitig vorhandenen Kabelreserve.
11.1 Niederohmige/starre Erdung
Bei Anwendung oder Umstellung auf die Betriebsform der starren Erdung ist das Problem
der Löschgrenze nicht relevant. Fehler in starren Netzen müssen hier aber aufgrund der
großen Ströme sofort abgeschaltet werden, da in starr geerdeten Netzen im Erdschlussfall
mit Strömen im Bereich von einigen kA (in Hoch- und Mittelspannungsnetzen) bzw. im
Bereich von einigen 100 A (in Niederspannungsnetzen) gerechnet werden muss.
Durch eine teilstarre Erdung, bei der nicht jeder Transformatorsternpunkt geerdet wird,
könnte man die auftretenden Erdkurzschlussströme auf kleinere Werte reduzieren (typ. 2 –
6 kA).
1 Die im Folgenden verwendeten Begriffe „Regel der Technik“ und „Stand der Technik“
werden gemäß ISO/IEC Guide 2-1986 wie folgt definiert:
Regel der Technik
(Anerkannte .., Rule of
Technology)
Stand der Technik
(Anerkannter.., State of the Art)
Technische Festlegung, wird von einer Mehrheit repräsentativer Fachleute als
Wiedergabe des Standes der Technik angesehen.
Entwickeltes Stadium der technischen Möglichkeiten zu einem bestimmten Zeitpunkt,
soweit Erzeugnisse, Verfahren oder Dienstleistungen betroffen sind, basierend auf
den diesbezüglichen gesicherten Erkenntnissen von Wissenschaft, Technik und
Erfahrung.
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Aufgrund dieser hohen Erdkurzschlussströme müssen Anlagenkomponenten
(Schaltanlagen, Erdungsanlagen), und das ganze Schutzsystem angepasst, also umgestellt
oder gegebenenfalls erneuert werden. Da die einzelnen Anlagenteile in gelöschten Netzes
ursprünglich mutmaßlich nicht für so große Erdkurzschlussströme geplant wurden, ist eine
Untersuchung bezüglich induktiver und ohmscher Beeinflussung sowie der
Erdungsmaßnahmen und Fehlerspannungen (Abschaltzeiten) notwendig. Stations-
Umbauten und eine Nachrüstungen von Anlagenteilen wie
Hochspannungsfreileitungsmasten, Erdungsanlagen, Umspannwerken, Cross-Bonding-
Bauwerken/Erdungsanlagen …, lösen hohe Folgeinvestitionen aus.
Weiters verschlechtert sich durch eine derartige Umstellung die Power Quality und die
Versorgungssicherheit im Vergleich zum gelöschten Netz, da jeder Fehler zu
Spannungseinsenkungen führt und sofort abgeschaltet werden muss. Besonders im
Vergleich mit gelöschten Netzen, wo über 90 % der Erdfehler keine negativen Auswirkungen
auf die Verbraucher haben, bedeutet der Übergang zur starren Erdung eine wesentliche
Verschlechterung der Spannungsqualität und eine wesentliche Beeinträchtigung der
Versorgungssicherheit.
11.2 Mittelohmige Erdung
Ein mittelohmig geerdetes Netz wird im Sinne dieser Dissertation folgendermaßen definiert:
Der durch jeden im Betrieb befindlichen Sternpunktswiderstand eingespeiste Strom
entspricht größenordnungsmäßig dem Bemessungsstrom eines repräsentativen Abganges
bzw. einer repräsentativen Leitung eines galvanisch verbundenen Netzes.
Ein mittelohmig geerdetes Netz ist eine Sonderform des gelöschten Netzes. In diesem Netz
wird konzeptgemäß parallel zur Petersenspule ein Widerstand angebracht, der in seiner
Größe so bemessen wird, dass bei Fehlereintritt ein Fehlerstrom auftritt, der einerseits eine
leichtere und sicherere Erdschluss-Ortung zulässt, aber andererseits keiner allzu schnellen
Abschaltung bedarf, da die auftretenden Fehlerspannungen, sowie Schritt- und
Berührungsspannungen nicht so groß wie bei starrer/teilstarrer Erdung sind. Dadurch ist es
möglich, die fehlerbehaftete Leitung selektiv auszuschalten. Die Umstellung auf ein
mittelohmig geerdetes Netz hat wegen der Notwendigkeit, Erdschlüsse abzuschalten, einige
Nachteile des starren Netzes (z.B. erhöhte Erdschlussströme, schnellere und öftere
Abschaltungen, neues Schutzkonzept, …), vermeidet aber das Problem der großen
Erdschlussströme sowie der resultierenden Fehlerspannungen mit der Forderung nach einer
schnellstmöglichen Abschaltung.
Eine Sonderform der mittelohmigen Erdung ist die kurzzeitige mittelohmige Erdung
(Abbildung 3.7), bei der das Netz grundsätzlich gelöscht betrieben wird, und der zusätzliche
Widerstand nur im Dauererdschlussfall zum Zwecke der Ortung zugeschaltet wird.
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11.3 Netztrennung/galvanische Trennung
Durch eine Auftrennung des Netzes in mehrere Teilnetze (Löschbezirke) ist es möglich,
insgesamt mehr Kabel einzusetzen. Eine Auftrennung der Netze führt jedoch ohne
begleitende Maßnahmen zu schwerwiegenden Nachteilen, z.B. Sinken des
Vermaschungsgrades und Verringerung der Versorgungssicherheit. Bei einer Auftrennung
sind zusätzliche Abstützungs- / Einspeisepunkte (Umspannwerke zum übergelagerten Netz)
mit einer entsprechenden Anzahl von Transformatoren erforderlich (zur Erfüllung des (n-1)-
Kriteriums an der Übergabestelle). In manchen Fällen kann die Resonanzsituation bezüglich
der Oberschwingungsrestströme bei Netztrennung sogar verschlechtert werden.
Die galvanische Auftrennung könnte man auch mittels Trenntransformatoren durchführen,
um die Sicherheit und die Vermaschung beizubehalten, womit aber auch hohe
Investitionskosten verbunden sind. Durch die zusätzlichen Transformatoren sinkt die
Kurzschlussleistung (Spannungsqualität) und die Fehleranfälligkeit des Netzes steigt
(zusätzliche Längselemente).
11.4 Spezielle Kompensationsverfahren
11.4.1 Aktive Reststromkompensation
Der Verlagerungsstrom ist nur ein kleiner Teil des Reststromes, bestimmt aber die
Verlagerungsspannung. Wenn man das Netz im Fehlerfall so verlagert, dass die
fehlerbehaftete Phase auf Erdpotential gehalten wird, erreicht man eine vollständige
Entlastung der Fehlerstelle [7].
Dies kann man durch Einspeisung einer „Gegenkomponente“ in entsprechender Größe und
Phasenlage im Sternpunkt durch einen Umrichter erreichen (diese Lösung ist meist auf eine
Frequenz beschränkt).
Diese Lösung wurde in Schweden vorangetrieben und 1992 wurde die erste Anlage in
Betrieb genommen [7].
Im zusammengeschlossenen 110-kV-Bahnnetz (16,7 Hz, Einphasenwechselstrom) der DB
und der ÖBB wurde ebenfalls nach erfolgreichen Tests eine solche Vollschutzanlage zur
Reststromkompensation installiert.
Die Auswertung von Erdschlüssen in einem 16,7 Hz Netz zeigt allerdings, dass die
erwarteten Ergebnisse einer massiven Reststromkompensation für die jeweilig gemessenen
Fälle nicht zutreffen:
Bezüglich der Grundschwingung betrug laut Versuchsergebnissen die Verringerung des
Reststromes wenige 10%, und hinsichtlich der nachweislich dominanten Oberschwingungen
ist keine Verbesserung festzustellen.
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11.4.2 Phasenerdung
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
Es ist möglich, statt Petersenspulen oder aktiver Reststromkompensation die Phasenerdung
einzuführen. Dies ist eine Möglichkeit um die Fehlerstelle weitgehend zu entlasten. Diese
Methode wird vor allem in Mittelspannungs-Strahlennetzen angewandt [10].
Bei der Phasenerdung in vermaschten Netzen bestehen Probleme, da man in mehreren
Umspannwerken gleichzeitig erden müsste, um den Erdschlussstrom aufzuteilen.
11.4.3 Einsatz von GIL
Durch den Einsatz von Gasisolierten Leitungen (GIL) statt Kabel wäre, aufgrund geringerer
Leiter-Erde Kapazitäten, die Ausbaufähigkeit des Netzes um einiges größer. Gasisolierte
Leitungen liefern einen wesentlich geringeren Beitrag zu den kapazitiven Erdschlussströmen
als Kabel (siehe Tabelle 5.1).
Der Einsatz von Gasisolierten Leitungen im wäre eine interessante Alternative zu Kabeln.
Doch GIL kosten heute deutlich mehr als Kabel.
Ein zusätzlicher Vorteil von GIL ist die selbstheilende Isolierung bei Erdschlüssen oder
Kurzschlüssen.
11.4.4 Resonanzabstimmung
Es ist möglich, gelöschte Netze ohne Verstimmung zu betreiben, wenn die
Sternpunktverlagerungsspannung im fehlerfreien Betrieb die zulässigen Werte nicht
überschreitet. Dies ist möglich in reinen Kabelnetzen, oder in Netzen bei denen alle
Freileitungen verdrillt ausgeführt sind. Durch diese Maßnahmen ist es möglich, das Netz in
einem größeren Ausmaß auszubauen, da der Erdschlussreststromanteil der Verstimmung (-
2 % bis -6 %), wegfällt.
Bei Netzen, die größere Unsymmetrien aufweisen, kann man im Fehlerfall auf Resonanz
abstimmen (v = 0), wenn man die Löschspulen automatisch und schnell genug
(Berührungsspannungen) einstellen kann.
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11.4.5 Kompensation der Oberschwingungsspannungen oder -
ströme
Durch die auftretenden Oberschwingungen im Erdschlussreststrom ist es schwierig, den
Anforderungen eines gelöschten Netzes zu entsprechen.
Durch Oberschwingungsfilter, die mithilfe von Saugkreisen an geeigneten Stellen die fünfte
und die siebente Oberschwingung aus dem Netz filtern, ist es möglich um einiges näher an
die momentan bekannten Grenzen eines gelöscht betriebenen Netzes heranzukommen.
Oberschwingungsfilter für gesamte Netze, im nötigen Ausmaß wurden noch nie eingehend
untersucht und installiert.
Eine grundsätzliche weitere Möglichkeit ist die Installation von Längsfiltern in den Netzen.
Durch diese „Sperrkreise“ könnten sich die Oberschwingungsströme nicht mehr bis zur
Fehlerstelle fortpflanzen. Es bestehen aber verschiedene Schwierigkeiten bei dieser Art der
Filterung wie die ideale Zuordnung zu den Betriebsmitteln, Platzprobleme in den
Umspannwerken, mangelnde Erfahrung und sinkende Zuverlässigkeit (aufgrund von
zusätzlichen Längselementen) des Netzes. Zudem ist diese Methode nicht Stand der
Technik.
Die ideale Möglichkeit zur Reduktion der Oberschwingungsströme im Fehlerfall wäre die
Filterung im Nullsystem, d.h. die Einbringung einer Gegenkomponente im Sternpunkt. Dafür
sind entsprechende Filterungs- und Kompensationsanlagen nötig. Diese Anlagen müssten
dezentral (zumindest an den Orten der Petersenspulen) installiert werden. Der Vorteil einer
solchen Anlage ist die hohe Zuverlässigkeit und keine Beeinflussung im Normalbetrieb. Eine
solche Anlage wurde bereits in einem Mittelspannungsnetz getestet [21].
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12 Zusammenfassung und Ausblick
Ausgehend von der Aufgabenstellung der Netzerweiterung in gelöschten Netzen unter
Einhaltung der Löschgrenze, wird in der vorliegenden Dissertation untersucht, in welchem
Ausmaß zusätzliche Kabel in gegebenen Mittel- und Hochspannungsnetzen installiert
werden können.
Bauartbedingt ist der Beitrag von Kabeln zum Erdschlussstrom (in A/km) ca. um den Faktor
20 bis 80 höher als jener von Freileitungen. Als Ausbaureserve, bezogen auf den
vorliegenden Ausbauzustand des Netzes, ergibt sich die Differenz zwischen dem bereits
derzeit auftretenden Erdschlussreststrom und dem für den maximalen Netzausbau
zulässigen Erdschlussreststrom (bedingt durch die Löschgrenze). Diese Ausbaureserve
kann durch Zubau von Freileitungen und/oder Kabeln aufgezehrt werden.
Maßgebliche Parameter bei der Berechnung der Ausbaureserve sind die
Sternpunktsbehandlung, die Netzgröße des bestehenden Netzes (ICE in A), die
schaltzustandsabhängigen Unsymmetrien des Netzes, die notwendige Ortungskapazität
(Schaltreserve) bei Netzumschaltungen im Erdschlussfall, die Resonanzen der
Oberschwingungen im Reststrom, die Netzdämpfung der Grundschwingung, die
Betriebsspannung, die Anforderungen an eine zuverlässige Erdschlusserfassung und der
Oberschwingungs- und Zwischenharmonischen-Gehalt.
Die Oberschwingungspegel sind abhängig vom Lastverhalten in untergelagerten (bzw.
anderen) Netzebenen sowie vom Import aus überlagerten Spannungsebenen.
Zur grundsätzlichen Bewertung eines Netzes betreffend der Ausbaureserve sind die
maximalen auftretenden Oberschwingungspegel heranzuziehen.
Eine Abschätzung der auftretenden Erdschlussrestströme sowie der Ausbaureserve ist
möglich, indem man mit Hilfe der folgenden Formel eine ortsunabhängige Berechnung der
Ausbaureserve durchführt.
IG
CE
≤
U B 2 2
2 2
2 2
2 2
3⋅
ω ⋅ d + v + ( p3
⋅3)
⋅ (v3
) + ( g 5 ⋅ p5
⋅5)
⋅ (v5
) + ( p 7 ⋅ 7)
⋅ (v7
)
3
Diese Berechnung erlaubt einen groben Ausblick auf die zu erwartenden
Erdschlussrestströme und die Ausbaureserve.
Zur genauen Berechnung der Erdschlussrestströme unter Berücksichtigung der
ortsabhängigen Oberschwingungsresonanzen im Erdschlussfall ist eine genaue Nachbildung
des Netzes hinsichtlich aller Impedanzen notwendig. Bei entsprechender Nachbildung des
Netzes kann der Erdschlussreststrom inklusive der Oberschwingungsrestströme für alle Orte
und Schaltzustände durch Anwendung des Überlagerungsprinzips berechnet werden.
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Die Ausbaureserve kann in einem Netz nicht generell in Kabel- oder Freileitungskilometern
angegeben werden, da jeder Netzausbau die örtlichen und amplitudenmäßigen
Oberschwingungsresonanzen im Netz verändert, und daher kann z.B. ein zusätzliches Kabel
eine Vergrößerung aber auch eine Verringerung der Oberschwingungsströme im
Erdschlussfall verursachen.
Es gibt diverse Methoden, um ein gelöschtes Netz, das die Löschgrenze erreicht oder ohne
zusätzliche Maßnahmen überschreiten wird, weiter zu betreiben. Die grundsätzlichen
Verfahren zum weiteren Ausbau der Netze unter Beibehaltung der Erdschlusslöschung sind
die Filterung der Oberschwingungen, die Netztrennung oder die Adaption der
Sternpunktsbehandlung im Sinne der kurzzeitig mittelohmigen Sternpunkterdung.
Die Bestimmung der bisher in den Normen vorgegebenen Löschgrenze mit der Abhängigkeit
von Oberschwingungen ist Gegenstand weiterer Untersuchungen.
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13 Literaturverzeichnis
Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
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[6] Winter / Gauger / Koetzold: ERDSCHLUSSSCHUTZSYSTEM MIT
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VERTEILUNGSNETZEN: ETG Fachbericht Nr. 66 (323-326)
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KV-BAHNSTROMNETZ: eb 101 (2003) Heft 8 (353-362)
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MITTELSPANNUNGSNETZEN – ENTLASTUNG DER FEHLERSTELLE DURCH
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Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik der Universität Hannover:
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des Institutes für Elektrische Anlagen an der TU-Graz
[13] W. Schossig: Netzschutztechnik: 2. Auflage 2001, VDE Verlag, Band 13,
[14] H. Hubensteiner: SCHUTZTECHNIK IN ELEKTRISCHEN NETZEN 1 + 2: 1993, VDE
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[15] ÖVE B1/1976: Beeinflussung von Fernmeldeanlagen durch
Wechselspannungsanlagen mit Nennspannungen über 1kV
[16] ÖVE E5 Teil 1/ 1989, ÖVE EN 50110-1. Betrieb von elektrischen Anlagen
[17] ÖVE/ÖNORM E 8383:2000-03-01, Starkstromanlagen mit Nennwechselspannung
über 1kV (entspricht HD 637 S1 Mai 1999)
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Hochspannungsnetzen: TGL 78-26461, DK 621.315.004.2, Elektroenergie –
Übertragung, Dezember 1961
[21] R. Willheim: Das Erdschlussproblem in Hochspannungsnetzen: Springer Verlag,
1936
[22] Ergebnis von Erdfehlermessungen in einem gelöschten 110-kV-Netz: Cired 2001 3.5
NE-EN/Ru-Fs
[23] DIN VDE 0228 Teil 2: Maßnahmen bei Beeinflussung von Fernmeldeanlagen durch
Starkstromanlagen, Dezember 1987
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[31] G. Herold: Elektrische Energieversorgung III: J. Schlembach Fachverlag, 2002
[32] G. Herold: Elektrische Energieversorgung IV: J. Schlembach Fachverlag, 2003
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