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Die Methode der neutralen Erdung bestimmt die Höhe des Fehlerstroms, die Anforderungen an die Relaiskoordination und das Verhalten bei transienten Überspannungen in Ihrem gesamten Mittelspannungsschutzsystem. Die drei vorherrschenden Ansätze - feste Erdung, NGR (Neutral Grounding Resistor) und Petersen-Spule - führen zu grundlegend unterschiedlichen Schutzanforderungen und Gerätespezifikationen.
In diesem Vergleich wird untersucht, wie sich die einzelnen Erdungsmethoden auf die Erdschlussstrompfade auswirken, welche Änderungen sich bei den Relaiseinstellungen und Schaltgeräteleistungen ergeben und welche Anwendungen den jeweiligen Ansatz bevorzugen.
Der Sternpunkt in Dreiphasensystemen - in der Regel der Sternpunkt von Transformatoren - kann über verschiedene Impedanzpfade mit der Erde verbunden sein. Diese einzige Verbindung ist ausschlaggebend dafür, was bei Fehlern mit nur einer Leitung zur Erde (SLG) passiert, die 70-80% aller Fehler in Verteilernetzen ausmachen.
Bei einem Phase-Erde-Fehler fließt der Strom von der fehlerhaften Phase über die Fehlerimpedanz in die Erde und kehrt über den neutralen Erdungsanschluss zurück. Die Erdungsimpedanz begrenzt direkt die Höhe des Fehlerstroms.
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Die Größe des Fehlerstroms If hängt von der Systemspannung und der Gesamtimpedanz im Fehlerpfad ab. Bei einem verschraubten Fehler in einem 10-kV-System mit einem 400-A-Neutralerdungswiderstand (NGR) ist der Erdschlussstrom typischerweise auf 200-400 A begrenzt, verglichen mit 8.000-15.000 A in fest geerdeten Systemen mit gleicher MVA-Bemessung.[HTML-BLOCK-END]
Drei Parameter kennzeichnen jedes Erdungssystem: die Höhe des Fehlerstroms, das Verhältnis von transienten Überspannungen und die Empfindlichkeit der Erdschlusserkennung. Diese Parameter stehen in einem Spannungsverhältnis zueinander - eine Reduzierung des Fehlerstroms erhöht das Überspannungsrisiko und erschwert die Fehlererkennung.
Nach IEC 60364-4-44 erreicht der Überspannungsfaktor bei Erdungsfehlern das 1,73-fache der Spannung zwischen Netz und Nullleiter in fest geerdeten Systemen, kann aber bei Lichtbogenfehlern in resonant-geerdeten Konfigurationen das 2,5-fache übersteigen.
In fest geerdeten Systemen ist der Transformator-Neutralleiter direkt mit dem Erder verbunden, ohne dass eine absichtliche Impedanz vorliegt. Dadurch entsteht ein Fehlerstrompfad mit geringer Impedanz, der je nach Quellenimpedanz und Fehlerort typischerweise Erdschlussströme von 5.000-20.000 A erzeugt.
Merkmale des Fehlerstroms
Eine solide Erdung ermöglicht einen maximalen Fehlerstromfluss, der oft mit den Werten eines dreiphasigen Fehlers vergleichbar ist oder diese sogar übersteigt. In einem 13,8-kV-System mit 500 MVA verfügbarer Fehlerleistung erzeugen SLG-Fehler routinemäßig 8.000-15.000 A. Diese hohe Stromstärke gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb von Standard-Überstromrelais ohne Bedenken hinsichtlich der Empfindlichkeit.
Der Fehler wird innerhalb von 3-6 Zyklen behoben, wenn die unverzögerten Elemente arbeiten. Ein schnelles Löschen begrenzt den Schaden an den Geräten, erzeugt aber eine schwere Lichtbogengefahr an der Fehlerstelle.
Anforderungen des Schutzsystems
Es gilt die übliche Zeit-Strom-Koordination. Erdschlussrelais (50G/51G), die auf 10-40% des Phasenabgriffs eingestellt sind, arbeiten zuverlässig mit herkömmlichen Stromwandlerverhältnissen. Koordinationsstudien folgen der bekannten Zeit-Strom-Kurven-Methodik.
Vorteile:
Einschränkungen:
In den Verteilerleitungen der Versorgungsunternehmen mit 4,16-34,5 kV wird überwiegend eine feste Erdung verwendet, bei der eine schnelle Fehlerbehebung Vorrang vor der Kontinuität hat.
[Experteneinblick: Feldbeobachtungen zur soliden Erdung]
- In unseren Bewertungen von mehr als 40 industriellen Umspannwerken bei 6-35 kV zeigten solide geerdete Systeme durchweg die schnellste Fehlerbeseitigung, aber die höchsten Reparaturkosten an den Fehlerstellen.
- Die Höhe des Erdschlussstroms übersteigt oft 120% des dreiphasigen Fehlerstroms an abgelegenen Abzweigstellen aufgrund der Nullimpedanzverteilung
- Berechnungen der Blitzschlag-Energie gemäß IEEE 1584 ergeben typischerweise 8-25 cal/cm² bei Arbeitsabstand auf fest geerdeten 13,8-kV-Systemen
NGR-Systeme fügen einen kalibrierten Widerstand zwischen Nullleiter und Erde ein. Dieser Widerstand begrenzt den Fehlerstrom auf ein vorgegebenes Niveau, wobei eine ausreichende Größe für den Betrieb des Schutzrelais erhalten bleibt.
Niederohmige versus hochohmige Erdung
Niederohmige Erdung (LRG) begrenzt den Fehlerstrom auf 100-1.000 A, typischerweise 200-400 A. Standard-Überstromrelais arbeiten zuverlässig, aber die Fehlerbeseitigung muss innerhalb von 10 Sekunden erfolgen, um eine thermische Schädigung des Widerstands zu verhindern. LRG eignet sich für industrielle Systeme, die eine eindeutige Fehlerauslösung mit reduzierter Lichtbogengefahr erfordern.
Hochohmige Erdung (HRG) begrenzt den Fehlerstrom auf 1-10 A und ist so bemessen, dass er den kapazitiven Ladestrom des Systems um das 1-2fache übersteigt. Mit diesem minimalen Strom können Standard-Überstromelemente nicht betrieben werden. HRG-Systeme verwenden Verlagerungsspannungsrelais (59N) oder eine spezielle pulsierende Erdschlusserkennung, die oft eher einen Alarm auslöst als beim ersten Fehler.
Anpassungen der Schutzregelung
LRG-Systeme erfordern Erdschlussrelais mit einer Anzugsleistung von 5-15% der NGR-Stromgrenze. Ein 400-A-NGR-System könnte einen 50-G-Ansprechwert von 20-40 A mit zeitlich festgelegter Koordination verwenden.
HRG-Systeme ändern die Schutzphilosophie grundlegend. Statt einer sofortigen Auslösung löst der erste Erdschluss einen Alarm aus, während das System weiterläuft. Das Wartungspersonal lokalisiert den fehlerhaften Abgang mit Hilfe von Impulserkennung oder sequentieller Abgangsschaltung.
Vorteile:
Einschränkungen:
In Industrieanlagen, neutralen Stromerzeugern und im Bergbau wird die NGR-Erdung in der Regel aus Gründen der Ausgewogenheit zwischen Sicherheit und betrieblicher Flexibilität eingesetzt.
Petersen-Spulen (Lichtbogenunterdrückungsspulen) führen eine Induktivität ein, die mit der Phase-Erde-Kapazität des Systems in Resonanz tritt. Bei richtiger Abstimmung erzeugt die Spule einen Blindstrom, der den kapazitiven Fehlerstrom aufhebt und den Reststrom an der Fehlerstelle auf 5-10 A oder weniger reduziert.
Prinzip der resonanten Erdung
Die Spuleninduktivität ist so abgestimmt, dass der induktive Strom ungefähr dem kapazitiven Ladestrom des Systems entspricht. Bei einem SLG-Fehler brechen diese Ströme - 180° phasenverschoben - an der Fehlerstelle ab. Der geringe ohmsche Reststrom kann keinen Lichtbogen aufrechterhalten und ermöglicht die Selbsterlöschung von transienten Fehlern.
In der technischen Broschüre 283 der CIGRE wird dokumentiert, dass etwa 80% der transienten Erdschlüsse in resonant-geerdeten Systemen ohne Betätigung des Unterbrechers von selbst erlöschen.
Tuning-Anforderungen
Die Systemkapazität ändert sich, wenn Abgänge ein- und ausgeschaltet werden oder Kabelabschnitte hinzugefügt werden. Moderne, automatisch abgestimmte Petersen-Spulen (Tauchkern- oder Anzapfspulen) passen die Reaktanz kontinuierlich an. Eine Verstimmung innerhalb von ±5% sorgt im Allgemeinen für eine wirksame Lichtbogenunterdrückung.
Herausforderungen beim Schutz
Die Resonanzerdung minimiert absichtlich den Fehlerstrom, der zu Schwierigkeiten bei der Erkennung führt. Verlagerungsspannungsrelais zeigen das Vorhandensein eines Fehlers an, können aber den fehlerhaften Abgang nicht identifizieren. Für die Abzweigauswahl sind spezielle Richtungs- oder wattmetrische Relais erforderlich, die den Wirkleistungsanteil messen.
Dauerhafte Fehler (unterbrochene Leitung, ausgefallene Geräte) erfordern eine Isolierung. Das System toleriert Verzögerungen, während die Bediener den Fehler lokalisieren, aber ein fortgesetzter Betrieb mit einem anhaltenden Erdschluss belastet die Isolierung der fehlerfreien Phasen.
Vorteile:
Einschränkungen:
Europäische Versorgungsunternehmen setzen Petersen-Spulen in großem Umfang für die ländliche Mittelspannungs-Freileitungsverteilung ein, wo transiente Fehler durch Vegetation und Wildtiere vorherrschen.
[Experteneinblick: Petersen-Spulen-Felderfahrung]
- Automatische Abstimmsysteme benötigen 2-5 Sekunden, um nach Änderungen der Netztopologie einen Ausgleich zu schaffen - Schutzingenieure müssen dieses Zeitfenster bei Koordinierungsstudien berücksichtigen.
- Bei anhaltenden Erdungsfehlern steigt die Spannung der nicht ausgefallenen Phase auf das 1,73-fache des Wertes von Leitung zu Leitung an, so dass entsprechend ausgelegte Geräte erforderlich sind.
- Kabelsysteme weisen eine hohe Kapazität auf, die unpraktisch große Spulen erfordert; die Resonanzerdung eignet sich für oberirdische Netze.
| Parameter | Solide Erdung | NGR (Niedrig-R / Hoch-R) | Petersen-Spule |
|---|---|---|---|
| SLG-Fehlerstrom | 5,000-20,000 A | 200-400 A / 1-10 A | <10 A Rest |
| Fehlerbehebung | Unmittelbar (3-6 Zyklen) | Erforderlich (<10 s) / Alarm | Oft selbstreinigend |
| Relaistyp | Standard-Überstrom | Überstrom / Empfindlicher GF | Richtungsabhängig, wattmetrisch |
| CT-Anforderungen | Standard-Verhältnisse | Möglicherweise sind niedrigere Quoten erforderlich | Empfindliche Nullsequenz |
| Transiente Überspannung | ≤1,4 pu | ≤1,7 pu / ≤2,0 pu | ≤2,5 pu |
| Schwere des Störlichtbogens | Hoch | Reduziert / Minimal | Minimal |
| Kontinuität des Dienstes | Reise erforderlich | Auslösung erforderlich / Alarm first | Ride-Through möglich |
| Komplexität | Niedrig | Mäßig | Hoch |
| Beste Anwendungen | Verteilung von Versorgungsleistungen | Industrie, Stromerzeuger | Ländliche Oberleitungsnetze |
Die Erdungsmethode wirkt sich direkt aus auf Nennwerte für Vakuum-Leistungsschalter und zugehörige Schaltanlagenkomponenten.
Leistungsschalter mit Unterbrechungsfunktion
Fest geerdete Systeme erfordern Unterbrecher, die für den vollen SLG-Fehlerstrom ausgelegt sind, der an bestimmten Standorten oft die dreiphasigen Werte übersteigt. Bei NGR-Systemen wird die Erdschlussunterbrechung auf den Grenzwert des Widerstands reduziert; der dreiphasige Fehler wird zum bestimmenden Faktor für die Bemessung. Petersen-Spulen-Systeme erfordern nur selten den Betrieb von Unterbrechern für Erdschlüsse, obwohl die permanente Fehlerbeseitigung immer noch eine angemessene Kapazität erfordert.
Stromwandler- und Relaisauswahl
Standard-Wandlerverhältnisse von 600:5 oder 1200:5 eignen sich gut für solide geerdete Systeme. Bei NGR-Systemen kann ein Verhältnis von 100:5 oder 200:5 für eine angemessene Empfindlichkeit des Erdschlussrelais erforderlich sein. Resonanzsysteme benötigen Stromwandler mit Kernausgleich und hoher Empfindlichkeit (oft 50:1 oder 100:1) für den Betrieb von Richtungselementen.
Koordination von Überspannungsableitern
Für fest geerdete Systeme werden Ableiter mit einem Nennwert von 80% der maximalen Systemspannung verwendet. Resonanzsysteme erfordern Ableiter mit einem Nennwert von 100% - eine Erhöhung um 25%, die sich sowohl auf die Ableiterauswahl als auch auf die Isolationskoordination in der gesamten Installation auswirkt.
Das Verstehen dieser Auswirkungen beeinflusst Auswahl von VCB für den Innen- und Außenbereich auf der Grundlage von Umwelteinflüssen und erdungsbedingten vorübergehenden Belastungen.
Die Auswahl hängt von den Systemeigenschaften und den betrieblichen Prioritäten ab:
Bevorzugen Sie eine solide Erdung, wenn:
Bevorzugen Sie NGR Wann:
Bevorzugen Sie Petersen Coil When:
Dokumentieren Sie die Erdungsphilosophie in Studien zur Schutzkoordination. Künftige Systemänderungen müssen die ursprünglichen Annahmen respektieren oder erfordern eine umfassende Neuuntersuchung.
Ganz gleich, ob Ihr System eine feste Erdung mit voller Fehlerbelastung, NGR-Konfigurationen mit kontrollierten Strömen oder eine Resonanzerdung, die eine spezielle Behandlung von Transienten erfordert, verwendet, XBRELE-Schaltanlagen erfüllen die technischen Anforderungen.
Unser Ingenieurteam weiß, wie sich die Erdungsmethode auf die Leistungsschalterspezifikation, die Stromwandlerauswahl und die Schutzkoordination auswirkt. Kontakt XBRELE Hersteller von Vakuum-Leistungsschaltern um Schaltanlagenlösungen zu besprechen, die auf die Erdungsphilosophie Ihres Systems abgestimmt sind.
F: Welche Methode zur Erdung des Neutralleiters erzeugt den geringsten Erdschlussstrom?
A: Die Petersen-Spule (Resonanzerdung) erzeugt den geringsten Fehlerstrom - in der Regel unter 10 A -, da die abgestimmte Induktivität den kapazitiven Strom des Systems an der Fehlerstelle aufhebt, was häufig eine Selbstlöschung des Lichtbogens ohne Betätigung des Unterbrechers ermöglicht.
F: Können Standard-Überstromrelais Fehler in hochohmigen geerdeten Systemen erkennen?
A: Standard-Überstromrelais können HRG-Fehler nicht zuverlässig erkennen, da der Strom auf 1-10 A begrenzt ist und damit weit unter den typischen Ansprechschwellen liegt; diese Systeme erfordern Verlagerungsspannungsrelais oder pulsierende Erdschlusserfassungsmethoden.
F: Wie wirkt sich die Erdungsmethode auf die Auswahl der Unterbrechungsleistung von Leistungsschaltern aus?
A: Für fest geerdete Systeme sind Leistungsschalter erforderlich, die für den vollen SLG-Fehlerstrom ausgelegt sind (der möglicherweise die dreiphasigen Werte übersteigt), während bei NGR-Systemen der Erdschlussstrom auf den Grenzwert des Widerstands reduziert wird, so dass der dreiphasige Fehler der maßgebliche Bemessungsfall ist.
F: Warum haben resonanzgeerdete Systeme höhere transiente Überspannungen?
A: Durch die hohe Neutralimpedanz können die Spannungen der fehlerfreien Phasen bei Erdungsfehlern in Richtung der Leitungswerte ansteigen und unter Lichtbogenbedingungen 2,5 pro Einheit erreichen, verglichen mit 1,4 pro Einheit bei fest geerdeten Systemen.
F: In welchen Branchen sind normalerweise Erdungswiderstände vorgeschrieben?
A: Industrieanlagen, Bergbaubetriebe und Generatoranlagen verwenden in der Regel eine NGR-Erdung, um ein Gleichgewicht zwischen der Reduzierung von Störlichtbögen und den Anforderungen an die Fehlererkennung herzustellen.
F: Beeinflusst die neutrale Erdung die Auswahl des Überspannungsableiters?
A: Für fest geerdete Systeme sind Ableiter mit einem Nennwert von 80% der maximalen Systemspannung zulässig, während für resonanzgeerdete Systeme Ableiter mit einem Nennwert von 100% erforderlich sind, um höheren transienten Überspannungen bei Erdungsfehlern standzuhalten - eine Erhöhung der Ableiterspannungsklasse um 25%.
Externe Referenz: IEEE C62.92 Serie - Leitfaden für die Anwendung der neutralen Erdung in elektrischen Versorgungssystemen - https://standards.ieee.org/
