Erdschlusskompensation

Petersen-Spule zur Erdschluss-
kompensation

Die Erdschlusskompensation, auch als Resonanzsternpunkterdung oder als gelöschtes Netz bezeichnet, dient in elektrischen Energieversorgungsnetzen dazu, nicht beabsichtigte Erdschlüsse eines Außenleiters zu kompensieren.^[1] Die Erdschlusskompensation ist auf Wechselspannungssysteme wie Dreiphasensysteme als eine Form der Sternpunktbehandlung und in abgewandelter Form auf Einphasen-Dreileiternetze, wie sie bei Bahnstromnetzen vorkommen, beschränkt.^[2] Sie verwendet eine Spule, die in diesem Zusammenhang nach ihrem Erfinder auch als Petersen-Spule oder als Erdschlusslöschspule bezeichnet wird, die den elektrischen Strom an der Erdschlussstelle kompensiert und so Folgefehler an der elektrischen Anlage vermindert. Das Verfahren wurde 1917 von Waldemar Petersen patentiert.^[3]

Die Erdschlusskompensation wird typischerweise im Hochspannungsbereich bei Freileitungsnetzen bis zu 230 kV und bei Erdkabeln bis 30 kV eingesetzt. Sie ist eine wirkungsvolle Methode, um die Versorgungssicherheit mit elektrischer Energie zu gewährleisten.

Motivation

Ein wesentlicher Anteil aller Störungen in elektrischen Energieversorgungsnetzen, die mit Dreiphasenwechselstrom betrieben werden, entsteht durch den Erdschluss. Beispielsweise wird dieser Erdschluss durch das Hineinwachsen eines Baumes in eine Freileitung, Windschäden oder durch fehlerhafte Isolation der Anlage ausgelöst.

Um die Spannung in Dreiphasensystemen gleichmäßig gegenüber dem Erdpotential zu gewährleisten (dies ist wegen der notwendigen Isolation der elektrischen Leitung notwendig), muss der Sternpunkt im Dreiphasensystem Erdpotential aufweisen. Die Erdung des Sternpunktes könnte durch eine direkte Verbindung, wie bei TN-Systemen im Niederspannungsbereich, erfolgen. Der Nachteil dieser Methode in Hochspannungsnetzen zur großräumigen Energieversorgung besteht darin, dass bei einem Erdschluss die Leitung, ähnlich wie beim Fehlerstromschutzschalter im Niederspannungsbereich, abgeschaltet und erst nach der Fehlerbehebung wieder in Betrieb genommen werden kann. Da von diesen Ausfällen sehr viele Energiekunden betroffen sind, wird versucht, bei einpoligen Erdschlussfehlern den Betrieb der Anlage bzw. der Leitung eine bestimmte Zeit weiter aufrecht zu halten, um den Fehler vor einem möglichen kompletten Ausfall beheben zu können.

Die Erdschlusskompensation gewährleistet im fehlerfreien Fall einen geerdeten Sternpunkt im Energieversorgungsnetz und verhindert bei einpoligen Erdschlüssen einen hohen Kurzschlussstrom, der zum sofortigen Abschalten der Übertragungsleitung führen würde.

Funktion

Prinzipschaltung mit Erdschlusskompensationsspule L_E.

Bei der Durchführung der Erdschlusskompensation werden die Sternpunkte einer oder mehrerer Leistungstransformatoren über die Erdschlusslöschspule L_E mit dem Erdpotential verbunden, wie in nebenstehender Schaltskizze bei Transformator 1 dargestellt. An der Erdlöschspule liegt im fehlerfreien Fall praktisch keine Spannung an. Im vereinfachten Fall können Wirkwiderstände der Leitung vernachlässigt werden, bei realen, großräumigen Systemen kann es nötig sein, die Erdschlussspulen zur Minimierung der ohmschen Anteile an getrennten Orten aufzustellen.

Kommt es zu einem niederohmigen Erdschluss, wie in der Skizze an dem Außenleiter L₃ angedeutet, verschiebt sich das Erdpotential auf jenes des Leiters L₃. Der Sternpunkt ist um die Sternspannung verschoben, womit auf den beiden restlichen Außenleitern L₁ und L₂ die um den Faktor $\sqrt{3}$ größere Dreieckspannung gegen Erde auftritt. Diese Spannungsüberhöhung ist bei Auslegung der Isolation zu beachten.

Die Erdschlusslöschspule bildet im Fehlerfall mit den Leiterkapazitäten C_E der Übertragungsleitung einen Parallelschwingkreis. Die Induktivität der Spule wird dabei so eingestellt, dass die Summe der beiden Blindströme durch die Leiterkapazitäten C_E zu Außenleiter L₁ und L₂ betragsmäßig gleich zum Blindstrom durch die Spule L_E ist. Die drei Leiterkapazitäten C_E je Außenleiter gegen Erde sind identisch, was unter anderem durch den Einsatz von Verdrillmasten entlang der Freileitung gewährleistet wird.

Da der induktive Blindstrom gegenüber dem kapazitiven Blindstrom um 180° (π) phasenversetzt ist, wird bei abgestimmter Spule das Potential des Sternpunktes des Transformators 1 auf das Außenleiterpotential mit Erdschluss angehoben, in dem Beispielfall auf das Potential des Außenleiters L₃. Da damit der Sternpunkt von Transformator 1 das gleiche Potential wie L₃ aufweist, ist der Leiterstrom auf L₃ im Idealfall 0 A, womit auch der Strom an der Erdschlussstelle im Idealfall 0 A beträgt. Dies ist, bei Vernachlässigung von Wirkanteilen, genau dann der Fall, wenn die Induktivität der Spule L_E auf die Leiterkapazität abgestimmt ist:

$L_E = \frac{1}{3 \cdot \omega^2 \cdot C_E}$

Die Kreisfrequenz ω steht als Faktor für die Netzfrequenz. Damit die Erdschlusslöschspule an verschiedene Leitungskapazitäten angepasst werden kann, je nach Schaltzustand und Länge der Leitungen sind diese Werte unterschiedlich, verfügt sie typischerweise über Einrichtungen zur Veränderung des Luftspaltes mittels Tauchkern. Die mechanische Verstellung des Tauchkernes erfolgt durch einen außenliegenden Motorantrieb über eine Welle.

Die Spannungsverhältnisse auf dem Transformator 2, in der Schaltskizze in Dreieckschaltung dargestellt, bleiben so auch im Erdschlussfall eines Außenleiters unverändert. Ebenso bleiben die Ströme auf den beiden intakten Außenleitern, in dem Beispiel auf L₁ und L₂, unverändert. Auch die Leistung, die übertragen wird, bleibt unverändert: Sie wird durch die Spannungsüberhöhung auf den beiden intakten Außenleitern kompensiert, da der Außenleiter mit Erdschluss, L₃ in jenem Fall, zur Übertragung ausfällt.

In realen elektrischen Anlagen fließt durch die ohmschen Wirkanteile, sowohl der Leitung als auch durch die geringen Leitwerte der Isolatoren bedingt, ein geringer Wirkreststrom durch die Erdschlussstelle. Dieser Wirkstromanteil kann, aufgrund der Phasenlage, nicht durch die Erdlöschspule kompensiert werden. Der Wirkreststrom kann 5 % bis 10 % des Erdschlusstromes betragen und sollte so gering wie möglich sein, um die selbstständige Löschung des Lichtbogens am Erdschlusspunkt nicht zu verhindern.

Lichtbogenfehler

Erste Erdschlussspule von Waldemar Petersen aus 1917

Die Erdschlusskompensation dient auch dazu, Lichtbogenfehler gegen Erde zu vermeiden und den Lichtbogen ohne Spannungsunterbrechung zu löschen. Der Lichtbogenfehler ist wegen seiner extremen Hitzeentwicklung besonders gefährlich und nicht durch einen satten elektrischen Kurzschluss gekennzeichnet. Durch eine entsprechend abgeglichene Erdschlusskompensation wird dem Lichtbogen der notwendige Strom für die Aufrechterhaltung der Ionisierung der umgebenden Luft entzogen, wodurch er selbstständig erlischt. Aus dieser Eigenschaft resultiert die Bezeichnung Erdschlusslöschspule.

Alternative Verfahren

Bei Freileitungen mit Spannungen über 230 kV kann die Petersen-Spule wegen der dabei auftreten Überspannungen nicht mehr eingesetzt werden. Beispielsweise würde es in 400 kV-Netzen bei einem Erdschluss und der Spannungsüberhöhung aufgrund der hohen elektrischen Feldstärken um die Leiter zu Koronaentladungen kommen, welche durch die Ionisierung der umgebenden Luft Überschläge an Isolatorenketten begünstigen und so zu nicht mehr kompensierbaren Mehrfachfehlern führen können. Weiter ist in diesen Fällen eine ausreichende Überdimensionierung der Isolierung im Allgemeinen nicht wirtschaftlich durchführbar.

In diesen Anlagen wird der fließende Erdschlussstrom mit einem Leistungswiderstand von 25 Ω bis 50 Ω zwischen dem Sternpunkt des Transformators und Erdpotential begrenzt. Im Fehlerfall wird durch den Leitungsschutz, welcher den Fehler innerhalb von 150 ms erfasst, eine Kurzunterbrechung der Leitung ausgelöst. Die Kurzunterbrechung führt zum Erlöschen eines eventuell vorhandenen Erdschlusslichtbogens. Der Schaltvorgang wird durch spezielle Leistungsschalter, welche mehrfach innerhalb kurzer Zeit ein- bzw. ausschaltfähig sind, vorgenommen. Ist der Fehler nach einer Kurzunterbrechung nicht mehr vorhanden, dies ist bei Freileitungen in der Mehrzahl aller Kurzunterbrechungen der Fall, bleibt die Leitung in Folge eingeschaltet, ansonsten wird sie wieder abgeschaltet. Vom Distanzschutz kann automatisch die Position der Fehlerstelle an der Leitung bestimmt werden. Bei Erdkabeln wird hingegen keine Kurzunterbrechung vorgenommen, da dabei meist ein permanenter Schaden an der Kabelisolation vorliegt.

Die Versorgungssicherheit wird in diesem Fall primär durch das „(N-1)-Kriterium“ sichergestellt, welches aussagt, dass zu jeder Zeit ein elektrisches Betriebsmittel, wie Transformator oder Leitung, ausfallen darf, ohne dass es zu einer Überlastung eines anderen Betriebsmittels oder zu einer Unterbrechung der Energieversorgung kommen darf.

Netze

Mit einer Stromkreislänge von 19.100 km (2005) und durch seine flächenmäßige Ausdehnung ist das 110-kV-Bahnstromnetz der DB/ÖBB das weltweit größte gelöscht betriebene Hochspannungsnetz.^[4]

Literatur

• Réne Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 8. Auflage. Teubner, 2003, ISBN 3-519-26424-2.
• Clemens Obkircher: Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze. Dissertation, Technische Universität Graz, 2008 (Online).

Einzelnachweise

1. ↑ Skriptum Sternpunkterdung, Vorlesung Elektrische Energieversorgung II, Universität Hannover
2. ↑ SfB-Schiedsstelle für Beeinflussungsfragen (Hrsg.): Richtlinie für Schutzmaßnahmen an Tk-Anlagen gegen Beeinflussung durch Netze der elektrischen Energieübertragung, -verteilung sowie Wechselstrombahnen. 2005, S. 52 bis 55 (http://www.sfb-emv.de/data/TE-3.pdf). (PDF-Datei)
3. ↑ Biografie von Waldemar Petersen, SEV Verband für Elektro-, Energie- und Informationstechnik
4. ↑ Walter Schossig: 10 Jahre elektrische Wiedervereinigung Deutschlands, EW, Jg. 104 (2005), Heft 21-22, S. 80-83