Leitfaden über den Schutz - Teil 2: Weitere Erdungsarten

Erdung über einen Widerstand
Bei diesem Schema begrenzt ein ohmscher Widerstand den Fehlerstrom Id gegen Erde bei gleichzeitiger Ableitung der Überspannungen. Demzufolge müssen jedoch automatisch Schutzeinrichtungen in Aktion treten, die den ersten Fehler beseitigen. In Netzen, die rotierende Maschinen speisen, wird der Widerstand so festgelegt, dass ein Id von 15 bis 50 A erhalten wird. Dieser niedrige Strom muss jedoch trotzdem gleich Id ≥ Ic sein (Ic = gesamter kapazitiver Strom des Netzes), um die Schaltüberspannungen zu reduzieren und eine einfache Erfassung zu ermöglichen. In Verteilnetzen werden höhere Werte gewählt (100 bis 1000 A), die besser erfassbar sind und eine Ableitung von Blitzüberspannungen gestatten.

Vorteile
Dieses Schema ist ein guter Kompromiss zwischen einem niedrigen Fehlerstrom und gut abgeleiteten Überspannungen. Die Schutzeinrichtungen sind einfach und selektiv und der Strom wird begrenzt.

Nachteile

• Keine Kontinuität der Versorgung. Bei einem Erdschluss
• Die Kosten für den Erdungswiderstand steigen mit der Spannung und dem begrenzten Strom.

Anwendungen
Öffentliche und industrielle MS-Verteilnetze

Erdungswiderstand (Rn) Wenn der Sternpunkt zugänglich ist (Transformator in Sternschaltung), kann der Erdungswiderstand zwischen Sternpunkt und Erde geschaltet werden. Wenn der Sternpunkt nicht zugänglich ist oder wenn es sich aufgrund der Selektivitätsstudie als vorteilhaft erweist, realisiert man mit einer Spule oder einem Spezialtransformator mit sehr niedriger Nullreaktanz einen künstlichen Sternpunkt (Nullgenerator).



Schutzeinrichtungen Die Erfassung eines schwachen Fehlerstroms Id erfordert andere Schutzeinrichtungen als die Überstromrelais der Phasen. Diese «Erdschluss»-Schutzeinrichtungen erfassen den Fehlerstrom

• entweder direkt in der Verbindung zwischen Sternpunkt und Erde (1) ,
• oder im Netz durch Messung der Vektorsumme der 3 Ströme unter Verwendung
  • entweder von 3 Phasenstromwandlern, welche die Schutzeinrichtungen speisen (2)
  • oder eines Ringkernwandlers (vorzuziehen, da genauere Messung) (3) .

Die Ansprechwerteinstellung erfolgt in Funktion des unter Vernachlässigung der Quellen- und Verbindungs-Nullimpedanzen gegenüber der Impedanz R_n und unter Berücksichtigung der folgenden 2 Regeln berechneten Fehlerstroms Id:

• Einstellung höher als das 1,3fache des kapazitiven Stroms des Netzes vor der Schutzeinrichtung,
• Einstellung auf ungefähr 20% des maximalen Erdschlussstroms.

Zudem darf die Einstellung, wenn die Erfassung mit 3 Stromwandlern erfolgt, nicht niedriger sein als 10% der Baugröße der Stromwandler, um die mit
- der Asymmetrie der Ausgleichsströme,
- der Streuung der Kennlinien verbundenen Unsicherheiten zu berücksichtigen.

Erdung über eine Drossel
Für Netzspannungen über 40 kV zieht man wegen der Probleme, die mit der Wärmeentwicklung beim Auftreten eines Fehlerstroms verbunden sind, die Verwendung einer Drossel anstelle eines Widerstandes vor.


Erdung über eine Kompensationsdrossel



Mit diesem System kann der kapazitive Strom des Netzes kompensiert werden. Denn der Fehlerstrom ist die Summe der Ströme, die durch die folgenden Kreisen fließen:
- Erdung über die Drossel.
- Kapazitäten der gesunden Phasen gegen Erde.
Diese Ströme heben sich gegenseitig auf, da der eine (derjenige in der Erdung) induktiv und der andere (derjenige in den Kapazitäten der gesunden Phasen) kapazitiv ist. Die Addieren sich somit gegenphasig.

Vorteil
Dieses System gestattet eine Verminderung der Fehlerströme, selbst wenn die Kapazität der Phasen gegen Erde groß ist.

Nachteil
Die Kosten für die Erdungsdrossel können hoch sein, weil man den Wert der Reaktanz verändern können muss, um die Kompensation anzupassen.

Schutzeinrichtungen
Die Fehlerstromerfassung beruht auf der Wirkkomponente des Reststroms. Der Fehler bewirkt im gesamten Netz das Fliessen von Restströmen, aber nur der fehlerhafte Kreis wird von einem ohmschen Reststrom durchflossen. Zudem berücksichtigen die Schutzeinrichtungen sich wiederholende, selbstlöschende Fehler.

Wenn die Erdungsreaktanz und die Kapazität des Netzes aufeinander abgestimmt sind (3L_NCω²=1)
- ist der Fehlerstrom minimal,
- ist der Fehlerstrom ein Wirkstrom,
- 03.08.2011ist der Fehler selbstlöschend.

Deshalb wird die Kompensationsdrossel Löschspule oder Petersen-Spule genannt.


Direkte Erdung der Sternpunktes
Wenn der Sternpunkt ohne dazwischengeschaltete Impedanz geerdet ist, ist der Fehlerstrom Id zwischen Phase und Erde praktisch ein Kurzschluss zwischen Phase und Sternpunkt und somit hoch. Dieses zum Ableiten von Überspannungen ideale Schema bringt sämtliche Nachteile und Gefahren eines hohen Erdschlussstroms mit sich. Es besteht keine Kontinuität der Versorgung und es gibt keine spezifischen Schutzeinrichtungen, indem die normalen Überstromschutzeinrichtungen in Aktion treten, um den Fehler zu beseitigen.

Anwendungen
Dieses Schema wird in Europa für MSFreileitungs- und -Kabelnetze nicht angewendet, ist jedoch in den nordamerikanischen Verteilnetzen üblich. In diesen (Freileitungs-) Netzen rechtfertigen andere Besonderheiten diese Wahl:
- Vorhandensein eines verteilten Neutralleiters,
- Verteilung 3 P, 2 P+N oder 1 P+N,
- Verwendung des Neutralleiters als Schutzleiter mit genereller Erdung an jedem Mast.
Dieses Schema kann angewendet werden, wenn die Kurzschlussleistung der Quelle niedrig ist.