Ein Erdungstransformator in Trockenausführung bietet einen künstlichen Sternpunkt für Drehstromsysteme, die über keinen natürlich zugänglichen Sternpunkt verfügen. Sobald der Sternpunkt hergestellt ist, kann er an eine Löschspule, einen Erdungswiderstand, eine Sternpunktdrossel oder andere Hilfseinrichtungen angeschlossen werden und bildet zusammen mit Trennschaltern, Stromwandlern, Überspannungsableitern oder Funkenstrecken eine vollständige Sternpunkt-Erdungsanordnung.
Welche Einrichtungen können an den Sternpunkt angeschlossen werden?
| Ausrüstung |
Hauptfunktion |
IEC-bezogene Hinweise |
| Lichtbogenlöschspule / Petersenspule |
Kompensiert den kapazitiven Erdschlussstrom bei einpoligen Erdschlüssen und hilft beim Löschen des Lichtbogens |
Nennwerte, Kurzzeitwärmefestigkeit und Isolationspegel können auf IEC 60076-6 bezogen werden |
| Erdungswiderstand |
Begrenzt den Erdschlussstrom, unterdrückt Überspannungen und liefert einen erfassbaren Nullsystemstrom |
Der Widerstand wird auf Basis der Spannung Phase gegen Erde und des Soll-Erdschlussstroms ausgewählt; die Kurzzeitwärmefestigkeit muss nachgewiesen werden |
| Sternpunktdrossel |
Begrenzt den Nullsystemstrom oder unterdrückt Resonanzen in Reihe mit der Lichtbogenlöschspule |
Kann gemäß IEC 60076-6 als Sternpunkterdungsdrossel behandelt werden |
| Überspannungsableiter / Funkenstrecke |
Begrenzt die Sternpunktüberspannung und schützt den Erdungstransformator |
Die Isolationskoordination kann auf IEC 60071-1 und IEC 60071-2 bezogen werden |
| Stromwandler |
Misst den Nullsystemstrom für Schutz, Erdschluss-Leitungsauswahl und Überwachung |
Im Sternpunktkreis installiert |
| Trennschalter |
Bietet eine sichtbare Trennstelle für Wartung und Schalthandlungen |
Sollte im Sternpunktkreis vorgesehen werden |
| Sekundärlast |
Liefert Hilfsstrom, wenn der Erdungstransformator auch als Eigenbedarfstransformator dient |
Die Sekundärleistung muss separat berechnet werden |
Erdungstransformatoren in Trockenbauweise verwenden üblicherweise eine Zickzackschaltung, wie ZNyn11 oder ZNvn11. Im Normalbetrieb weisen sie für Mit- und Gegensystemströme eine hohe Impedanz auf und führen nur einen kleinen Magnetisierungsstrom. Bei einem einpoligen Erdschluss weisen sie für den Nullsystemstrom eine niedrige Impedanz auf, sodass dieser über den Sternpunkt zur Erdschlusskompensationsspule oder zum Erdungswiderstand fließen kann.
Wann ist eine Erdschlusskompensationsspule geeignet?
Erdschlusskompensationsspulen eignen sich für nicht effektiv geerdete Systeme, auch als resonant geerdete Systeme oder Systeme mit kleinem Erdschlussstrom bekannt.
Typische Anwendungsbedingungen umfassen:
- Mittelspannungssysteme wie 3 kV, 6 kV, 10 kV, 20 kV, 35 kV und 66 kV.
- Systeme, bei denen der kapazitive Erdschlussstrom den zulässigen Grenzwert für einen isolierten Sternpunkt überschreitet, aber ein kurzzeitiger Weiterbetrieb während eines Erdschlusses erforderlich ist.
- Netze mit hohen Anforderungen an die Versorgungskontinuität, wie ländliche Verteilnetze, Bergwerke, Ölfelder, chemische Anlagen, metallverarbeitende Betriebe, Krankenhäuser und kontinuierlich arbeitende Industrieanlagen.
- Freileitungsnetze oder gemischte Freileitungs-/Kabelnetze mit häufigen transienten Erdschlüssen.
- Betrieb unter Überkompensation, um eine Serienresonanz zu vermeiden, die durch eine nahezu vollständige Kompensation verursacht wird.
Die resonante Erdung kann transiente Überspannungen bei einpoligen Erdschlüssen begrenzen. Dennoch muss eine Resonanz vermieden werden, und es können höhere Überspannungen auftreten, wenn die Kompensationseinrichtung fehlerhaft oder falsch eingestellt ist.
Auswahlrichtlinien:
- Wenn der kapazitive Erdschlussstrom den für ein System mit isoliertem Sternpunkt zulässigen Grenzwert überschreitet und ein kurzzeitiger Betrieb im Fehlerfall erforderlich ist, kann der Einsatz einer Erdschlusskompensationsspule in Betracht gezogen werden. Der genaue Grenzwert sollte gemäß den geltenden nationalen Normen, den Anforderungen der lokalen Versorgungsunternehmen und den Gerätespezifikationen festgelegt werden.
- Wenn der kapazitive Strom hoch ist, insbesondere in reinen Kabelnetzen, kann eine niederohmige Erdung oder ein kombiniertes Erdungskonzept bevorzugt werden.
- Wenn der kapazitive Strom nahe an der Auswahlgrenze liegt, kann ein kombiniertes Konzept angewendet werden: Die Erdschlusskompensationsspule arbeitet unter normalen Bedingungen, und nach einer Zeitverzögerung wird ein Parallelwiderstand zugeschaltet, um permanente Erdschlüsse zu beseitigen.
Wann ist ein Erdungswiderstand geeignet?
Erdungswiderstände werden unterteilt in niederohmige Erdung und hochohmige Erdung.
Niederohmige Erdung
Typische Anwendungen umfassen 6-kV- bis 35-kV-Kabelnetze, städtische Verteilnetze, industrielle Stromversorgungssysteme und Kraftwerks-Eigenbedarfssysteme.
Hauptmerkmale:
- Der Erdschlussstrom ist relativ hoch und wird typischerweise auf einige hundert Ampere begrenzt.
- Der Nullsystemschutz kann den Fehler zuverlässig erkennen.
- Fehlerhafte Abzweige können schnell abgeschaltet werden.
- Transiente Überspannungen werden wirksam begrenzt.
- Die Versorgungskontinuität ist niedriger als bei resonant geerdeten Systemen, da der fehlerhafte Stromkreis abgeschaltet wird.
Auswahlüberlegungen:
- Geeignet für reine Kabelnetze und städtische Untergrund-Verteilnetze.
- Bevorzugt, wenn ein schneller Schutz, eine genaue Fehlerortung und eine selektive Auslösung erforderlich sind.
- Der Erdungstransformator, der Erdungswiderstand und die Schaltanlage müssen hinsichtlich der kurzzeitigen thermischen Belastbarkeit basierend auf dem erwarteten Erdschlussstrom und der Fehlerbeseitigungszeit überprüft werden.
Der Widerstandswert kann vorläufig wie folgt geschätzt werden:
R = V_ln / I_f
wobei V_ln die Phasen-Neutral-Spannung des Systems und I_f der Ziel-Erdschlussstrom ist. Dieser Ausdruck ist eine vereinfachte Auswahlbasis. Der endgültige Wert muss auch die Systemspannungsschwankungen, das Erdungskonzept, die Schutzeinstellungen, den kapazitiven Strom und die thermischen Grenzwerte der Ausrüstung berücksichtigen.
Hochohmige Erdung
Die hochohmige Erdung wird dort eingesetzt, wo der Erdschlussstrom begrenzt werden muss, Resonanzüberspannungen unterdrückt werden sollen und ein kurzzeitiger Weiterbetrieb akzeptabel ist.
Hauptmerkmale:
- Der Erdschlussstrom wird üblicherweise auf wenige Ampere bis zu mehreren zehn Ampere begrenzt.
- Das System kann vorübergehend weiterbetrieben werden, aber der Fehler sollte umgehend geortet und beseitigt werden.
- Häufig angewendet an Generatoranschlüssen, Eigenbedarfssystemen und kleinen Verteilnetzen.
Erdschlusskompensationsspule im Vergleich zur niederohmigen Erdung
| Vergleich |
Kompensationserdung |
Niederohmige Erdung |
| Erdschlussstrom |
Geringer Reststrom |
Typischerweise mehrere hundert Ampere |
| Fehlerbehandlung |
Lichtbogenlöschung; kurzzeitiger Weiterbetrieb möglich |
Schnelle Abschaltung des fehlerhaften Abzweigs |
| Versorgungskontinuität |
Höher |
Niedriger |
| Überspannungsbegrenzung |
Begrenzt transiente Überspannungen; Resonanz muss vermieden werden |
Wirksame Überspannungsbegrenzung |
| Schutz |
Abhängig von der Erdschluss-Leitungsauswahl; Abschaltung erfolgt nicht immer sofort |
Nullstromschutz schaltet den fehlerhaften Stromkreis ab |
| Typisches Netz |
Freileitungs- oder Mischnetze mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen |
Kabelnetze, städtische und industrielle Verteilnetze |
Trocken-Erdungstransformator
Neutralpunktschutz und Betriebsanforderungen
Zusätzlich zur Hauptneutralpunktanlage sollten die folgenden Schutz- und Betriebsmaßnahmen berücksichtigt werden:
- Ein Trennschalter sollte installiert werden, um eine sichtbare Trennstelle zu schaffen.
- Ein Stromwandler sollte für die Nullstrommessung, den Schutz und die Erdschluss-Leitungsauswahl vorgesehen werden.
- Überspannungsableiter oder Funkenstrecken sollten in Betracht gezogen werden, um Neutralpunktüberspannungen zu begrenzen.
- Der Erdungstransformator sollte mit einem Nullstrom-Überstromschutz ausgestattet sein, der auf das Systemerdungskonzept abgestimmt ist.
- Normalerweise sollte nur ein Neutralpunkt eines Erdungstransformators an denselben Sammelschienenabschnitt angeschlossen werden, wobei eine Verriegelung der Schaltstellungen anzuwenden ist.
- Resonanzgeerdete Systeme sollten mit einer Einphasen-Erdschluss-Leitungsauswahl ausgestattet sein.
- Niederohmig geerdete Systeme müssen einen zuverlässigen Nullstrom-Schutzbetrieb gewährleisten und die thermische Belastbarkeit des Erdungswiderstands überprüfen.
- Die Isolationspegel sollten durch Isolationskoordination gemäß IEC 60071-1 und IEC 60071-2 überprüft werden.
Auswahlempfehlungen
- Wenn die Niederspannungsseite des Haupttransformators in Dreiecksschaltung ausgeführt ist und keinen zugänglichen Neutralpunkt aufweist, sollte ein Erdungstransformator vorgesehen werden.
- Wenn der kapazitive Erdschlussstrom relativ niedrig ist und ein kurzzeitiger Weiterbetrieb akzeptabel ist, wird oft eine Löschspule bevorzugt.
- Wenn das Netz viele Kabelkreise, einen hohen kapazitiven Strom aufweist und eine schnelle Fehlerbeseitigung erforderlich ist, ist eine niederohmige Erdung oft geeigneter.
- Wenn der kapazitive Strom nahe an der Auswahlgrenze liegt, kann ein Kombinationsschema angewendet werden: Die Löschspule arbeitet unter normalen Bedingungen, und bei dauerhaften Erdschlüssen wird ein Parallelwiderstand zugeschaltet.
- Die Bemessung des Erdungstransformators muss auf die Neutralpunktausrüstung abgestimmt sein. Bei der Löschspulenerdung sollte der Transformator die Spulenbemessung, die Kurzzeitbetrieb- und thermischen Anforderungen erfüllen. Bei der Widerstandserdung ist er gegen den Kurzzeit-Erdschlussstrom und die Fehlerdauer auszulegen. Wenn der Erdungstransformator auch die Hilfsstromversorgung übernimmt, muss die Sekundärbelastbarkeit separat berechnet werden.
- Typische Kurzzeit-Bemessungen umfassen 10 s, 30 s und 60 s, aber der endgültige Wert sollte entsprechend der Schutzabschaltzeit, den Systembetriebsbedingungen und den Herstellerspezifikationen festgelegt werden.
- Der Neutralpunktschaltkreis sollte als vollständige Anordnung ausgelegt sein, einschließlich Trennschaltern, Stromwandlern, Überspannungsableitern oder Funkenstrecken sowie der erforderlichen Schutzeinrichtungen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Neutralpunkt eines Trockenerdungstransformators hauptsächlich zum Anschluss einer Löschspule, eines Erdungswiderstands und der zugehörigen Schutz- und Messeinrichtungen verwendet wird. Die Löschspulenerdung eignet sich besser für Netze, die eine hohe Versorgungskontinuität und kontrollierte Erdschlussströme erfordern.
Die niederohmige Erdung eignet sich besser für kabelreiche städtische und industrielle Netze, in denen eine schnelle Fehlerbeseitigung erforderlich ist. Die endgültigen Parameter und die Geräteauswahl sollten den geltenden IEC-Normen, den lokalen Versorgungsverordnungen und den technischen Bedingungen des Geräteherstellers entsprechen.
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