Verbesserung der Schutzlogik und ingenieurtechnische Anwendung von Erdtransformern in Bahnstromversorgungssystemen

1. Systemkonfiguration und Betriebsbedingungen
Die Haupttransformatoren im Hauptumspannwerk des Kongress- und Ausstellungszentrums und im Hauptumspannwerk des Stadion der Zhengzhou Rail Transit verwenden eine Stern-Dreieck-Wicklungsanbindung mit einem nicht geerdeten Neutralpunkt-Betriebsmodus. Auf der 35-kV-Sammelschienenseite wird ein Zickzack-Erdungstransformator verwendet, der über einen Niedrigwiderstands-Widerstand geerdet ist und zudem die Versorgung der Stationslasten bereitstellt. Wenn ein einphasiger Erdkurzschluss auf einer Leitung auftritt, entsteht ein Strompfad über den Erdungstransformator, den Erdungswiderstand und das Erdnetz, wodurch Nullstromkomponenten (Zero-Sequence Current) erzeugt werden.

Dadurch kann ein hochsensibler, selektiver Nullstromschutz innerhalb des fehlerhaften Abschnitts zuverlässig ansprechen und sofort die entsprechenden Leistungsschalter auslösen, wodurch der Fehler isoliert und seine Auswirkungen begrenzt werden. Falls der Erdungstransformator abgeschaltet wird, verwandelt sich das System in ein unerdenes System. In diesem Zustand würde ein einphasiger Erdschluss die Isolations- und Gerätesicherheit schwer beschädigen. Daher muss beim Ansprechen des Schutzes des Erdungstransformators nicht nur dieser selbst abgeschaltet werden, sondern auch der zugehörige Haupttransformator durch eine Verriegelungsfunktion ausgeschaltet werden.

2. Einschränkungen bestehender Schutzkonzepte
In den Stromversorgungssystemen des Hauptumspannwerks des Kongress- und Ausstellungszentrums und des Hauptumspannwerks des Stadions der Zhengzhou Rail Transit umfasst der vorhandene Schutz des Erdungs- und Stationsversorgungstransformators lediglich Überstromschutz. Wenn ein Fehler dazu führt, dass der Erdungstransformator ausgeschaltet und außer Betrieb genommen wird, erfolgt lediglich die Abschaltung seines eigenen Schaltgeräts, ohne dass eine verriegelte Abschaltung des entsprechenden Einführungsspeiserschalters erfolgt.

Dies führt dazu, dass der betroffene Sammelschienenabschnitt über einen längeren Zeitraum ohne Erdungspunkt betrieben wird. Im Falle eines einphasigen Erdschlusses unter solchen Bedingungen können Überspannungen auftreten oder das Schutzsystem kann den Nullstrom nicht erkennen, was zu Fehlfunktionen oder Nichtansprechen des Nullstromschutzes führen kann – möglicherweise eskaliert der Vorfall und gefährdet die gesamte Sicherheit des Stromversorgungssystems.

Zusätzlich wird während automatischer Umschaltung über den Sammelschienenkupplungsschalter (Bus-Tie-Auto-Switching) der Erdungs- und Stationsversorgungstransformator auf der spannungslosen Sammelschiene nicht verriegelt abgeschaltet. Dies kann dazu führen, dass beide Sammelschienenabschnitte über den Sammelschienenkupplungsschalter miteinander verbunden sind, wodurch eine Zweipunkt-Erdschluss-Situation im System entsteht. Ein solcher Zweipunkt-Erdschluss kann zwei gravierende Probleme verursachen: (1) Falsche Klassifizierung des Nullstroms bei Erdschlussfehlern, was zu Nichtansprechen des Schutzes oder Fehlauslösung führt; und (2) induzierte Wirbelströme durch Nullstrom, die zu Überhitzung der Geräte und Isolationsschäden führen.

Die aktuelle Schutzlogik weist erhebliche Einschränkungen auf. Herkömmliche Schutzgeräte überwachen lediglich den Betriebszustand des Erdungstransformators und stellen keine verriegelnde Logik mit den Einführungsspeiserschaltern oder dem Sammelschienenkupplungsschalter her – es fehlen notwendige Blockierungs- und Verriegelungsmechanismen.

3. Empfehlungen zur Verbesserung bestehender Schutzbeschränkungen

3.1 Vorgeschlagene Verbesserungsmaßnahmen

Hinzufügen einer „Soft-Logik für verriegelte Abschaltung des Erdungs- und Stationsversorgungstransformators“

• Auslösebedingung: Der Leistungsschalter des Erdungs- und Stationsversorgungstransformators öffnet. Falls das System Niedrigwiderstandserdung verwendet, kann das Verschwinden des Stroms durch den Erdungswiderstand als zusätzliche Kriterium hinzugefügt werden.

• Verriegelungs-Abschaltlogik-Design: Abschaltung des Einführungsspeiserschalters: Falls der Erdungs- und Stationsversorgungstransformator entfernt wird und kein anderer Erdungspunkt auf dem Sammelschienenabschnitt vorhanden ist, soll der Einführungsspeiserschalter verriegelt abgeschaltet werden, um eine Lastumschaltung auf eine andere Sammelschiene zu erzwingen. Abschaltung des Sammelschienenkupplungsschalters: Falls beide Sammelschienenabschnitte parallel über den Sammelschienenkupplungsschalter betrieben werden, soll der Sammelschienenkupplungsschalter verriegelt abgeschaltet werden, um den unerdenen Sammelschienenabschnitt zu isolieren.

• Empfehlung zur technischen Umsetzung: Hinzufügen von Nullstromschutz. Bei Überstrom- oder Nullstromansprechen soll das Schutzgerät seinen lokalen Schalter auslösen und gleichzeitig verriegelte Abschaltsignale an den entsprechenden Einführungsspeiser- und Sammelschienenkupplungsschalter senden. Die Hersteller von Schutzgeräten sollten das Verriegelungslogikdiagramm entsprechend anpassen und Software-Updates basierend auf dieser Logik durchführen.

3.2 Schutzverbesserung basierend auf Nullsequenzspannung

• Funktion zur Sperrung/Abschaltung bei Nullsequenzüberspannung: Hinzufügen von Nullsequenzüberspannungsschutz zum Sammelschienenschutz als Backup, wenn der Erdungs- und Stationsversorgungstransformator außer Betrieb ist. Falls die Nullsequenzspannung länger als die voreingestellte Verzögerungszeit den eingestellten Schwellwert überschreitet, wird automatisch der Einführungsspeiser- oder Sammelschienenkupplungsschalter abgeschaltet.

• Koordination mit dem Status des Erdungstransformators: Verknüpfung der Nullsequenzspannungsschutzfunktion mit dem Betriebsstatussignal des Erdungs- und Stationsversorgungstransformators: Wenn der Erdungstransformator normal betrieben wird, arbeitet der Nullsequenzspannungsschutz im Alarmmodus. Wenn der Erdungstransformator außer Betrieb ist, schaltet der Nullsequenzspannungsschutz in den Abschaltmodus um.

• Hinweise zur Umsetzung – Maßnahmen gegen Fehlauslösung: Hinzufügen einer Zeitverzögerung, um Fehlauslösungen durch transiente Störungen zu vermeiden. Verwendung von „UND“-Logikkriterien (z. B. Nullsequenzspannung + Status „Erdungstransformator außer Betrieb“), um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

3.3 Änderung der Steuerschaltung (Hardware-Erweiterung)

• Hinzufügen von verdrahteten Verriegelungsschaltungen zwischen dem Schutzgerät des Erdungs- und Stationsversorgungstransformators und dem Schutzgerät des Einführungsspeiserschalters. Wenn der Erdungstransformator ausfällt, geht das Auslösesignal vom Ausgangsklemmen des Schutzgeräts → löst den Ausgangsklemmen des Einführungsspeiserschutzgeräts aus → löst die Abschaltung des Einführungsspeiserschalters aus.

Während des automatischen Umschaltvorgangs über den Buskoppler, sendet das Busschutzgerät ein Signal, um den Eingangsleitungsautomat auszulösen, und sendet gleichzeitig ein Signal über seinen Verriegelungsausgang → zum Ausgangsterminal des Schutzgeräts des Erdungsstationstransformators → um den Erdtransformator-Automaten auszulösen.

3.4 Implementierung der Vor-Ort-Rückrüstung
Wie in Tabelle 1 dargestellt, erfordern sowohl Option 1 als auch Option 2 die Modifikation und Aktualisierung der Schutzgeräte. Allerdings sind die Hauptunterstationsanlagen des Messe- und Kongresszentrums sowie des Stadions veraltete Anlagen, deren Geräte weit über ihre Garantie hinaus liegen. Die Umsetzung von Option 1 oder Option 2 würde eine Softwareaktualisierung durch den ursprünglichen Hersteller der Schutzgeräte erfordern, was bedeutende personelle und finanzielle Investitionen mit sich bringt. Deshalb haben die Betriebspersonal Option 3 gewählt – die Durchführung von vor-Ort-Modifikationen durch Hinzufügen von Hardwire-Verriegelungsschaltungen.

Wenn der Erdungstransformator aufgrund eines Fehlers ausfällt, muss der Eingangsleitungs-Schutzautomat über eine Verkoppelungsausschaltung abgeschaltet werden. Bei der Prüfung stellte sich heraus, dass die Reserveschaltungen 1, 2 und 3 unbenutzt waren. Nach Beendigung des Zugverkehrs beantragten die Wartungspersonal beim Ausrüstungsdisponenten eine Arbeitsgenehmigung ("Antrag auf Arbeitserlaubnis"). Der Disponent leitete den Lasttransfer gemäß den Betriebsanforderungen durch und genehmigte die Arbeitsgenehmigung, sobald die Bedingungen für die Bauarbeiten geeignet waren.

Für die Verkoppelungsausschaltungsschaltung: Die Reserveschaltung 2 (Klemmen 517/518) auf dem 5# Signalsteckmodul des Schutzgeräts WCB-822C - normalerweise offene Kontakte - wurde in Reihe in eine neu hinzugefügte starre Verkoppelungsschaltung eingeschaltet. Diese Schaltung führte dann zu den normalerweise offenen Klemmen von Ausgang 5 (Klemmen 13/14) auf dem 4# Ausgangssteckmodul des Schutzgeräts WBH-818A für den Eingangsleitungs-Schaltanlagenautomaten. Nach dem Ausgangssignal vom Klemmbrett fiel der Eingangsleitungs-Schutzautomat aus. Die starre Verkabelung wurde zwischen der Erdungstransformator-Schaltanlage und der Eingangsleitungs-Schaltanlage installiert und über einen physischen Druckplattenanschluss in die starre Sperreingangsschaltung integriert. Das Ein- oder Ausschalten dieser harten Druckplatte bestimmt, ob die Sperrfunktion aktiv ist.

Die Änderungspunkte für den anderen Bussektor sind identisch mit den oben genannten. Während der Umrüstung beider Bussektoren wurden abschnittsweise Eingangsleitungen verwendet, um die ununterbrochene Stromversorgung der jeweiligen Versorgungsbereiche sicherzustellen und den Einfluss auf die nachbetriebliche Gerätemaintenance zu minimieren.

Nach Abschluss der Änderungen wurde ein Schutzrelais-Test durchgeführt, um die Funktionalität der Verkoppelungsausschaltung zu überprüfen. Sobald die Normalität bestätigt war, wurde das System direkt in Betrieb genommen.

In Bezug auf die Verkoppelungsausschaltung des Erdungsstationstransformators am entladenen Bus während des automatischen Busschaltvorgangs (BATS): Bei der Prüfung stellte sich heraus, dass die Reserveschaltungen 3 bis 7 unbenutzt waren. Nach Beendigung des Zugverkehrs beantragten die Wartungspersonal beim Ausrüstungsdisponenten eine Arbeitsgenehmigung. Der Disponent leitete den Lastwechsel gemäß den Betriebsanforderungen durch und genehmigte die Arbeitsgenehmigung, sobald die Bedingungen für die Bauarbeiten geeignet waren.

Für die ortsfeste Umrüstung des Erdungsstationstransformators des I. Bussektors: Eine neue starre Schaltung wurde hinzugefügt. Die Reserveschaltung 3 (Klemmen 519/520) auf dem 5# Signalsteckmodul des Schutzgeräts WBT-821C - normalerweise offene Kontakte - wurde in Reihe in die neue starre Schaltung eingeschaltet, die dann zu den normalerweise offenen Klemmen der Reserveschaltung 1 (Klemmen 514/515) auf dem 5# Ausgangssteckmodul des Schutzgeräts WCB-822C in der Erdungsstationstransformator-Schaltanlage des I. Bussektors führte. Nach dem Klemmendrahtausgang fiel der Erdungsstationstransformator-Schutzautomat aus. Die neue starre Schaltung wurde an den Sekundärkastentüren sowohl der Erdungsstationstransformator-Schaltanlage als auch der Busschaltanlage installiert und über einen physischen Druckplattenanschluss in die starre Sperreingangsschaltung integriert. Die Sperrfunktion kann durch Ein- oder Ausschalten der harten Druckplatte aktiviert oder deaktiviert werden.

Für die ortsfeste Umrüstung des Erdungsstationstransformators des II. Bussektors: Eine neue starre Schaltung wurde hinzugefügt. Die Reserveschaltung 4 (Klemmen 311/312) auf dem 3# Erweiterungssteckmodul des Schutzgeräts WBT-821C - normalerweise offene Kontakte - wurde in Reihe in die neue starre Schaltung eingeschaltet, die dann zu den normalerweise offenen Klemmen der Reserveschaltung 1 (Klemmen 514/515) auf dem 5# Ausgangssteckmodul des Schutzgeräts WCB-822C in der Erdungsstationstransformator-Schaltanlage des II. Bussektors führte. Nach dem Klemmendrahtausgang fiel der Erdungsstationstransformator-Schutzautomat aus. Die neue starre Schaltung wurde an den Sekundärkastentüren sowohl der Erdungsstationstransformator-Schaltanlage als auch der Busschaltanlage installiert und über einen physischen Druckplattenanschluss in die starre Sperreingangsschaltung integriert. Die Sperrfunktion kann durch Ein- oder Ausschalten der harten Druckplatte aktiviert oder deaktiviert werden.

Die Änderung des Verkoppelungsausschaltsignals für den Erdungsstationstransformator am entladenen Bus während des automatischen Busschaltvorgangs wurde während des oben beschriebenen Umrüstungsprozesses für den entsprechenden Bussektor abgeschlossen.

4. Schlussfolgerung

Als künstlich eingeführter Neutralpunkt in Stromsystemen mit nicht erdeter Neutralkonfiguration spielt der Erdungstransformator eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung der Systemstabilität und des sicheren Betriebs. Die oben beschriebenen Verbesserungen erhöhen die Systemstabilität erheblich, wenn der Erdungstransformator außer Betrieb genommen wird, und verhindern effektiv Risiken von Überspannungen und Geräteschäden, die durch den Betrieb ohne Erdungspunkt entstehen können. Vor der tatsächlichen Umsetzung muss eine detaillierte Überprüfung basierend auf spezifischen Gerätemodellen und Systemparametern durchgeführt werden.