Arten von Fehlern im Stromnetz

Störungen im Stromnetz: Definition und Klassifikation

Eine Störung im Stromnetz wird definiert als eine Anomalie oder ein Defekt, der den elektrischen Strom von seinem vorgesehenen Flussweg abweichen lässt. Wenn eine Störung auftritt, entstehen ungewöhnliche Betriebsbedingungen, hauptsächlich durch die Reduzierung der Isolationsstärke zwischen Leitern. Diese Verschlechterung der Isolation kann zu schwerwiegenden Schäden an den Komponenten des Stromnetzes, zur Störung der normalen Stromversorgung und zu Sicherheitsrisiken führen.

Störungen im Stromnetz werden hauptsächlich in zwei Haupttypen unterteilt:

• Offener Schaltkreis: Dieser Typ von Störung tritt auf, wenn es einen Bruch oder eine Unterbrechung im elektrischen Schaltkreis gibt, was den normalen Stromfluss verhindert. Er kann durch beschädigte Leiter, lose Verbindungen oder das Ausfallen von elektrischen Komponenten verursacht werden.

• Kurzschluss: Bei einem Kurzschluss gibt es einen ungewollten Weg mit geringem Widerstand zwischen zwei oder mehr Leitern, was zu einem starken Stromfluss führt. Dies kann durch Isolierstoffbrüche, physischen Kontakt zwischen Leitern oder Gerätemängeln verursacht werden.

Die verschiedenen Subtypen und Erscheinungsformen dieser Störungen im Stromnetz sind in dem unten stehenden Bild dargestellt.

Ursachen und Klassifikation von Störungen im Stromnetz

Störungen im Stromnetz können durch eine Vielzahl natürlicher Störungen entstehen. Ereignisse wie Blitzschläge, starke Winde und Erdbeben können alle Störungen auslösen. Blitze, mit ihren intensiven elektrischen Entladungen, können die Isolierung beschädigen und den normalen Stromfluss stören. Starke Winde können Stromleitungen umwerfen oder dazu führen, dass Leiter mit anderen Objekten in Kontakt kommen, während Erdbeben Infrastrukturen verschieben, was zu gebrochenen Leitern und beschädigten elektrischen Komponenten führt.

Störungen können auch das Ergebnis verschiedener Unfälle sein. Zum Beispiel kann der Fall eines Baumes auf Stromleitungen, ein Zusammenstoß eines Fahrzeugs mit einer Tragkonstruktion oder der Absturz eines Flugzeugs in elektrische Infrastrukturen zu Störungen im Stromnetz führen. Diese unvorhergesehenen Ereignisse können direkt Leiter, Isolatoren oder andere wichtige Teile des elektrischen Netzes beschädigen und Störungen verursachen.

1. Offener Schaltkreis

Ein offener Schaltkreis tritt hauptsächlich dann auf, wenn ein oder zwei Leiter ausfallen. Da diese Art von Störung in Serie mit der elektrischen Leitung auftritt, wird sie auch als Serienstörung bezeichnet. Offene Schaltkreise haben einen erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Stromnetzes und führen oft zu Störungen in der Stromversorgung und potenziellen Schäden an angeschlossenen Geräten.

Offene Schaltkreise können weiter in folgende Arten unterteilt werden:

• Offener Leiter: Dies tritt auf, wenn ein einzelner Leiter im elektrischen Schaltkreis bricht oder getrennt wird, was den Stromfluss durch diesen bestimmten Pfad stört.

• Zwei Leiter offen: In diesem Szenario fallen zwei Leiter im System aus, was zu einer stärkeren Störung des elektrischen Flusses führt. Diese Art von Störung kann zu ungleichmäßigen Bedingungen führen und zusätzlichen Druck auf die verbleibenden Systemkomponenten ausüben.

• Drei Leiter offen: Die seltenste und schwerwiegendste Form des offenen Schaltkreises, bei der alle drei Leiter in einem Drehstromsystem ausfallen. Dies führt zu einem vollständigen Verlust der Energieübertragung und kann weitreichende Folgen für das elektrische Netz und die angeschlossenen Lasten haben.

Die verschiedenen Konfigurationen von offenen Schaltkreisen sind in der unten stehenden Abbildung dargestellt, die eine visuelle Darstellung davon bietet, wie sich diese Störungen innerhalb des Stromnetzes manifestieren.

2. Kurzschluss

Ein Kurzschluss tritt auf, wenn Leiter aus unterschiedlichen Phasen innerhalb einer Stromleitung, eines Transformators oder anderer Schaltungselemente miteinander in Kontakt kommen. Diese ungewollte Verbindung führt zu einem starken Stromfluss durch eine oder zwei Phasen des elektrischen Systems. Kurzschlüsse können weiter in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: symmetrische und unsymmetrische Störungen.

Symmetrische Störung

Symmetrische Störungen sind solche, die alle drei Phasen eines elektrischen Systems betreffen. Bemerkenswerterweise bleiben diese Störungen sogar nach dem Störereignis in einem Zustand der Balance. Symmetrische Störungen treten hauptsächlich an den Enden von Generatoren auf. Der Beginn solcher Störungen kann auf verschiedene Faktoren zurückgeführt werden, wie den Widerstand des elektrischen Bogens, der zwischen Leitern während der Störung entsteht, oder die Anwesenheit eines geringen Bodenwiderstands im Erdungssystem.

Symmetrische Störungen werden weiter in zwei deutlich unterscheidbare Typen unterteilt: Phasen-zu-Phasen-zu-Phasen-Störung und dreiphasige Phasen-zu-Erde-Störung.

a. Phasen-zu-Phasen-zu-Phasen-Störung

Phasen-zu-Phasen-zu-Phasen (P-P-P) Störungen zeichnen sich durch ihre ausgeglichene Natur aus. Selbst nach dem Auftreten der Störung behält das elektrische System seine Symmetrie. Obwohl relativ selten, gehören P-P-P-Störungen zu den schwerwiegendsten Arten von Kurzschlüssen. Sie erzeugen die größten Störströme im System, die eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Anforderungen an die Schutzeinrichtungen spielen. Die Fähigkeit von Schutzschaltern, diese extrem starken Ströme sicher und effektiv zu unterbrechen, wird direkt durch die Eigenschaften von P-P-P-Störungen bestimmt, wodurch sie eine Schlüsselrolle in der Planung und dem Schutz von Stromnetzen spielen.

b. P–P–P–E (Dreiphasige Phasen-zu-Erde-Störung)

Eine dreiphasige Phasen-zu-Erde (P–P–P–E) Störung umfasst alle drei Phasen des elektrischen Systems. In diesem Störungsszenario wird eine Verbindung zwischen allen drei Phasen und dem Erdungssystem hergestellt. Obwohl seltener als einige andere Störungsarten, hat die P–P–P–E-Störung eine bedeutende Bedeutung in der Analyse von Stromnetzen. Statistisch betrachtet beträgt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer solchen Störung etwa 2 bis 3 Prozent. Trotz dieser relativ geringen Wahrscheinlichkeit kann, wenn eine P–P–P–E-Störung auftritt, dies zu erheblichen Störströmen und weitreichenden Störungen im Stromnetz führen, wodurch robuste Schutzmaßnahmen und sorgfältige Berücksichtigung in der Systemplanung und -betrieb erforderlich sind.

Unsymmetrische Störung

Eine unsymmetrische Störung ist definiert als eine Bedingung im Stromnetz, die unsymmetrische Ströme erzeugt, bei denen die Magnituden und Phasen der Ströme in den drei Phasen erheblich voneinander abweichen. Diese Art von Störung umfasst in der Regel eine oder zwei Phasen, wie Phasen-zu-Erde (P-E), Phasen-zu-Phasen (P-P) oder Doppelphasen-zu-Erde (P-P-E) Störungen. Als Folge dieser Störungen wird das elektrische System ungleichmäßig, was zu einer Vielzahl von Betriebsproblemen und potenziellen Schäden an Geräten führen kann.

Unsymmetrische Störungen können hauptsächlich in drei deutlich unterscheidbare Typen unterteilt werden:

• Einzelne Phasen-zu-Erde (P–E) Störung

• Phasen-zu-Phasen Störung (P–P)

• Doppelphasen-zu-Erde (P–P–E) Störung

Unter allen Arten von Störungen im Stromnetz sind unsymmetrische Störungen die am häufigsten auftretenden.

1. Einzelne Phasen-zu-Erde (P–E) Störung

Eine einzelne Phasen-zu-Erde Störung tritt auf, wenn einer der Leiter mit dem Boden oder dem Neutralleiter in Kontakt kommt. Diese Art von Störung ist äußerst verbreitet und macht 70-80 Prozent aller Störungen im Stromnetz aus. Ihre hohe Häufigkeit macht sie zu einem kritischen Problem für Betreiber und Ingenieure von Stromnetzen, die wirksame Schutzmaßnahmen implementieren müssen, um deren potenzielle Auswirkungen auf die Systemstabilität und -zuverlässigkeit zu mildern.

3. Doppelphasen-zu-Erde (P–P–E) Störung

Bei einer Doppelphasen-zu-Erde Störung kommen gleichzeitig zwei Leiter miteinander und mit dem Boden in Kontakt. Dieses Störungsszenario schafft einen komplexen elektrischen Pfad, der den normalen Betrieb des Stromnetzes stört. Obwohl seltener als einzelne Phasen-zu-Erde Störungen, stellen Doppelphasen-zu-Erde Störungen dennoch erhebliche Risiken für die Systemstabilität und die Integrität der Ausrüstung dar. Statistisch betrachtet beträgt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Doppelphasen-zu-Erde Störung etwa 10% aller Störungen im Stromnetz. Diese relativ geringe, aber nicht zu vernachlässigende Wahrscheinlichkeit unterstreicht die Notwendigkeit, umfassende Schutz- und Milderungsstrategien in Stromnetzen zu integrieren, um gegen die potenziellen Schäden und Betriebsstörungen, die durch solche Störungen verursacht werden, vorzubeugen.