Fehlersuche und -behebung bei Einphasen-Erdschlüssen in 10kV-Niederspannungsleitungen
Feld: Fertigung
China
Eigenschaften und Erkennungseinrichtungen für Einphasen-Erdfehler
1. Eigenschaften von Einphasen-Erdfehlern
- Zentrale Alarmmeldungen:
Die Warnklingel ertönt, und die Anzeigelampe mit der Beschriftung „Erdfehler auf [X] kV-Sammelschiene [Y]“ leuchtet auf. In Systemen mit Petersen-Spule (Löschspule) zur Erdung des Neutralpunkts leuchtet zudem die Anzeigelampe „Petersen-Spule in Betrieb“ auf. - Anzeigen des Isolationsüberwachungs-Voltmeters:
- Die Spannung der fehlerbehafteten Phase sinkt (bei unvollständiger Erdung) oder fällt auf Null (bei direkter Erdung).
- Die Spannungen der beiden anderen Phasen steigen – bei unvollständiger Erdung über die normale Phasenspannung hinaus, bei direkter Erdung bis auf die Leitungsspannung.
- Bei stabiler Erdung bleibt die Voltmeter-Nadel ruhig; bei kontinuierlichen Schwankungen liegt ein intermittierender Fehler vor (Bogen-Erdung).
- In Systemen mit Petersen-Spulen-Erdung:
Ist ein Neutralpunktverschiebungs-Voltmeter installiert, zeigt es bei unvollständiger Erdung einen bestimmten Wert an bzw. erreicht bei direkter Erdung die Phasenspannung. Zudem leuchtet die Erdalarm-Anzeigelampe der Petersen-Spule auf. - Phänomene der Bogen-Erdung:
Die Bogen-Erdung erzeugt Überspannungen, wodurch die Spannungen der nicht fehlerbehafteten Phasen stark ansteigen. Dies kann zu einem Durchbrennen der Hochspannungssicherungen von Spannungswandlern (VTs) führen oder sogar die VTs selbst beschädigen.
2. Unterscheidung echter Erdfehler von Fehlalarmen
- Durchgebrannte Hochspannungssicherung im VT:
Ein Sicherungsdurchbrand in einer VT-Phase kann ein Erdfehlersignal auslösen. Allerdings gilt:- Bei einem tatsächlichen Erdfehler sinkt die Spannung der fehlerbehafteten Phase, während die Spannungen der beiden anderen Phasen steigen; die Leitungsspannung bleibt jedoch unverändert.
- Bei durchgebrannter Sicherung sinkt die Spannung einer Phase, die beiden anderen steigen nicht an, und die Leitungsspannung nimmt ab.
- Transformator-Einspeisung einer unbelasteten Sammelschiene:
Während der Einschaltung kann ein asynchrones Schließen des Leistungsschalters aufgrund kapazitiver Unsymmetrie zur Erde eine Neutralpunktverschiebung und unsymmetrische Dreiphasenspannungen verursachen, was einen Fehlalarm auslöst.
→ Dies tritt ausschließlich während Schaltvorgängen auf. Zeigen Sammelschiene und angeschlossene Geräte keine Auffälligkeiten, handelt es sich um einen Fehlalarm. Die Einspeisung einer Speiseleitung oder eines Stations-Transformators beseitigt in der Regel die Meldung. - Systemunsymmetrie oder falsche Abstimmung der Petersen-Spule:
Während Änderungen der Betriebsart (z. B. Umschalten von Konfigurationen) können Unsymmetrie oder eine falsche Kompensation durch die Petersen-Spule Fehlalarme verursachen.
→ Es ist eine Abstimmung mit der Leitstelle erforderlich: Rückkehr zur ursprünglichen Konfiguration, Abschalten der Petersen-Spule, Einstellung des Stufenschalters und anschließendes Wiedereinschalten sowie erneutes Umschalten der Betriebsart.
→ Ferroresonanz bei der Einspeisung einer unbelasteten Sammelschiene kann ebenfalls Fehlsignale erzeugen. Sofortiges Einspeisen einer Speiseleitung unterbricht die Resonanzbedingungen und beseitigt den Alarm.
3. Erkennungseinrichtungen
Das Isolationsüberwachungssystem besteht typischerweise aus einem dreiphasigen Fünf-Schenkel-Spannungswandler, Spannungsrelais, Signalrelais und Überwachungsinstrumenten.
- Aufbau: Fünf magnetische Schenkel; eine Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen, alle auf den drei mittleren Schenkeln angeordnet.
- Schaltungsanordnung: Ynynd (Primärseite in Sternschaltung, Sekundärseite in Sternschaltung mit Neutralleiter und tertiäre Seite in offener Dreieckschaltung).
Vorteile dieser Schaltungsanordnung:
- Die erste Sekundärwicklung misst sowohl Leitungs- als auch Phasenspannungen.
- Die zweite Sekundärwicklung ist in offener Dreieckschaltung geschaltet, um die Nullsequenzspannung zu erfassen.
Funktionsprinzip:
- Unter normalen Bedingungen sind die dreiphasigen Spannungen symmetrisch; theoretisch liegt an der offenen Dreieckschaltung keine Spannung an.
- Bei einem direkten Einphasen-Erdfehler (z. B. Phase A) tritt eine Nullsequenzspannung im System auf, wodurch eine Spannung an der offenen Dreieckschaltung induziert wird.
- Auch bei nicht-direkter (hochohmiger) Erdung wird an den offenen Enden eine Spannung induziert.
- Sobald diese Spannung den Ansprechwert des Spannungsrelais erreicht, schalten sowohl das Spannungsrelais als auch das Signalrelais ein und lösen akustische und optische Alarme aus.
Die Betreiber nutzen diese Signale sowie die Voltmeter-Anzeigen, um das Auftreten und die betroffene Phase des Erdfehlers zu identifizieren, und melden dies anschließend der Leitstelle.
⚠️ Hinweis: Die Isolationsüberwachungseinrichtung ist für die gesamte Sammelschienenabschnitt gemeinsam ausgelegt.
⚠️ Hinweis: Die Isolationsüberwachungseinrichtung ist für die gesamte Sammelschienenabschnitt gemeinsam ausgelegt.
Ursachen von Einphasen-Erdfehlern
- Abgebrochener Leiter, der zu Boden fällt oder auf einem Querbalken liegt;
- Locker sitzende oder unsachgemäß befestigte Leiter an Isolatoren, wodurch diese auf Querbalken oder Erde fallen;
- Starke Winde, die dazu führen, dass Leiter zu nahe an Gebäude herankommen;
- Abgebrochener Hochspannungsanschlusskabel vom Verteiltransformator;
- Isolationsausfall bei 10-kV-Überspannungsschutzgeräten oder -sicherungen auf Transformatorplattformen;
- Isolationsdurchschlag oder Erdung einer Phase der Hochspannungswicklung des Transformators;
- Überschlag oder Durchschlag am Isolator;
- Isolationsausfall an Zweigleitungs-Sicherungen;
- Abgefallenes Zugseil vom oberen Querbalken an Mehrkreispfosten, das mit unteren Leitern in Kontakt kommt;
- Blitzschläge;
- Baumkontakt;
- Vogelbedingte Störungen;
- Fremdkörper (z. B. Kunststofffolien, Äste);
- Andere zufällige oder unbekannte Ursachen.
Gefahren durch Einphasen-Erdfehler
- Beschädigung von Umspannwerk-Ausrüstung:
Nach einem 10-kV-Erdfehler erfasst der Sammelschienen-VT keinen Strom, entwickelt jedoch eine Nullsequenzspannung und erhöhten Strom in der offenen Dreieckschaltung. Ein längerer Betrieb kann den VT beschädigen.
Zusätzlich können ferroresonante Überspannungen (mehrere Male die Nennspannung) auftreten, die Isolation durchschlagen und zu schwerwiegenden Ausfällen von Großgeräten führen. - Beschädigung von Verteilungsnetzausrüstung:
Intermittierende Bogen-Erdung und Überspannungen können die Isolation durchschlagen und so Kurzschlüsse, ausgebrannte Transformatoren sowie ausgefallene Überspannungsschutzgeräte/Sicherungen verursachen, was möglicherweise zu elektrischen Bränden führen kann. - Bedrohung der regionalen Netzzuverlässigkeit:
Schwere Erdfehler können das lokale Stromnetz destabilisieren und zu Kettenausfällen führen. - Risiko für Menschen und Tiere:
Herabgestürzte Leiter spannen den Boden an und erzeugen Schrittspannungsgefahren. Fußgänger, Linienmonteure (insbesondere bei Nachtpatrouillen) sowie Nutztiere in der Nähe der Fehlerstelle laufen Gefahr, elektrischen Schlag oder tödlichen Stromschlag zu erleiden. - Auswirkungen auf die Versorgungszuverlässigkeit:
- Erfordert manuelle Auswahl der fehlerbehafteten Speiseleitung.
- Nicht-fehlerbehaftete Speiseleitungen werden möglicherweise unnötigerweise beim Fehlersuchen abgeschaltet, wodurch die Versorgung nicht betroffener Kunden unterbrochen wird.
- Fehlerlokalisierung und Reparatur erfordern eine Leitungsabschaltung, insbesondere schwierig während der Getreideanbausaison, schlechten Wetterbedingungen (Wind, Regen, Schnee), in bergigen/waldreichen Gebieten sowie nachts, was zu verlängerten, flächendeckenden Ausfällen führt.
- Leistungsverluste in der Leitung:
Erdfehler verursachen erhebliche Erdstromverluste, was einen direkten Energieverlust darstellt. Vorschriften begrenzen den Betrieb mit Erdfehler üblicherweise auf höchstens 2 Stunden um übermäßige Verluste zu vermeiden. - Quantifizierung des Stromverlusts:
Der durchschnittliche Erdfehlerstrom liegt zwischen 6 und 10 A. Bei typischen 10-kV-Niveaus ergibt dies innerhalb eines Zeitraums von 24 Stunden etwa 34.560 kWh verschwendeter Energie.
Verfahren und Vorgehensweisen zur Behandlung von Einphasen-Erdfehlern
- Automatische Auswahlgeräte für Erdfehler mit kleinem Strom:
Installieren Sie automatische Erdfehler-Leitungsselektionsgeräte in Umspannwerken. Diese arbeiten zusammen mit Nullsequenz-Stromwandlern (ZCTs) an jedem Speiseleitungsanschluss, um die fehlerbehaftete Leitung bereits vor ihrer Trennung genau zu identifizieren. - Systeme zur Erkennung von Einphasen-Erdfehlern:
Moderne Verteilungsnetze setzen Signalinjektoren am Anfang, in der Mitte und am Ende der Speiseleitungen ein. Fehlerindikatoren ermitteln die genaue Fehlerstelle und ermöglichen eine schnelle Reaktion. - Präventivmaßnahmen:
- Führen Sie regelmäßige Leitungspatrouillen durch: Prüfen Sie den Abstand der Leiter zu Bäumen/Gebäuden, Vogelnester auf Masten, die Befestigung der Leiter an Isolatoren, lose Schrauben an Isolatoren/Querbalken/Zugseilen, gebrochene oder ausgefranste Zugseile sowie ungewöhnliche Durchhangbildung der Leiter.
- Führen Sie regelmäßig Isolationsprüfungen an Isolatoren, Zweigleitungs-Sicherungen und Überspannungsschutzgeräten durch; ersetzen Sie defekte Komponenten umgehend.
- Führen Sie routinemäßige Prüfungen an Verteiltrans
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