Vergleichende Untersuchung von Verfahren zur selektiven Erdschlusserfassung

Abstract

Einpolige Fehler werden je nach Sternpunktbehandlung als Erdschluss oder Erdkurzschluss bezeichnet und stellen in Mittel- und Hochspannungsnetzen eine häufige Störung in der elektrischen Energieversorgung dar. Kompensierte oder isolierte Netze können zwar mit einem anstehenden einpoligen Fehler weiterbetrieben werden, jedoch belastet die durch den Fehler auftretende Verlagerungsspannung die vorhandenen Betriebsmittel und erhöht die Gefahr von Doppelerdschlüssen. Deswegen soll auch in solchen Netzen ein Erdschluss möglichst schnell selektiv erfasst und abgeschaltet werden, wofür unterschiedliche Verfahren existieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst ein Überblick über die physikalischen Grundlagen des einpoligen Fehlers im stationären und transienten Bereich sowie seiner Bedeutung im Netzbetrieb gegeben. Zudem erfolgt eine Einführung in die mathematische Transformation der Symmetrischen Komponenten, die Theorie des kompensierten Netzes und die Ausarbeitung grundsätzlich möglicher Erfassungskriterien und ihrer messtechnischen Umsetzung. Die Möglichkeiten zur selektiven Erdschlusserfassung in einem kompensierten Netz werden analytisch beschrieben und in MATLAB entsprechende Relais-Modelle zur Umsetzung der Verfahren entwickelt. Dabei werden das Admittanz-, Erdschlusswischer-, Oberschwingungs-, Pulsortungsund Suchverfahren sowie das Wattmetrische Verfahren betrachtet. Anhand von Berechnungsergebnissen des Softwaretools PSS SINCAL wird die Funktion der Modelle verifiziert und auf mögliche Einschränkungen in einem Modell eines strahlenförmigen Mittelspannungsnetz bei Variation der Fehlerstelle analysiert. Als Szenarien werden der Leerlauf und eine Belastung mittels verteilter Verbraucherlasten untersucht. Wie sich zeigt, ist eine selektive Erdschlusserfassung mithilfe der Verfahren bis auf einige wenige Fehlersituationen grundsätzlich möglich.Wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis haben nicht nur die Parameter der Betriebsmittel und die Netzausdehnung, sondern auch die Fehlerstelle und der Fehlereintrittswinkel. Ein unterschiedliches Detektionsverhalten zwischen Leerlauf und Belastung ist nicht feststellbar. Ein Sammelschienenfehler ist für sämtliche Verfahren insofern problematisch, da es bei diesem zu einem Versagen in der Entscheidungsfindung der Modelle kommt.

Single-phase faults are a common disruption in medium and high voltage grids of electrical energy supply. Depending on the neutral point connection, they are also known as earth fault or earth short circuit. Networks with compensated or isolated neutral points may still be operated while being affected by an earth fault. However, the electrical equipment is stressed by the occurring zero-sequence voltage which increases the danger of double earth faults. Thus, even in those networks a selective detection and shut down of the affected outgoing circuits is to be carried out as soon as possible. As part of this work, an overview of the physical basics of single-phase faults in the stationary and transient area is given. Besides, an introduction to the transformation method of symmetrical components as well as the explanation of a compensated network, possible earth fault detection criteria, and its measuring implementation is given. The possibilities of selective earth fault detection in a compensated network are analytically described. Adequate relay models for the implementation of the admittance method, transient earth fault method, harmonics method, pulse detection method, search method and wattmetrical method are developed in MATLAB. The function of those relay models is verified based on calculations carried out by the software tool PSS SINCAL. Possible restrictions are investigated in a radial medium voltage network model in different scenarios and fault locations. Idle state and a load scenario with distributed loads are examined. As it is shown, selective earth fault detection is possible for any detection method with only a few limited exceptions. The parameters of the electrical equipment and network extent as well as the fault location and fault angle have a substantial effect on the results. Different detection behaviour between idle state and the load scenario is not ascertainable. A fault on the busbar is problematic for every method.