Arten der neutralen Erdung in der Energieverteilung (Teil 2)

Aderfarben - Bedeutung der einzelnen Leiterfarben (Kann 2019).

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3. Widerstand geerdete Systeme

Widerstandserdung wird seit vielen Jahren in dreiphasigen industriellen Anwendungen verwendet und löst viele der Probleme, die mit fest geerdeten und nicht geerdeten Systemen verbunden sind. Resistance Grounding Systems begrenzt die Fehlerströme von Phase zu Erde.

Niederspannungsschaltanlage - Energieverteilung (von MEC Electrical Engineering)

Fortsetzung von Arten der Neutralerdung in der Energieverteilung (Teil 1)

Die Hauptgründe für die Begrenzung der Phase auf Erdschlussstrom durch Widerstandserdung sind:

  1. Zur Reduzierung von Brenn- und Schmelzwirkungen in fehlerhaften elektrischen Geräten wie Schaltanlagen, Transformatoren, Kabeln und rotierenden Maschinen.
  2. Zur Reduzierung mechanischer Spannungen in Stromkreisen / Geräten mit Fehlerströmen.
  3. Zur Reduzierung von Stromschlaggefahren für Personen durch Erdfehler.
  4. Um die Gefahr von Lichtbogen oder Blitz zu reduzieren.
  5. Um den momentanen Spannungsabfall zu reduzieren.
  6. Zur gleichzeitigen Kontrolle der transienten Überspannungen.
  7. Zur besseren Erkennung des Erdschlusses in einem Energiesystem.

Erdungswiderstände werden in der Regel zwischen Masse und Neutralleiter von Transformatoren, Generatoren und Erdungstransformatoren angeschlossen , um den maximalen Fehlerstrom gemäß dem Ohmschen Gesetz auf einen Wert zu begrenzen, der die Ausrüstung im Stromsystem nicht beschädigt und einen ausreichenden Fehlerstromfluss zur Erkennung und zum Betrieb der Erde ermöglicht Schutzrelais, um den Fehler zu beheben. Obwohl es möglich ist, Fehlerströme mit hochohmigen Neutralleiter-Widerständen zu begrenzen, können Erdkurzschlussströme extrem reduziert werden.

Aufgrund dieser Tatsache können Schutzvorrichtungen den Fehler nicht erkennen.

Daher ist es die gebräuchlichste Anwendung, einphasige Fehlerströme mit niederohmigen Neutral-Erdungswiderständen auf ungefähr Nennstrom von Transformator und / oder Generator zu begrenzen.

Zusätzlich erlaubt das Begrenzen von Fehlerströmen auf vorbestimmte Maximalwerte dem Entwickler, den Betrieb von Schutzvorrichtungen selektiv zu koordinieren, was eine Systemstörung minimiert und eine schnelle Lokalisierung des Fehlers ermöglicht.

Es gibt zwei Kategorien von Widerstandserdung:

  1. Niedriger Widerstand Erdung
  2. Hoher Widerstand Erdung

Der Erdfehlerstrom, der durch einen der beiden Widerstandstypen fließt, wenn ein einphasiger Fehler gegen Erde auftritt, erhöht die Phase-Erde-Spannung der verbleibenden zwei Phasen. Daher müssen die Leiterisolierung und die Überspannungsableiter-Nennwerte auf der Außenleiterspannung basieren . Dieser vorübergehende Anstieg der Leiter-Erde-Spannung sollte auch berücksichtigt werden, wenn zwei- und dreipolige Schalter ausgewählt werden, die an niederohmigen Niederspannungssystemen installiert sind.

Die Zunahme der Leiter-Erde-Spannung in Verbindung mit Erdfehlerströmen schließt auch die direkte Verbindung von Leiter-zu-Neutrallast mit dem System aus. Wenn Netz- / Neutrallasten (z. B. 277 V-Beleuchtung) vorhanden sind, müssen diese von einem fest geerdeten System versorgt werden. Dies kann mit einem Isolationstransformator erreicht werden, der eine Dreiphasen-Delta-Primärwicklung und eine Dreiphasen-Vierdraht-Sekundärwicklung aufweist.

Widerstand neutrale Erdung

Keines dieser Erdungssysteme (niedriger oder hoher Widerstand) verringert die Gefahr von Lichtbogenblitzen, die mit Phase-zu-Phase-Fehlern verbunden sind, aber beide Systeme reduzieren oder eliminieren wesentlich die Lichtbogenblitzgefahren, die mit Phasenfehlern verbunden sind. Beide Arten von Erdungssystemen begrenzen mechanische Spannungen und verringern thermische Schäden an elektrischen Geräten, Schaltungen und Geräten, die einen fehlerhaften Strom führen.

Der Unterschied zwischen Erdung mit niedrigem Widerstand und Erdung mit hohem Widerstand ist eine Frage der Wahrnehmung und daher nicht genau definiert. Im Allgemeinen bezieht sich die Hochwiderstandserdung auf ein System, in dem der NGR-Durchlassstrom weniger als 50 bis 100 A beträgt . Eine niederohmige Erdung zeigt an, dass der NGR-Strom über 100 A liegt.

Eine bessere Unterscheidung zwischen den zwei Ebenen könnte nur Alarm und Auslösen sein. Ein Nur-Alarm-System arbeitet für einen unbestimmten Zeitraum mit einem einzelnen Erdschluss am System weiter. In einem Auslösesystem wird ein Erdfehler automatisch durch Schutzrelais und Stromkreisunterbrecher entfernt. Nur-Alarm-Systeme begrenzen den NGR-Strom normalerweise auf 10 A oder weniger.

Bewertung von The Neutral Erdungswiderstand:

  1. Spannung : Netzspannung des Systems, mit dem es verbunden ist.
  2. Anfangsstrom : Der Anfangsstrom, der durch den Widerstand mit angelegter Nennspannung fließt.
  3. Zeit : Die "Einschaltzeit", für die der Widerstand arbeiten kann, ohne den zulässigen Temperaturanstieg zu überschreiten.

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A. Geringer Widerstand geerdet

Erdung mit niedrigem Widerstand wird für große elektrische Systeme verwendet, bei denen hohe Investitionen in Betriebsmittel oder längere Betriebsunterbrechungen von Betriebsmitteln erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen haben und in Niederspannungssystemen nicht üblich sind, da der begrenzte Erdfehlerstrom zu niedrig ist Schalterauslöser oder Sicherungen zuverlässig betätigen. Dies macht eine Systemselektivität schwierig zu erreichen. Darüber hinaus sind niederohmig geerdete Systeme nicht für 4-Draht-Lasten geeignet und wurden daher in kommerziellen Marktanwendungen nicht verwendet.

Ein Widerstand ist vom Systemnullpunkt zur Erde verbunden und im Allgemeinen so dimensioniert, dass nur ein Erdfehlerstrom von 200 bis 1200 Ampere fließen kann. Es muss genügend Strom fließen, damit Schutzvorrichtungen den fehlerhaften Stromkreis erkennen und ihn offline auslösen können, jedoch nicht so stark, dass am Fehlerpunkt ein größerer Schaden entsteht.

Niedriger Widerstand geerdet

Da die Erdungsimpedanz in Form eines Widerstandes vorliegt, werden transiente Überspannungen schnell gedämpft und das gesamte transiente Überspannungsphänomen ist nicht länger anwendbar. Obwohl es theoretisch möglich ist, in Niederspannungssystemen (z. B. 480 V) angewendet zu werden, fällt ein beträchtlicher Teil der Systemspannung über den Erdungswiderstand ab. Es gibt nicht genügend Spannung über den Lichtbogen, um Strom fließen zu lassen, damit der Fehler zuverlässig erkannt wird.

Aus diesem Grund wird eine niederohmige Erdung für Niederspannungssysteme (unter 1000 Volt Leitung zu Leitung) nicht verwendet.

Vorteile

  1. Begrenzt die Leiter-Erde-Ströme auf 200-400A.
  2. Reduziert den Lichtbogenstrom und begrenzt bis zu einem gewissen Grad die Gefahr von Lichtbogenblitzen, die nur mit den Bedingungen von Phase-zu-Erde-Lichtbögen verbunden sind.
  3. Kann die mechanischen Schäden und thermischen Schäden an kurzgeschlossenen Transformatoren und rotierenden Maschinenwicklungen begrenzen.

Nachteile:

  1. Verhindert nicht den Betrieb von Überstromgeräten.
  2. Benötigt kein Erdschlusserkennungssystem.
  3. Kann auf Mittel- oder Hochspannungssystemen verwendet werden.
  4. Leiterisolierungen und Überspannungsableiter müssen auf der Grundlage der Netzspannung bemessen werden. Phase-Neutral-Lasten müssen über einen Trenntransformator versorgt werden.
  5. Gebraucht: Bis zu 400 Ampere für 10 Sek. Sind häufig auf Mittelspannungsanlagen zu finden.

B. Hoher Widerstand geerdet

Die Erdung mit hohem Widerstand ist fast identisch mit der Erdung mit niedrigem Widerstand, außer dass die Erdfehlerstromstärke typischerweise auf 10 Ampere oder weniger begrenzt ist . Hochohmige Erdung erreicht zwei Dinge.

Die erste ist, dass die Erdfehlerstromstärke ausreichend niedrig ist, so dass am Fehlerpunkt kein nennenswerter Schaden entsteht. Dies bedeutet, dass der gestörte Schaltkreis nicht abgeschaltet werden muss, wenn der Fehler zuerst auftritt. Bedeutet, dass sobald ein Fehler auftritt, wir nicht wissen, wo sich der Fehler befindet. In dieser Hinsicht funktioniert es genau wie ein nicht geerdetes System.

Der zweite Punkt ist, dass das transiente Überspannungsphänomen, das auf nicht geerdeten Systemen vorhanden ist, gesteuert werden kann, wenn es richtig ausgeführt wird.

Unter Erdschlussbedingungen muss der Widerstand über die Systemladekapazität dominieren, jedoch nicht bis zu dem Punkt, dass ein übermäßiger Strom fließen kann, wodurch der kontinuierliche Betrieb ausgeschlossen wird.

Hoher Widerstand geerdet

High-Resistance-Grounding-Systeme (HRG) begrenzen den Fehlerstrom, wenn eine Phase des Systems kurzgeschlossen oder gegen Masse geschaltet wird, jedoch auf einem niedrigeren Niveau als Systeme mit niedrigem Widerstand.

Für den Fall, dass ein Erdschluss vorliegt, begrenzt der HRG den Strom typischerweise auf 5-10A.

HRGs sind kontinuierlich mit Strom bewertet, so dass die Beschreibung einer bestimmten Einheit keine Zeitbewertung enthält. Im Gegensatz zu NGRs ist der Erdfehlerstrom, der durch ein HRG fließt, normalerweise nicht von signifikanter Größe, um den Betrieb einer Überstromvorrichtung zu bewirken. Da der Erdschlussstrom nicht unterbrochen wird, muss ein Erdschlusserkennungssystem installiert werden.

Diese Systeme enthalten einen Überbrückungsschütz, der über einen Teil des Widerstands abgegriffen wird, der pulsiert (periodisch öffnet und schließt). Wenn das Schütz offen ist, fließt Erdschlussstrom durch den gesamten Widerstand. Wenn das Schütz geschlossen ist, wird ein Teil des Widerstands überbrückt, was zu einem etwas niedrigeren Widerstand und einem etwas höheren Erdschlussstrom führt.

Um transiente Überspannungen zu vermeiden, muss ein HRG-Widerstand so dimensioniert sein, dass der Betrag des Erdschlussstroms, den das Gerät fließen lässt, den Ladestrom des elektrischen Systems übersteigt. Als Faustregel gilt, dass der Ladestrom bei Niederspannungssystemen mit 1 A pro 2000 KVA Systemkapazität und bei 4, 16 kV mit 2A pro 2000 KVA Systemkapazität geschätzt wird.

Diese geschätzten Ladeströme erhöhen sich, wenn Überspannungsschutzvorrichtungen vorhanden sind. Jeder Satz von Entstöreinrichtungen, die in einem Niederspannungssystem installiert sind, führt zu einem zusätzlichen Ladestrom von ungefähr 0, 5 A, und jeder Satz von Entstöreinrichtungen, die in einem 4, 16 kV-System installiert sind, fügt 1, 5 A zusätzlichen Ladestrom hinzu.

Ein System mit einer Kapazität von 3000 KVA bei 480 Volt würde einen geschätzten Ladestrom von 1, 5 A haben. Fügen Sie einen Satz Überspannungsschutzgeräte hinzu, und der gesamte Ladestrom steigt um 0, 5 A bis 2, 0 A. Ein Standard-5A-Widerstand könnte bei diesem System verwendet werden. Die meisten Widerstandshersteller veröffentlichen detaillierte Schätztabellen, die verwendet werden können, um den Ladestrom eines elektrischen Systems genauer zu schätzen.

Vorteile

  1. Ermöglicht hochohmige Fehlererkennung in Systemen mit schwacher kapazitiver Verbindung zur Erde
  2. Einige Phase-zu-Erde-Fehler werden selbst gelöscht.
  3. Der Neutralpunktwiderstand kann gewählt werden, um die möglichen Überspannungstransienten auf das 2, 5-fache der Grundfrequenzmaximalspannung zu begrenzen.
  4. Begrenzt die Leiter-Erde-Ströme auf 5-10A.
  5. Reduziert den Lichtbogenstrom und eliminiert im Wesentlichen Lichtbogenblitzgefahren, die nur mit den Bedingungen von Phase-zu-Erde-Lichtbögen verbunden sind.
  6. Eliminiert den mechanischen Schaden und kann thermische Schäden an kurzgeschlossenen Transformator- und rotierenden Maschinenwicklungen begrenzen.
  7. Verhindert den Betrieb von Überstromgeräten, bis der Fehler gefunden werden kann (wenn nur eine Phase gegen Erde defekt ist).
  8. Kann für Niederspannungssysteme oder Mittelspannungssysteme bis 5 kV verwendet werden. Der IEEE-Standard 141-1993 besagt, dass "hochohmige Erdung auf Systeme mit 5 kV oder niedriger mit Ladeströmen von etwa 5, 5 A oder weniger beschränkt sein sollte und nicht bei 15-kV-Systemen versucht werden sollte, sofern keine ordnungsgemäße Erdungsweiterleitung verwendet wird".
  9. Leiterisolierungen und Überspannungsableiter müssen auf der Grundlage der Netzspannung bemessen werden. Phase-Neutral-Lasten müssen über einen Trenntransformator versorgt werden.

Nachteile

  1. Erzeugt ausgedehnte Erdfehlerströme, wenn er mit starker oder mäßiger kapazitiver Verbindung zur Erde kombiniert wird.
  2. Benötigt ein Erdschlusserkennungssystem, um den Anlagenbauer darüber zu informieren, dass ein Erdschluss vorliegt.

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4. Resonant geerdetes System

Die Hinzufügung einer induktiven Reaktanz von dem Systemneutralpunkt zu Masse ist eine einfache Methode zur Begrenzung des verfügbaren Erdschlusses von etwas in der Nähe der maximalen 3-phasigen Kurzschlusskapazität (Tausende von Ampere) auf einen relativ niedrigen Wert (200 bis 800 Ampere).

Um den reaktiven Anteil des Erdkurzschlussstromes in einem Netz zu begrenzen, kann zwischen dem Neutralleiter des Trafos und dem Erdungssystem der Station eine Sternpunktdrossel angeschlossen werden.

Ein System, bei dem mindestens einer der Neutralen über eine Erdung mit Erde verbunden ist

  1. Induktive Reaktanz.
  2. Petersenspule / Lichtbogenunterdrückungsspule / Erdschlussneutralisierer.

Der durch die Reaktanz während eines Erdschlusses erzeugte Strom kompensiert annähernd die kapazitive Komponente des einphasigen Erdfehlerstroms, der als resonant geerdetes System bezeichnet wird.

Das System wird fast nie exakt abgestimmt, dh der Blindstrom ist nicht exakt gleich dem kapazitiven Erdschlussstrom des Systems.

Ein System, bei dem der induktive Strom geringfügig größer ist als der kapazitive Erdfehlerstrom, ist überkompensiert. Ein System, bei dem der induzierte Erdfehlerstrom etwas kleiner als der kapazitive Erdfehlerstrom ist, ist unterkompensiert.

Resonanzneutrale Erdung

Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass diese induktive Reaktanz gegen Erde mit der System-Nebenschlusskapazität gegen Erde unter Lichtbogen-Erdfehlerbedingungen in Resonanz gerät und sehr hohe transiente Überspannungen im System erzeugt. Um die transienten Überspannungen zu steuern, muss das Design zulassen, dass mindestens 60% des 3-phasigen Kurzschlussstroms unterirdischen Fehlerbedingungen unterliegen.

Beispiel - Ein Erdungsreaktor mit 6000 Ampere für ein System mit einer 3-phasigen Kurzschlusskapazität von 10.000 Ampere steht zur Verfügung. Aufgrund der hohen Größe des Erdfehlerstroms, der erforderlich ist, um transiente Überspannungen zu steuern, wird die induktive Erdung in der Industrie selten verwendet.

Petersen Spulen

Eine Petersen-Spule ist zwischen dem Sternpunkt des Systems und der Erde angeschlossen und ist so ausgelegt, dass der kapazitive Strom im Erdschluss durch einen induktiven Strom kompensiert wird, der von der Petersen-Spule geleitet wird . Ein kleiner Reststrom bleibt bestehen, aber dieser ist so klein, dass ein Lichtbogen zwischen der fehlerhaften Phase und der Erde nicht aufrechterhalten wird und der Fehler erlischt. Geringfügige Erdfehler wie ein gebrochener Stiftisolator können am System gehalten werden, ohne dass die Versorgung unterbrochen wird. Vorübergehende Fehler würden nicht zu Versorgungsunterbrechungen führen.

Obwohl die Standard-Peterson-Spule den gesamten Erdfehlerstrom in einem Netz aufgrund von Widerstandsverlusten in den Leitungen und der Spule nicht kompensiert, ist es nun möglich, eine "Reststromkompensation" durch Einleiten von zusätzlichen 180 ° aus zu implementieren Phasenstrom in den Neutralleiter über die Peterson-Spule. Der Fehlerstrom wird dadurch auf praktisch Null reduziert. Solche Systeme werden als "resonante Erdung mit Restkompensation" bezeichnet und können als ein Sonderfall der reaktiven Erdung angesehen werden.

Resonanzerdung kann EPR auf ein sicheres Niveau reduzieren. Dies liegt daran, dass die Petersen-Spule oft effektiv als hochohmiger NER fungieren kann, wodurch Erdschlussströme und damit auch entsprechende EPR-Gefährdungen (zB Berührungsspannungen, Schrittspannungen und übertragene Spannungen, einschließlich EPR-Gefahren in der Umgebung) erheblich reduziert werden Telekommunikationsnetze).

Vorteile

  1. Geringer reaktiver Erdschlussstrom unabhängig von der Kapazität der Phase zu Erde des Systems.
  2. Ermöglicht eine hochohmige Fehlererkennung.

Nachteile

  1. Gefahr von ausgedehnten aktiven Erdfehlerverlusten.
  2. Hohe Kosten verbunden.

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5. Erdungstransformatoren

Für Fälle, in denen kein Nullpunkt für die Neutralleiter-Erdung verfügbar ist (z. B. für eine Dreieckwicklung), kann ein Erdungstransformator verwendet werden, um einen Rückweg für einphasige Fehlerströme bereitzustellen.

Erdungstransformatoren

In solchen Fällen kann die Impedanz des Erdungstransformators ausreichen, um als effektive Erdungsimpedanz zu wirken. Eine zusätzliche Impedanz kann bei Bedarf in Reihe hinzugefügt werden. Ein spezieller "Zick-Zack" -Transformator wird manchmal zum Erden von Delta-Wicklungen verwendet, um eine niedrige Nullimpedanz und eine hohe positive und negative Folgeimpedanz für Fehlerströme bereitzustellen.

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Fazit

Widerstandserdungssysteme haben viele Vorteile gegenüber fest geerdeten Systemen, einschließlich der Reduzierung von Störlichtbögen, Begrenzung mechanischer und thermischer Schäden, die mit Fehlern verbunden sind, und Steuerung transienter Überspannungen.

Es können auch Erdungssysteme mit hohem Widerstand verwendet werden, um die Kontinuität des Betriebs aufrechtzuerhalten und die Lokalisierung der Fehlerquelle zu unterstützen.

Beim Entwurf eines Systems mit Widerständen muss der Entwurfs- / beratende Ingenieur die spezifischen Anforderungen für Leiterisolierungen, Überspannungsableiter-Nennleistungen, Leistungseinstufungen für Schutzschalter und Verfahren zur Versorgung von Phase-zu-Neutralleiter berücksichtigen.

Vergleich des neutralen Erdungssystems

BedingungNicht geerdetFest geerdetGeringer Widerstand geerdetHoher Widerstand geerdetReaktanz-Erdung
Störfestigkeit gegen transiente ÜberspannungenSchlechterGutGutBesteBeste
73% Anstieg der Spannungsbelastung im Fehlerzustand zwischen Leitung und MasseArmBesteGutArm
Ausrüstung geschütztSchlechterArmBesserBesteBeste
Sicherheit für das PersonalSchlechterBesserGutBesteBeste
Service ZuverlässigkeitSchlechterGutBesserBesteBeste
WartungskostenSchlechterGutBesserBesteBeste
Einfache Lokalisierung des ersten ErdschlussesSchlechterGutBesserBesteBeste
Erlaubt Designer, CoordinateProtective Devices zu koordinierenNicht möglichGutBesserBesteBeste
Reduzierung der Häufigkeit von FehlernSchlechterBesserGutBesteBeste
LichtabweiserUngeerdetneutralGeerdeter NeutraltypUngeerdetneutralUngeerdetneutralUngeerdetneutral
Strom für Phase-Erde-Fehler in Prozent des dreiphasigen FehlerstromsWeniger als 1%Variiert, kann 100% oder größer sein5 bis 20%Weniger als 1%5 bis 25%

Referenz:

  • Von Michael D. Seal, leitender Spezifikationsingenieur für PE, GE.
  • IEEE-Standard 141-1993, "Empfohlene Praxis für die elektrische Energieverteilung für Industrieanlagen"
  • Don Selkirk, P. Eng, Saskatoon, Saskatchewan Kanada

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