Beurteilung der Erdschlusslichtbogenlöschung in resonanzsternpunktgeerdeten Verteilnetzen unter besonderer Berücksichtigung der Harmonischen
Final Report Abstract
2.1 Wesentliche Ergebnisse und erzielte Fortschritte gegenüber dem Stand des Wissens Die Vorteile der kompensierten Stempunktbehandlung fiir die Elektroenergieversorgung sind seit vielen Jahren in Deutschland uneingeschränkt anerkannt. Sie wird in den meisten Mittelspannungs- und 110-kV-Netzen eingesetzt. Die grundsätzlichen Untersuchungen für die in der DIN-VDE [29] angegebenen Grenzwerte für den Erdschlussreststrom vmrden bereits 1963 durchgeführt [30]. Die betrieblichen und technischen Entwicklungen haben zu erheblichen Veränderungen in den Mittelspannungsverteilungsnetzen (MS-Verteilungsnetzen) gefuhrt. MS-Verteilungsnetze mit Resonanzstempunkterdung sind in Mitteleuropa weit verbreitet [15]. Der Vorteil dieser MSVerteilungsnetze liegt in dem möglichen Weiterbetrieb im Falle eines einpoligen Erdfehlers. Dies ist begründet durch eine Minimierung des Fehlerstromes an der Fehlerstelle und daraus resultierenden ausreichend geringen Berührungsspaimungen. Darüber hinaus kann durch den geringen Fehlerstrom an der Fehlerstelle ein Erdschlusslichtbogen selbst verlöschen. Dieses Phänomen wird durch die langsam wieder ansteigende Spannung an der Fehlerstelle nach der Löschung des Erdschlusslichtbogens weiter begünstigt. In der DIN-VDE [29] sind maximale Grenzwerte für den Reststrom an der Fehlerstelle in Abhängigkeit der Nermspannimg angegeben. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde hinterfragt, ob diese sehr allgemeine Darstellung der Grenzen fur das Verlöschen des Erdschlusslichtbogens ausreichend ist. Insbesondere ist unklar, ob der Einfluss von Harmonischen auf das Löschverhalten von Erdschlusslichtbögen in der DIN-VDE genügend berücksichtigt ist. Im Berichtszeitraum wurden die signaltheoretischen Verfahren implementiert, um die Signalanteile von messtechnisch erfassten Erdschlusslichtbögen zu bestimmen. Die Frequenzanteile dieser zeitlich sehr kurzen Signale konnten mithilfe der Prony-Methode bestimmt werden [11]. Damit war es möglich, Strom- und Spannungsverläufe von aufgezeichneten Erdschlusslichtbögen detailliert zu bewerten. Durch eine anschließende Gruppierung der Signalanteile wurde eine systematische Auswertung zahlreicher Zeitverläufe möglich. Für die Berechnung der Dämpfung, der Verstimmung und der Unsymmetric von Netzen mit Erdschlusskompensation woirden neue Algorithmen entwickelt, die eine automatisierte effiziente Auswertung von Messungen ermöglichen. Darüber hinaus wurde ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, unsymmetrische Glockenkurven (Resonanzkurven), welche durch systematische Messfehler von Spannungswandler verursacht werden, mathematisch zu bewerten und diese zu korrigieren [1] [13] [10]. Es wurde eine Methode entwickelt, mit begrenztem rechentechnischen Aufwand aus den Harmonischen der Leiter-Erde- bzw. Leiter-Leiter-Sparmungen die zu erwartenden Harmonischen des Erdschlussstromes für einen bestimmten Fehlerort zu bestimmen [6] [7] [12]. Diese Verfahren können gnmdsätzlich auch genutzt werden, um die maximal zu erwartenden harmonischen Stromanteile im Erdschlussreststrom in Abhängigkeit vom Fehlerort abzuschätzen. Diese Verfahren sind damit Grundlage für die Bewertung von Ausbaugrenzen erdschlusskompensiert betriebener Netze, wie dies z. B. in der Dissertation von Obkircher [31] vorgeschlagen wird. In umfangreichen Variantenuntersuchungen wurden die Einflussfaktoren auf das Brenn- bzw. Löschverhalten von Erdschlüsslichtbögen mit Hilfe von Simulationsrechnungen in ATP/EMTP durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse wurden in zahlreichen Veröffentlichungen [8] [9] [14] [16] dokumentiert. Zentrales Element dieser Untersuchungen bildete dabei ein Lichtbogermiodell, das sowohl die Löschung als auch die Wiederzündung des Erdschlusslichtbogens nachbildet. Für die Untersuchung des Brenn- bzw. Löschverhaltens wurden zahlreiche Parameter variiert. Verändert wurden der Zündzeitpunkt, die Verstimmung, die Dämpfung, die Phasenlage der Harmonischen und dies bei jeweils unterschiedlichen Einspeiseorten und Erdschlussorten [15] [8] [9]. Mögliche Sonderzustände des MS-Verteilungsnetzes, z. B. die Ersatzkompensation, wurden untersucht. Mithilfe eines Beispielnetzes koimte gezeigt werden, welchen Einfluss die einzelnen Parameter auf das Brerm- bzw. Löschverhalten von Erdschlusslichtbögen haben. Diese Aussagen koimten teilweise verallgemeinert werden. Sie können somit auf alle MS-Verteilungsnetze mit Resonanzstempunkterdung angewendet werden. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Künftige Arbeiten Die Untersuchungen haben den negativen Einfluss der Harmonischen auf das Löschverhalten von Erdschlusslichtbögen untermauert. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes sollten in zukünftigen Normen berücksichtigt werden. Wie in Abschnitt 3.4 noch ausgeführt, wurde durch das Forschimgsprojekt ein weiterer wichtiger technischer Aspekt von Netzen mit Resonanzstempunkterdung detailliert analysiert. Für die umfassende Beurteilung der Stempunkterdung genügt dies jedoch nicht. Hierfür sind auch wirtschaftliche Gesichtspunkte, Fragen der Spannungs- und Versorgungsqualität und des Netzbetriebes zu berücksichtigen. Die erhaltenen Ergebnisse sollten in ein erweitertes Projekt zur Stempunktbehandlung einfließen. Mögliche Anwendunsen Die entwickelten Signalanalyse- xmd. Messfehlerkorrekturverfahren ermöglichen eine automatisierte, klar strukturierte Auswertung von Erdschlussmessungen. Diese körmen sehr vorteilhaft für Bewertungen von Netzen mit Resonanzstempunkterdung eingesetzt werden. Das in ATP/EMTP implementierte Lichtbogenmodell ist für weitere Untersuchungen, bei entsprechender Adaption auch von stromstarken Fehlem, geeignet. Das Modell ist sehr detailliert beschrieben und damit anderen Forschem bereits zugänglich gemacht worden.
Publications
- Höpfner, S.: Korrektur der Messung von Resonanzkurven und Ortskreisen, Intemationaler ETG-Kongress 2005, Dresden, 14.-16.09.2005
- Höpfner, S.: Untersuchung von Einflüssen auf den Erdschlusslichtbögen. ETG-Fachtagung: Stempunktbehandlung in Verteilungsnetzen - Stand, Herausforderungen, Perspektiven (STE 2009), Dresden/Deutschland, 27.-28.01.2009
- Höpfner, S.; Domagk, M.: Methodical Simulation of Single-Phase-To-Ground Are Faults in Resonant Earthed Networks under Consideration of Harmonics. EEUG Meeting 2008; Cesme/Izmir/Turkey; 22.-24.09.2008
- Höpfner, S.; Schegner, P.: Beitrag zur Beurteilung der Löschung von Erdschlusslichtbögen unter besonderer Berücksichtigung der Harmonischen.; ETG-Kongress 2007
- Höpfner, S.; Schegner, P.: Verfahren zur Korrektur von gemessenen Resonanzkurven und Ortskreisen. Energiewirtschaft ew Jg. 105 (2006), Heft 26, S. 62-66
- Höpfner, S.; Schegner, P.; Banda, M.: Verification of network equivalents for the calculation of harmonics in the residual current by ATP/EMTP simulation. EEUG Meeting 2007, Leon/Spain, 24.-26.09.2007
- Höpfner, S.; Schegner, P.; La Seta, P.: Investigation with ATP/EMTP on the propagation of voltage harmonics and their influence on the unbalanced residual current in MV-networks. EEUG-Meeting 2005, European EMTP-ATP Conference, Warschau/ Polen, 12.-14.09.2005, Session: EMC, Transient, No. C2, Procccedings
- Höpfner, S.; Schegner, P.; Seifert, 0.; Zickler, U.: Modellienmg von frei brennenden Erdschlusslichtbögen. etz, Ausgabe 3/2007, S. 62-67
- La Seta, P; Höpfner, S.; Schegner, P.; Kizilcay, M.i On-line Numerical Fourier Transform Model for ATP-EMTP Applications. EEUG Meeting 2007, Leon/Spain, 24.-26.09.2007
- Schegner, P.; Höpfner, S.; La Seta, P.: Systematic Analysis ofthe Harmonics in Resonant Grounding Systems. 2005 IEEE St. Petersburg PowerTech, St. Petersburg June 2005
