Einfluss lokaler, frequenzabhängiger Netz- und Erdungsimpedanzen auf die Stromverteilung im Erdreich und Erdungssystem

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521916793

Die Sternpunktbehandlung in Verbindung mit der Auslegung von Erdungsanlagen ist ein wesentlicher Bestandteil der Maßnahmen zur Einhaltung der Personensicherheit bei Betrieb und Planung elektrotechnischer Anlagen und Netze. Sie wirkt sich insbesondere in den Mittel- und Hochspannungsnetzen auf deren Dimensionierung aus. Die Einhaltung der normativen Forderungen bei Auftreten von Erdfehlerströmen und der dabei auftretenden Berührungsspannungen ist dabei obligatorisch. Die dominierende Sternpunktbehandlung in Stromnetzen mit Nennspannungen bis einschließlich 110 kV ist die Resonanz-Sternpunkterdung (RESPE). Vorteil dieser Sternpunktbehandlung sind sehr geringe Erdschluss-(Rest)ströme und damit verbunden geringe Berührungsspannungen im Fehlerfall. Messungen der letzten Jahre zeigen, dass oft hohe Anteile harmonischer Ströme den Erdschluss-Reststrom dominieren. Dies führt zu kontrovers geführten Diskussionen über den Einfluss harmonischer Ströme auf die Auslegung der Erdungsanlagen. Die Maßnahmen des derzeitigen normativen Standards beziehen sich stets auf Effektivwerte und sind in Bezug auf die Netz-Nennfrequenz (50 Hz) formuliert. Der differenzierte Umgang mit Anteilen höherer Frequenz ist nicht definiert. Die Berücksichtigung dieser erfordert zusätzliche Maßnahmen und lässt unzulässige Berührungsspannungen erwarten. Bei Kenntnis der frequenzabhängigen Stromaufteilung im Erdungssystem ist es gegebenenfalls möglich, harmonische Anteile am potenzialanhebenden Strom zu vernachlässigen. Damit wird der Aufwand zur Einhaltung der Berührungsspannung deutlich reduziert. Im Rahmen des Forschungsprojektes wird die frequenzabhängige Stromverteilung im Erdungssystem untersucht. Auf Grundlage von Messungen in Verteilnetzen bis einschließlich 110 kV wird ein Modell zur Beschreibung der lokal verteilten, frequenzabhängigen Impedanzen und der wirksamen Stromschleifen im Falle eines Erdfehlers entwickelt. Die frequenzabhängige Stromverteilung im Erdreich und Erdungssystem wird grundlegend beschrieben. Durch die Entwicklung mathematischer Verfahren zur Abbildung dieser Stromverteilung werden resultierende Reduktionsfaktoren für den Erdungsstrom und Erdungsspannungen berechnet. Eine Worst-Case-Betrachtung für jegliche Verteilnetzkonfigurationen wird abgeleitet. Die Hochschule Zittau/Görlitz ist sehr mehreren Jahren in die Facharbeit der Gremien federführend eingebunden. Die Professur für Elektrische Energiesysteme besitzt viele Jahre Erfahrung auf dem Forschungsgebiet. Zahlreiche Veröffentlichung belegen die notwendige Expertise. Die Untersuchungen liefern wertvolle Ergebnisse zur dedizierten Betrachtung von Harmonischen im Erdfehlerstrom, speziell im Erdschluss-Reststrom bei RESPE, und der Beschreibung der potenzialanhebenden Wirkung dieser an geerdeten Betriebsmitteln in verschiedenen Netzkonstellationen. Auf wissenschaftlicher Grundlage werden quantitative Kriterien zur Bewertung bestehender Erdungsmaßnahmen und flächenhaften Erdungssystemen geliefert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen