ERZlich Willkommen, liebe Freunde der Schutz-, Leit- und Elektrotechnik. Heute zeigen wir Euch einen elementaren Sachverhalt in niederohmig geerdeten Netzen mit Sternpunktbildner, den die Meisten nicht auf dem Schirm haben dürften, aber besser kennen sollten.
Viel Spaß, beim Sehen oder lesen,
Euer SCHUTZTECHNIK-TEAM
Der teuerste Fehler im NOSPE-Netz - Richtig schützen oder Kernschrott riskieren.
Die niederohmige Sternpunkterdung kurz NOSPE genannt, kann in unterschiedlichen Ausführungen realisiert werden. Die erste und einfachste Variante ist es, den NOSPE-Widerstand direkt über einen vorhandenen Sternpunkt des Netzes mit Erde zu verbinden. Vorraussetzung hier, es muss natürlich ein Sternpunkt vorhanden sein. Wenn das nicht der Fall ist, muss ein Sternpunktbildner her.
Dieser kann entweder direkt hinter der Dreiecksseite des Trafos, z.B. an eine Stromschiene angeschlossen werden, wie hier im Bild zu sehen, oder er wird an das Feld einer Mittelspannungsschaltanlage angeschaltet.
Und damit sind wir auch schon bei der weitaus kompliziertesten Variante hinsichtlich der Schutzkonzeption, nämlich bei der NOSPE-Bildung via Sternpunktbildner im Mittelspannungs-Abgang. Unser heutiges Beispielnetz sieht dabei wie folgt aus:
Wir sehen hier eine Einspeisung, einen Sternpunktbildner mit NOSPE-Widerstand im ersten Abgang und zwei weitere Abgänge. Stellen wir uns nun vor, wir sollen für diese Anlage ein Schutzkonzept erstellen.
Wir würden also in der Einspeisung und im Abgang Stromwandler und Schutzgeräte einfügen:
Das Erste, was wir uns bei dieser Netztopologie klarmachen müssen ist, dass ein Verlust des Sternpunktbildners zur Änderung der Netzform führt. Für alle bei denen dieser Satz jetzt noch nicht richtig eingerastet ist, nochmal langsam: Durch die zugeschaltete Kombination aus Sternpunktbildner und geerdetem NOSPE-Widerstand haben wir aus einem ursprünglich isolierten Mittelspannungsnetz ein niederohmig geerdetes Mittelspannungsnetz gemacht. Wir können also durch Ein- und Ausschalten des NOSPE-Abganges permanent zwischen einem wirksam geerdeten und einem nicht wirksam geerdeten Mittelspannungsnetz umschalten. Da wir unser Netz niederohmig geerdet betreiben wollen heißt das aber auch, dass wir in ein isoliertes Netz zurückkippen, sobald wir den Sternpunktbildner verlieren bzw. wenn dieser abgeschaltet werden sollte. Daher ist es von großem Interesse, diesen Abgang so lange wie möglich am Netz zu behalten.
Der zweite entscheidene Punkt, den wir uns vor Augen führen müssen, ist es zu verstehen, für welche Fehlerarten dieses Szenario überhaupt Auswirkungen hat.
In dieser Abbildung sehen wir die Zerlegung unserer drei typischen Fehlerarten in symmetrische Komponenten, also den 3-poligen, den 2-poligen und den 1-poligen Kurzschluss:
Dabei stellen wir fest: Nur der einpolige Kurzschluss hat ein Nullsystem. Der dreipolige symmetrische Kurzschluss hat ein Mitsystem, der zweipolige Kurzschluss besteht aus Mit- und Gegensystem und wirklich nur der einpolige Kurzschluss hat Mit-, Gegen- und Nullsystem und ist damit von der Art der Sternpunkterdung abhängig. Das heißt konkret und für die praktische Umsetzung unserer Schutzkonzeptes, dass wir für die Leiterstromanregungen, welche für 2- und 3-polige Fehler projektiert werden, keine Rücksicht auf die Art der Sternpunkterdung des Netzes nehmen müssen. Der Kurzschlussschutz wird hier mit unserem bekannten Konzepten realisiert, also z.B. UMZ-Schutz zeitlich gestaffelt und gern zur schnelleren Auslösung bei Sammelschienenfehlern mit einer rückwärtigen Verriegelung durch die Abgangsanregungen für die Phasenstromstufen in der Einspeisung.
Wirklich konzeptionell spannend wird es jetzt aber bezüglich unserer Erdkurzschlussstufen. Hier wollen wir es genau wissen und ich zeige Euch jetzt einen Zusammenhang, den kaum Jemand auf dem Schirm hat.
Gehen wir davon aus, dass wir in der Einspeisung und den Abgängen den 3-fachen Nullstrom mittels Kabelumbauwandler oder Holmgreenschaltung erfassen. Die Anregung der Erdfehlerstufe ist einheitlich mit 200 A projektiert und in den Abgängen haben wir eine zeitliche Verzögerung von 900 ms um selektiv für unterlagerte Schutzeinrichtungen zu bleiben.
Um eine schnelle Fehlerklärung bei einem Kurzschluss auf der Sammelschiene zu erzielen, haben wir in der Einspeisung eine wesentlich kürzere Verzögerung von 100 ms gewählt. Wir fügen der Erdkurzschlussstufe in der Einspeisung eine Rückwärtige Verriegelung hinzu:
Und schon ist das ganze System wieder selektiv, so könnte man meinen, denn was jetzt noch fehlt, ist eine weitere Verriegelung der Erdkurzschlussstufe des NOSPE-Abganges bei einem Erdfehler in den MS-Abgängen.
Dadurch wird sichergestellt, das die NOSPE nicht mit rausfliegt, wenn sich ein Kurzschluss in einem der Abgänge ereignet. Damit erhalten wir ein so richtig schönes selektives Schutzkonzept und alles funktioniert perfekt. So könnte man meinen. Schauen wir uns an, ob unser Konzept wirklich so selektiv ist wie es scheint.
Dazu schauen wir uns zunächst einen einpoligen Kurzschluss in einem der Abgänge an. Wir haben den Fehler hier auf dem Abgang rechts im Bild platziert:
Wie wir sehen, regen die Erdkurzschlussstufen in beiden Abgängen an, sowohl im NOSPE-Abgang, also auch im fehlerbehafteten Abgang. Da die Anregung des fehlerbehafteten Abganges sowohl die NOSPE als auch die Einspeisung erfolgreich blockiert, würde der Schutz des Abganges nach 900 ms selektiv auslösen und sowohl die Einspeisung als auch der NOSPE-Abgang und damit die Sternpunkterdung des Netzes bleiben verfügbar.
Jetzt setzen wir den einpoligen Kurzschluss auf die Sammelschiene.
Die Theorie nach Lehrbuch geht nun wie folgt:
Die Stufen der Erdkurzschlussschutzfunktionen in der Einspeisung und im NOSPE-Abgang regen an, die Schutzgeräte in den beiden Abgängen sehen den Fehler nicht. Dadurch, dass der NOSPE-Schutz mit 900 ms gegenüber der Einspeisung um 800 ms hinreichend überstaffelt ist, in der Einspeisung haben wir ja 100 ms eingestellt, und dadurch, dass die Abgänge kein rückwärtiges Blockiersignal absetzen, erhalten wir eine selektive Auslösung der Einspeisung in Schnellzeit und die Sammelschiene wird nach Ablauf der 100 ms zur Klärung durch den Einspeiseschalter freigegeben.
Abweichend zum Lehrbuch und zu dem, was wir uns hier so schön zurecht gedichtet haben, kommt jetzt das Drehbuch des Lebens, und damit das, was in der Praxis in dieser Anlage wirklich passiert:
In unserer Anfangsbetrachtung sind wir davon ausgegangen, das sowohl die Einspeisung als auch der NOSPE-Abgang anregen. Das ist in Wirklichkeit aber nicht so. Das Problem: Die Erdkurzschlussstufe in der Einspeisung regt überhaupt nicht an! Der einpolige Erdkurzschluss auf der Sammelschiene ist für die Erdkurzschlussstufe in der Einspeisung nicht sichtbar.
Es erfolgt ausschließlich eine Anregung im NOSPE-Abgang. Das führt dazu, dass nach Ablauf der 900 ms unsere Anlage in ein isoliertes Netz kippt:
Damit überhaupt keine Erdkurzschlussströme mehr im System existieren und dementsprechend auch keine weitere Erdstromerfassung möglich ist. Das heißt, es fliegt nur die NOSPE raus und unser Netz läuft mit stehendem einpoligen Kurzschluss auf der Sammelschiene weiter. Ist das schlimm? Eigentlich ist das doch nur ein Erdschluss, richtig? Stellt Euch einfach vor, an den beiden Abgängen, welche sich ja weiterhin in Betrieb befinden, sind sehr lange Kabelstrecken angeschlossen. Wenn dort insgesamt z.B. 50 km Mittelspannungskabel dran hängen, dann kommen hier, je nach eingesetztem Kabeltyp und Anzahl der Systeme, locker unkompensierte kapazitive Erdschlussströme in der Größenordnung zwischen 100 und 250 Ampere zum fließen. Wenn diese jenseits jeglicher Löschgrenzen liegenden Erdströme über einen längeren Zeitraum den einpoligen Erdfehler an der Sammelschiene speisen, ist das Abrauchen der Schaltanlage mit einer nicht zu verachtenden Wahrscheinlichkeit das solide Endergebnis.
Also, warum, um alles in der Welt, kann die Einspeisung diesen Erdfehler nicht sehen? Dazu müssen wir uns die Stromverteilung an einem Beispiel anschauen:
Jetzt müsst ihr in Gedanken bitte einen Schritt zurückspulen, die NOSPE ist wieder eingeschaltet, wir haben einen Erdkurzschluss in Leiter 1 auf der Sammelschiene und die Frage lautet: Warum sieht die Erdstromstufe der Einspeisung diesen Fehler nicht. Schauen wir uns zunächst die Stromverläufe an:
Fangen wir an der Fehlerstelle an. An der Fehlerstelle fließen zwei Ströme vom Trafo kommend und ein Strom aus Richtung NOSPE-Abgang in Richtung Erde. Von dort geht es für die nun drei Ströme, vereint weiter über den NOSPE-Widerstand in den Sternpunktbildner, welcher auch gleichzeitig die Ursache für den vom NOSPE-Abgang kommenden Kurzschlussstrom ist, denn: Durch die Zickzackschaltung des Sternpunktbildners prägt der Strom von Phase 3 exakt ein Drittel des 3-fachen Nullstroms, also quantitativ betrachtet den Nullstrom, auf die fehlerbehaftete Phase 1 ein. Es kommt zu einer symmetrischen Aufteilung und einem Kreisstrom in Phase L1. Die beiden fehlerfreien Anteile von L2 und L3 fließen wieder zum Trafo zurück.
Da im NOSPE-Abgang alle Ströme die gleiche Amplitude und die gleiche Richtung haben, ergibt sich hier ein sattes Nullsystem, welches ja auch zur erfolgreichen Anregung des Abgangsschutzes geführt hatte. Anders verhält sich das in der Trafoeinspeisung.
Hier stellt sich das übliche Bild ein und der einpolige Kurzschluss tritt dreiphasig in Erscheinung, wobei die fehlerbehaftete Phase den doppelten Strombetrag führt und um 180° gedreht ist. Wenn wir hier das Nullsystem berechnen stellen wir fest, dass da nichts ist. Die Einspeisung ist blind, die Leiterstromanregungen liegen zudem häufig oberhalb des durch den NOSPE-Widerstand begrenzten Kurzschlussstromes und es kommt zum soeben beschriebenen Schutzversagen in der Einspeisung. Die NOSPE fliegt nach 900 ms raus und dann kann der kapazitive Erdschlussstrom im isolierten Netz die Schaltanlage so richtig grillen, bis diese in Rauch und Flammen aufgeht.
Wie kann man hier sofort Abhilfe schaffen?
Eine Schaltermitnahme der Einspeisung, bei Kurzschluss im NOSPE-Abgang kann hier sofort Klarheit bringen. Zusätzlich sollte man den Erdkurzschlussschutz im Abgang auf jeden Fall schneller machen, damit ein einpoliger Fehler auf der Sammelschiene zügig geklärt wird.
Daraus ergeben sich nun viele neue Fragen, wie zum Beispiel:
- Braucht man in der Einspeisung überhaupt eine Erdkurzschlussfunktion wenn diese gar nicht anregt und wenn ja wofür?
- Wird ein eipoliger Kurzschluss in einem der Abgänge in der Einspeisung gesehen?
- Wie kann die Sammelschiene schnell und effektiv gegen einpolige Kurzschlüsse geschützt werden?
- Was passiert, wenn der Sternpunktbildner nicht im Abgang, sondern direkt am Trafo angeschlossen wurde, ändert sich dann etwas am Schutzkonzept?
- Kann eine Nullspannungsüberwachung das Konzept sinnvoll ergänzen und wenn ja wie und in welchen Szenarios? Zum Beispiel stellt sich die Frage, ob die Nullspannung auch im NOPSE-Netz als geeignetes Kriterium dienen kann und nicht nur im Falle des Rückkippens in das islolierte OSPE-Netz.
- Wie schafft man es, den Abgang zum Sternpunktbildner normally closed zu halten, also im normalen Betriebszustand immer geschlossen und wie gelingt es, das nur ein Kurzschluss, welcher den NOSPE-Abgang direkt betrifft, diesen von der Schaltanlage trennt?
- Wie kann man einen Reserveschutz aufbauen, falls der Schutz im NOSPE-Abgang versagt?
- Ist es möglich für den NOSPE-Abgang selektiv zwischen innen und außen liegenden Fehlern bzw. zwischen Kurzschlüssen im eigenen Abgang und Kurzschlüssen auf benachbarten Abgängen oder auf der Sammelschiene zu unterscheiden?
- Macht eine rückwärtige Verriegelung der Erdkurzschlussstufen überhaupt Sinn?
- Wie wird der NOSPE-Abgang richtig schützt, Stichwort Gegensystemschutz und Überlastschutz?
- Wie sieht das Gesamtkonzept für den Phasen-UMZ für 2- und 3-polige Kurzschlüsse aus?
- Oder auch zum Beispiel auch die Frage: Welche Schaltermitnahmen und Mitnahmesignale sollte man zusätzlich berücksichtigen?
Ihr seht an der länge des Beitrages, dass wir hier noch ein paar Runden drehen müssen ....
Die Antworten auf diese Fragen erfahrt Ihr in unserer Ausbildung zum zertifizierten Schutztechniker, sowie in den Online- und Vor-Ort-Trainings unserer ENGINEERING ACADEMY®. Und natürlich immer hier in unseren neuen Fachbeiträgen.
In diesem Sinne, vielen Dank fürs reinschauen, HERZliche Grüße
Euer SCHUTZTECHNIK-TEAM
