Apr 16, 2023
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Erdschluss

Transformation von Netzfehlern? -Der ERDSCHLUSS-

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ERZlich Willkommen liebe Freunde, der Schutz-, Leit- und Elektrotechnik. In unserer neuen Beitragsserie widmen wir uns dem Übertragungsverhalten von Transformatoren und schauen uns an, wie Netzfehler von der jeweils einen auf die andere Seite übertragen werden. In unserem ersten Teil hatten wir uns das Übertragungsverhalten von Kurzschlüssen angesehen, heute dreht sich alles um die Übertragung von Erdschüssen.

Viel Spaß beim Sehen oder Lesen!

Euer SCHUTZTECHNIK-TEAM

(Lesebeitrag unter dem Video)

Transformation von Netzfehlern? - DER ERDSCHLUSS -

Begriffsklärung

Bevor wir uns das Thema vor die Brust nehmen, klären wir noch kurz die beiden Begriffe: Kurzschluss und Erdschluss und wie wir sie im Kontext unserer Beiträge verwenden. Dies ist deshalb so wichtig, da diese beiden Bezeichnungen in der Praxis regelmäßig etwas unscharf verwendet werden.

Von einem Kurzschluss wollen wir immer dann sprechen, wenn sich ein ein-, zwei- oder dreipoliger Netzfehler in einem wirksam geerdeten Netz ereignet. So wird unter anderem ein einpoliger Fehler in einem niederohmig oder starr geerdeten Mittel-, Hoch- oder Höchstspannungsnetz von uns als Kurzschluss oder auch häufig als Erdkurzschluss bezeichnet. Das Gleiche gilt für einen Fehler im TN-C-S-Netz der Niederspannung, auch hier sprechen wir von einem einpoligen Kurzschluss.

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Abbildung 1: Übersicht Erdschluss vs. Kurzschluss

Anders hingegen verhält es sich, wenn wir in einem nicht wirksam geerdeten Netz der Mittel- und Hochspannung einen einpoligen Netzfehler beobachten. In diesem Fall sprechen wir von einem Erdschluss. Analog dazu werden einpolige Fehler im IT-Netz der Niederspannung auch unter der Rubrik Erdschluss geführt. Zwei- und Dreipolige Fehler werden auch im nicht wirksam geerdeten Netz der Mittel- und Hochspannung und im IT-Netz der Niederspannung als Kurzschlüsse bezeichnet, da hier wirksame Kurzschlussströme zum Fließen kommen. Wir sehen also: Zwischen Kurzschluss und Erdschluss wird nur beim einpoligen Netzfehler unterschieden. Bei zwei- und dreipoligen Fehlern handelt es sich immer um Kurzschlüsse, da diese unabhängig von der vorliegenden Netzform generell kurzschlussartige Ströme hervorrufen. Eine Sonderstellung hat der Doppelerdschluss. Er unterscheidet sich vom zweipoligen Kurzschluss nur darin, dass er aus einem einfachen Erdschluss hervorgegangen ist und dass die Kurzschlussbahn zwischen den beiden Außenleitern zwingend über Erde geschlossen wird. Also noch mal die generelle Faustformel zur praktischen Unterscheidung: Bei einem Netzfehler mit wirksamen Kurzschlussstrom werden wir immer vom Kurzschluss reden, bei einem Netzfehler ohne wirksamen Kurzschlussstrom, welcher ggf. einen kapazitiven Erdschlussstrom oder einen Wirkreststrom hervorruft, sprechen wir von einem Erdschluss.

Einleitung

In unserer heutigen Betrachtung geht es explizit darum, ob und wenn ja, wie sich Erdschlüsse auf die andere Seite eines Transformators übertragen, wenn beide Trafoseiten nicht-wirksam geerdet sind. Dabei geht es uns vordergründig darum zu untersuchen, ob eine signifikante Einkopplung über den Transformator stattfindet, also eine Übertragung, die so groß ist, dass der Erdschluss auch auf der jeweils anderen Seite des Transformators angezeigt werden würde.

Dy- und Yd-Transformator

Starten wir zunächst mit den weit verbreiteten Yd- oder auch Dy-Transformatoren. Was passiert nun also mit dem Spannungssystem der fehlerfreien Transformatorseite, wenn sich auf der jeweils anderen Seite ein Erdschluss ereignet? Die Antwort lautet schlicht: nahezu nichts. Im vorliegenden Fall wird keine signifikante Nullspannung auf der erdschlussfreien Trafoseite eingekoppelt. Wir haben hier also am Transformator eine selektive Trennung und werden den Erdschluss nur auf der tatsächlichen Seite angezeigt bekommen.

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Abbildung 2: Dy- und Yd-Transformator mit Erdschluss

Da viele Transformatoren auch über eine kleine Koppelkapazität im Bereich von 10 bis 20 nF verfügen, wird dennoch eine kleine Störspannung in das Nullsystem der fehlerfreien Trafoseite eingekoppelt. Diese liegt allerdings im Bereich von bis zu maximal 15 % der eigentlichen Nullspannung und ist meist wesentlich geringer. Wir hatten in unserem Beitrag „Was jeder über Erdschlussschutz wissen sollte“ vom 14.03.2019 eine sehr detaillierte Abhandlung zur genannten Einkopplung von Störspannungen veröffentlicht, wer es an dieser Stelle genauer wissen möchte, schaut dort bitte noch einmal rein.

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Abbildung 3: Kapazitive Längskopplung an Transformatoren

YNynd5-Transformator

Wesentlich diffiziler wird es nun wieder, wenn wir uns unsere Netzkuppeltransformatoren ansehen. In der Abbildung sehen wir einen YNynd-Transformator, der sowohl auf der Oberspannungsseite als auch auf der Mittelspannungsseite mit jeweils einer Löschspule beschaltet wird. Diese Anordnung ist nicht zu empfehlen, da hier eine wesentliche Kopplung der Nullsysteme vorhanden ist. Bei dieser Anordnung führt ein Erdschluss auf der Primärseite zu einer Übertragung auf die Sekundärseite des Transformators. Die Einkopplung des Erdschlusses muss nicht zwingend wahrnehmbare Größenordnungen annehmen. Sie kann aber in Abhängigkeit von der Größe der Spule auf der Oberspannungsseite und in Abhängigkeit vom X/R-Verhältnis des Nullsystems auf der Mittelspannungsseite in Grenzfällen permanent auf bis zu 50 % der Nullspannung ansteigen. Dies würde definitiv zu unselektiven Schutzreaktionen auf der sekundären Netzseite führen.

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Abbildung 4: U0-Übertragung bei YNynd5-Trafo beidseitig gelöscht

Die hier gezeigten Zusammenhänge sind nicht mehr intuitiv zu verstehen und können nur anhand eines komplexen Ersatzschaltbildes in symmetrischen Komponenten dargestellt und erfasst werden. Unten rechts, in dem gezeigten Komponenten-Netzwerk, sehen wir die resultierende übertragene Nullspannung der Sekundärseite. Die Berechnung des Maximalwertes erfolgt unter der Annahme einer fehlerhaften Vollkompensation und hängt im Wesentlichen von den Verhältnissen der gezeigten Reaktanzen ab.

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Abbildung 5: U0-Übertragung bei YNynd5-Trafo in symmetrischen Komponenten
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Formel 1: Eingekoppelte sekundäre Nullspannung bei primärem Erdschluss

Ein weiterer und sehr ähnlicher Effekt entsteht, wenn der Trafo auf der Oberspannungsseite starr geerdet ist.

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Abbildung 6: U0-Übertragung bei YNynd5-Trafo, OS starr & MS gelöscht

Von dieser Variante ist gänzlich abzuraten, da hier noch wesentlich größere Einkopplungen resultieren. Die übertragene Nullspannung ist zwar nur von kurzer Dauer, da sie nicht von einem Erdschluss, sondern von einem Erdkurzschluss stammt und in der Regel umgehend durch den Netzschutz der Oberspannungsseite beseitigt wird. Dennoch wird sie zumindest in der Störwerterfassung auf der Sekundärseite einen Gruß hinterlassen und zusätzlich eine hohe Spannungsbeanspruchung verursachen, denn die übertragene Nullspannung kann über dem zweifachen Wert der eigentlichen Nullspannung liegen.

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Abbildung 7: U0-Übertragung bei YNynd5-Trafo, OS starr & MS gelöscht, Sym. K.

Wir sehen also, dass die Übertragung von Nullspannungen möglich ist und unerwünschte Effekte hervorrufen kann.

Eine empfehlenswerte Anordnung erhalten wir, wenn wir nur eine Seite des Transformators mit einer Löschspule beschalten.

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Abbildung 8: U0-Übertragung bei YNynd5-Trafo, einseitig gelöscht

Wenn sich nun ein Erdschluss auf der Primärseite ereignet, so wird dieser nicht auf das sekundärseitige Netz übertragen.

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Abbildung 9: U0-Übertragung bei YNynd5-Trafo, einseitig gelöscht, Sym. K.

Yy-Transformator

Es erfolgt ebenfalls keine Übertragung, wenn es sich um einen Yy-Transformator ohne Ausgleichswicklung handelt, bei dem beide Sternpunkte freibleiben.

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Abbildung 10: U0-Übertragung bei Yy-Trafo, beidseitig isoliert, Sym. K.

Transformatoren dieser Art sind nicht voll Nullpunktbelastbar und deren Sternpunkte sollten nicht beschaltet werden. Geschieht dies dennoch, so entstehen unerwünschte Nullpunktverschiebungen und die übertragene Nullspannung wird sogar noch größer als bei den bereits genannten Beispielen.

Für alle, die nicht wissen, wozu eine Ausgleichswicklung dient, empfehlen wir unseren Beitrag „Warum Ausgleichswicklung an Transformatoren“ vom 27.05.2022. In diesem Artikel hatten wir die Funktion und Erfordernis einer Dreieckausgleichswicklung gründlich untersucht. Hier also bitte unbedingt noch einmal den Beitrag ergänzend dazu ansehen.

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Abbildung 11: SCHUTZTECHNIK.COM-Beitrag: Warum Ausgleichswicklung am Transformator?

Zusammenfassung

Wer bisher geglaubt hat, dass die Anwesenheit einer kurzgeschlossenen Dreiecks-Ausgleichswicklung automatisch die Unterbindung der Übertragung des Spannungs-Nullsystems auf die andere Trafoseite bewirkt, der muss seine Synapsen geringfügig umverdrahten. Zum einen haben wir auf den generellen Effekt der Einwirkung durch Koppelkapazitäten hingewiesen. Zum anderen haben wir gezeigt, dass eine Kopplung der Nullsysteme entsteht, wenn die Sternpunkte beider Seiten eines Netzkuppeltransformators beschaltet werden, unabhängig davon, ob eine Dreieckausgleichswicklung vorhanden ist oder nicht.

HERZliche Grüsse,

Euer SCHUTZTECHNIK-TEAM

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