Lichtbogenunterdrückungsspule und feste Erdung in Stromversorgungssystemen: Technischer Einblick

Einführung

 

In modernen Stromversorgungssystemen ist die Auswahl der geeignetenneutrale Erdungsmethodeist für das Gleichgewicht zwischen Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz von entscheidender Bedeutung. Während ungeerdete Neutralleitersysteme eine Betriebskontinuität bieten, unterliegen sie strengen Einschränkungen, wenn der kapazitive Erdschlussstrom zulässige Schwellenwerte überschreitet.

Wenn diekapazitiver Erdfehlerstromdie Grenzen eines ungeerdeten Systems überschreitet (30 A für 3–10-kV-Netze, 10 A für 20–60-kV-Netze), müssen Ingenieure fortschrittlichere Erdungslösungen anwenden. Die beiden wichtigsten Methoden sind:

Erdung der Lichtbogenunterdrückungsspule(auch bekannt als Petersen-Spulenerdung)

Fest geerdeter Neutralleiter(direkte Erdung)

Dieser Artikel bietet adetaillierte technische Analysebeider Methoden, ihre Funktionsprinzipien, Schutzschemata und optimale -Verwendungsszenarien in Stromverteilungs- und Übertragungsnetzen.

2. System mit geerdeter Lichtbogenunterdrückungsspule (Petersen-Spulenerdung)

Was ist eine Lichtbogenunterdrückungsspule?

EinLichtbogenunterdrückungsspule, auch bekannt als aPetersen-Spuleist eine abstimmbare induktive Drossel, die zwischen dem Neutralpunkt des Transformators und der Erde angeschlossen ist. Seine Kernfunktion besteht darinkompensieren den kapazitiven Erdschlussstromdurch Einspeisung eines induktiven Stroms, der den kapazitiven Strom des Systems an der Fehlerstelle ausgleicht und dadurch den Reststrom auf ein Niveau reduziert, bei dem der Lichtbogen selbst -verlöschen kann.

 

Konstruktion und Komponenten

Die Lichtbogenlöschspule besteht aus folgenden Hauptkomponenten:

Komponente	Beschreibung	Funktion
Eisenkern mit Luftspalten	Laminierter Stahlkern mit bewusst nicht{0}}magnetischen Lücken	Verhindert magnetische Sättigung und sorgt für lineare Induktivitätseigenschaften
Wicklung (Spule)	Auf dem Eisenkern montierte Kupferwicklung	Bietet eine einstellbare Induktivität durch einen Tap{0}}Mechanismus
Öltank	Versiegeltes, mit-Öl-gefülltes Transformatorgehäuse	Bietet Isolierung und Kühlung für Kern und Wicklung
Stufenschalter	Stufenschalter unter-oder unter Last-	Passt die Anzahl der aktiven Wicklungswindungen an, um die Induktivität abzustimmen

Die Wicklung hatsehr geringer WiderstandUndsehr hohe Reaktanz, was bedeutet, dass die Spule hauptsächlich induktive Reaktanz mit minimalen Widerstandsverlusten bietet.

 

Funktionsprinzip: Induktive Kompensation

Normaler Betrieb

Unter normalen Systembedingungen sind die drei{0}}Phasenspannungen im Wesentlichen ausgeglichen und dieSternpunktverschiebungsspannungist sehr klein. Folglich ist der durch die Lichtbogenunterdrückungsspule fließende Strom vernachlässigbar und die Spule hat keinen wesentlichen Einfluss auf den normalen Systembetrieb.

Einphasiger -Erdschluss

Wenn eineinphasiger-zu-ErdschlussTritt ein Fehler auf, steigt die Sternpunktverlagerungsspannung an, wodurch Strom durch die Lichtbogenlöschspule fließt. Dieser induktive Strom fließt durch die Fehlerstelle imentgegengesetzte Richtungzum kapazitiven Fehlerstrom des Systems.

DerFehlerstrom an der Fehlerstelleist die Vektordifferenz zwischen:

Kapazitiver Strom (Ic):Wird durch die verteilte Kapazität der beiden fehlerfreien Phasen erzeugt

Induktiver Strom (IL):Wird von der Lichtbogenunterdrückungsspule erzeugt

Bei richtiger Abstimmung ist IL ≈ Ic und der Reststrom wird auf einen sehr kleinen Wert - reduziert.Dadurch wird die Lichtbogenenergie drastisch reduziertan der Fehlerstelle und ermöglicht die Selbstlöschung des Lichtbogens-.

Tuning- und Kompensationsmodi

Die Induktivität der Lichtbogenunterdrückungsspule beträgteinstellbardurch Änderung der Anzahl der aktiven Wicklungswindungen über den Stufenschalter. Dadurch kann die Spule so abgestimmt werden, dass sie dem kapazitiven Strom des Systems entspricht.

Über-Vergütungsmodus (empfohlen)

Inüber-Vergütung, wird der induktive Strom geringfügig eingestelltgrößerals der kapazitive Strom (IL > Ic). Dies ist die bevorzugte Betriebsart, weil:

Wenn der kapazitive Strom des Systemsnimmt plötzlich ab(z. B. durch Ausschalten eines Futterautomaten) bewegt sich die Anlageweiter weg von der Resonanz, nicht näher dran

Dies verhindert gefährlicheSerienresonanzBedingungen, die eine übermäßige Überspannung verursachen könnten

Bietet einen Sicherheitsspielraum gegen Änderungen der Systemkonfiguration

Vollvergütung und Untervergütung-

Volle Entschädigung(IL=Ic): Theoretisch ideal, aber gefährlich - kann unter normalen Bedingungen eine Resonanzüberspannung verursachen

Unter-Vergütung(IL < Ic): Nicht empfohlen - Systemänderungen könnten es in Richtung Resonanz bringen

 

Während eines einphasigen Erdschlusses in einem mit einer Lichtbogenunterdrückungsspule geerdeten System:

Parameter	Verhalten
Fehlerphasenspannung	Fällt auf Null
Nicht-fehlerhafte Phasenspannung	Steigt auf √3 × Phasenspannung (Leiter-zu-Leiterspannung)
Dreiphasige Netzspannung	Bleibt symmetrisch und unverändert
Fehlerstrom am Fehlerpunkt	Stark reduziert (nur Fehlerstrom)
Lichtbogenverhalten	Kann aufgrund des geringen Reststroms selbst-verlöschen

Denn dieDie dreiphasige Netzspannung bleibt symmetrisch, das System kann vorübergehend weiter betrieben werden -aber nicht länger als 2 Stunden. Diese Zeitbegrenzung ermöglicht es den Betreibern, den Fehler zu lokalisieren und zu isolieren und gleichzeitig die Betriebskontinuität aufrechtzuerhalten.

Vorteile der Erdung der Lichtbogenunterdrückungsspule

Selbstverlöschende Lichtbögen:Der kompensierte Reststrom ist klein genug, damit der Lichtbogen auf natürliche Weise erlischt, insbesondere fürvorübergehende Erdschlüsse

Reduzierter Lichtbogenschaden:Ein geringerer Fehlerstrom minimiert Verbrennungsschäden an der Fehlerstelle

Minimale Beeinträchtigung:Reduzierter Erdschlussstrom minimiert elektromagnetische Störungen mit nahegelegenen Kommunikationsleitungen

Servicekontinuität:Der temporäre Betrieb (bis zu 2 Stunden) ermöglicht eine geplante Fehlereingrenzung

Wirksam bei vorübergehenden Fehlern:Die meisten einphasigen Erdschlüsse in Freileitungen sind vorübergehender Natur

Überlegungen zum Isolationsdesign

Ähnlich wie bei ungeerdeten Systemen ist dasNicht-Fehlerphasenspannungen steigen auf die Leitungsspannung zwischen -zu-Leitung anwährend eines Erdschlusses. Daher alleDie Phasen-zu-Isolation muss für die volle Leitungs-zu-Leitungsspannung ausgelegt sein, was die Gerätekosten im Vergleich zu fest geerdeten Systemen erhöht.

Anwendungsszenarien

Die Erdung der Lichtbogenunterdrückungsspule wird typischerweise verwendet in:

Mittelspannungskabelnetzewo der kapazitive Strom die Grenzwerte des ungeerdeten Systems überschreitet

20–60-kV-Freileitungsnetzemit erheblichem kapazitiven Strom

Städtische Vertriebsnetzemit umfangreicher Kabelinfrastruktur

Systeme, in denen Servicekontinuität gewährleistet isthat Vorrang, aber der kapazitive Strom ist für einen erdfreien Betrieb zu hoch

3. Fest geerdetes Neutralsystem (direkte Erdung)

Funktionsprinzip

In einemfest geerdetes Neutralleitersystem, der Sternpunkt des Transformators istdirekt mit der Erde verbundenohne absichtliche Einfügung einer Impedanz. Das Sternpunktpotential bleibt beiNull Voltunter allen Betriebsbedingungen - normal oder fehlerhaft.

Wenn eineinphasiger-zu-Erdschlussauftritt, wird die fehlerhafte Phase direkt durch den Fehlerpunkt und den geerdeten Neutralleiter kurz-geschlossen. Dadurch entsteht diemaximal möglicher einphasiger -Erdfehlerstrom-, der typischerweise mit dem dreiphasigen Fehlerstrom vergleichbar oder größer ist.

 

Fehlerverhalten und Schutz

Sofortige Fehlerbehebung

Aufgrund dergroßer Erdschlussstrom, die fehlerhafte Leitung muss seinsofort getrenntdurch Schutzrelais. Dies unterscheidet sich grundlegend von ungeerdeten und Lichtbogenlöschspulensystemen, die einen vorübergehenden Weiterbetrieb ermöglichen.

Vorteile des Relaisschutzes

Der hohe Fehlerstrom bietet einen erheblichen Vorteil fürSchutzrelais:

Einfache und zuverlässige Schutzsysteme- Überstromrelais können den großen Fehlerstrom leicht erkennen

Selektive Fehlerisolierung- Aufgrund der hohen Stromstärke ist es einfach, zwischen fehlerhaften und fehlerfreien Einspeisungen zu unterscheiden

Schnelle FehlerbehebungDer --Schutz arbeitet schnell und präzise und minimiert Fehlerdauer und Schäden

 

Automatische-Neuschließung bei vorübergehenden Fehlern

Die vorübergehende Natur von Erdschlüssen

Betriebserfahrungen zeigen, dass inNetze mit 110 kV und mehr, die meisten einphasigen Erdschlüsse -, insbesondere solche anFreileitungen- sindvorübergehender Natur. Zu den Ursachen gehören:

Blitzeinschläge führen zu einem vorübergehenden Überschlag der Isolierung

Vom Wind-herumgewehte Trümmer kommen kurzzeitig mit den Leitern in Kontakt

Vogel- oder Tierkontakt

Durch Verschmutzung-induzierter Überschlag, der sich selbst-löscht

Auto-Schema wieder schließen

Nachdem die fehlerhafte Leitung ausgelöst wurde, wird dieDie Isolierung an der Fehlerstelle erholt sich häufig schnell. Moderne, solide geerdete Systeme verwendenGeräte mit automatischer Wiedereinschaltung (ARC).Das:

Schalten Sie die fehlerhafte Leitung ausbei Erkennung des Erdschlusses

Warten Sie eine kurze Pause(normalerweise 0,3–1 Sekunde) für die Lichtbogenentionisierung

Den Leistungsschalter automatisch wieder-schließenum zu testen, ob der Fehler behoben ist

Stromversorgung wiederherstellenwenn der Fehler vorübergehend war -, was in den meisten Fällen der Fall ist

Dieser Ansatz verbessert sich dramatischVersorgungssicherheitin fest geerdeten Systemen, wodurch der Hauptnachteil der sofortigen Fehlerbeseitigung abgemildert wird.

 

Vorteile des Isolationsdesigns

Der entscheidende wirtschaftliche Vorteil

Der größte Vorteil fest geerdeter Neutralleitersysteme besteht darinNicht-Fehlerphasenspannungen steigen nicht anwährend eines einphasigen Erdschlusses. Da der Neutralleiter fest geerdet ist, bleibt die Phase-zu-Spannung gesunder Phasen auf dem normalen Phasenspannungsniveau.

Das heisst:

Phase-zu-Erde-Isolierungmuss nur dafür ausgelegt seinPhasenspannung(nicht Leitungsspannung -zu-)

Dasreduziert die Kosten für die Isolierungfür Transformatoren, Kabel, Schaltanlagen und Überspannungsableiter

DerDer wirtschaftliche Nutzen steigt mit der Systemspannung- Je höher die Spannung, desto größer die Einsparungen

 

Vergleich: Solide geerdet vs. andere Methoden

Besonderheit	Ungeerdet	Lichtbogenunterdrückungsspule	Fest geerdet
Fehlerstromgröße	Klein (kapazitiv)	Sehr klein (Rest)	Groß (Kurzschluss-)
Nicht-fehlerhafte Phasenspannung während des Fehlers	√3 × Phasenspannung	√3 × Phasenspannung	Phasenspannung (unverändert)
Isolationsniveau erforderlich	Leitungsspannung -zu-	Leitungsspannung -zu-	Phasenspannung
Fehlerbehebung	Manuell oder verzögert	Verspätet (weniger als oder gleich 2 Stunden)	Sofort (automatisch)
Schutzkomplexität	Komplex	Komplex	Einfach und zuverlässig
Servicekontinuität während eines Fehlers	Ja (vorübergehend)	Ja (weniger als oder gleich 2 Stunden)	Nein (sofort ausgelöst)
Lichtbogen selbst-verlöschend	Schwierig (hoher Ic)	Ja (kompensiert)	Nicht zutreffend
Anwendbarkeit automatisch-wieder schließen	Beschränkt	Beschränkt	Hochwirksam
Bester Spannungsbereich	3–10 kV	10–60 kV	110 kV und mehr
Wirtschaftlicher Vorteil	Niedrig (hohe Isolationskosten)	Medium	Hoch (niedrige Isolationskosten)

 

Typische Anwendungen fest geerdeter Systeme

Fest geerdete Neutralleitersysteme werden überwiegend eingesetzt in:

Hochspannungsübertragungsnetze(110 kV, 220 kV, 500 kV und höher)

Städtische Mittelspannungsverteilung(10 kV, 35 kV), bei denen Zuverlässigkeit und einfacher Schutz im Vordergrund stehen

Große industrielle Energiesystememit ausgedehnten Kabelnetzen

Nieder-Spannungssysteme(380 V/400 V/480 V) für Sicherheit und Geräteschutz

Auswahlrichtlinien: Auswahl der richtigen Erdungsmethode

Basierend auf dem Spannungspegel

Spannungsbereich	Empfohlene Erdungsmethode	Primäre Begründung
Niederspannung (kleiner oder gleich 1 kV)	Fest geerdet	Sicherheit, einfacher Schutz
Mittelspannung (3–10 kV)	Nicht geerdete Spule oder Lichtbogenunterdrückungsspule	Servicekontinuität; hängt vom kapazitiven Strom ab
Mittel-Hochspannung (20–60 kV)	Lichtbogenunterdrückungsspule	Kapazitiver Strom zu hoch für ungeerdet; Dämmkosten überschaubar
Hochspannung (größer oder gleich 110 kV)	Fest geerdet	Wirtschaftliche Einsparungen bei der Isolierung; einfacher, zuverlässiger Schutz

Basierend auf den Systemanforderungen

Wenn die Servicekontinuität oberste Priorität hat→ Lichtbogenunterdrückungsspule oder ungeerdetes System

Wenn einfacher, zuverlässiger Schutz gefragt ist→ Fest geerdetes System

Bei Kabelnetz mit hohem kapazitivem Strom→ Lichtbogenunterdrückungsspule

Wenn Freileitungsnetz mit vorübergehenden Störungen→ Sicher geerdet mit automatischer -Wiedereinschaltung

 

Abschluss

DerErdungssystem für Lichtbogenunterdrückungsspulenund diefest geerdetes Neutralleitersystemstellen zwei grundlegend unterschiedliche Ansätze zur Erdung des Stromnetz-Neutralleiters dar, die jeweils unterschiedliche Vorteile haben:

Erdung der Lichtbogenunterdrückungsspuleeignet sich hervorragend für MittelspannungsnetzeServicekontinuitätUndLichtbogen selbst-verlöschendsind kritisch. Durch die Kompensation des kapazitiven Fehlerstroms ermöglicht es einen vorübergehenden Betrieb und eine natürliche Lichtbogenlöschung, was es ideal für Kabelnetze und Freileitungsverteilungssysteme mit erheblichem kapazitiven Strom macht.

Fest geerdete Neutralleitersystemedominieren Hochspannungsübertragungsnetze, bei denen die wirtschaftlichen Vorteile vonreduzierte Isolationsanforderungenund die Zuverlässigkeit voneinfache, schnelle Schutzsystemeüberwiegen den Nachteil einer sofortigen Störungsbeseitigung. In Kombination mit der automatischen Wiedereinschaltungstechnologie erreichen diese Systeme sowohl Sicherheit als auch Zuverlässigkeit.

Das Verständnis dieser Erdungsmethoden ist für Energiesystemingenieure, Hersteller elektrischer Geräte und Anlagenbetreiber von entscheidender Bedeutung. BeiZhejiang Rsafele Electric Co., Ltd.Unser Expertenteam kann Ihnen bei der Auswahl und Implementierung der am besten geeigneten Erdungslösung für Ihre spezifische Anwendung helfen und so optimale Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz Ihres Energiesystems gewährleisten.