Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Kompensation eines einpoligen Fehlerstromes bei einem Erdschluss in einem Drehstromnetz beliebiger Frequenz.

Öffentliche und industrielle Drehstromnetze, insbesondere dreiphasige Mittelspannungsnetze im Bereich von 1 kV bis 30 kV und Hochspannungsnetze mit Nennspannungen kleiner/gleich 110 kV, die der regionalen Versorgung dienen, werden überwiegend mit Resonanzsternpunkterdung betrieben. Das bedeutet, dass der mittelspannungsseitige Sternpunkt eines Einspeisetransformators oder der Sternpunkt eines Sternpunktbildners über eine veränderliche Erdschlussdrossel mit einem Erdpunkt verbunden ist. Hat ein so ausgebildetes Mittelspannungsnetz einen Erdschluss in einem der drei Leiter, soll dieser Fehlerzustand im Hinblick auf die Versorgungszuverlässigkeit nicht zur sofortigen Abschaltung der fehlerhaften Leitung führen. Der bei einem Erdschluss fließende kapazitive Fehlerstrom ist durch die Erdkapazitäten des Mittelspannungsnetzes bedingt. Kapazitäten treten auch zwischen den Leitern untereinander auf, deren Beitrag zum Fehlerstrom im Falle eines einpoligen Erdschlusses ist jedoch vernachlässigbar. Im Falle eines Erdschlusses in einem Leiter wird die Erdkapazität dieses Leiters kurzgeschlossen, während sich die Spannungen an den Erdkapazitäten der beiden anderen, nicht vom Erdschluss betroffenen Leiter um den Faktor √3 erhöht und der kapazitive Fehlerstrom in den beiden anderen Leitern zum Fließen kommt. Die Erdschlussdrossel ist so abgestimmt, dass sie diesen kapazitiven Fehlerstrom durch einen induktiven Strom an der Erdfehlerstelle kompensiert. Das gilt jedoch nur bei Netzfrequenz, einer Grundfrequenz von meist 50 Hz, auf die die Erdschlussdrossel abgestimmt ist. Der vermehrte Einsatz von stromrichtergespeisten Anlagen und Geräten mit Schaltnetzteilen in Haushalten und Industrie führt zu Netzrückwirkungen, die sich u. a. als harmonische Verzerrung der Netzspannung äußern. Insbesondere treten dabei Frequenzkomponenten der fünften und der siebten Harmonischen der Grundfrequenz (250 Hz und 350 Hz) auf. Diese harmonischen Frequenzkomponenten der Netzspannung tragen zu einem erheblichen Teil zu den bei Erdschlüssen fließenden Fehlerströmen bei, umso mehr da in den letzten Jahren Mittelspannungsnetze zunehmend als Kabelnetze ausgebaut wurden und der Anteil an Freileitungen zurückgeht und da die Erdkapazität eines Kabels bei gleicher Länge etwa zwanzig- bis vierzigfach so groß ist, wie die einer Freileitung. Der Anteil dieser von der Grundfrequenz verschiedenen Frequenzkomponenten am Fehlerstrom kann mit der Erdschlussdrossel nicht kompensiert werden, da deren Resonanz so abgestimmt ist, dass sie nur die 50 Hz Komponente kompensiert. Dieser Sachverhalt hat eine Vergrößerung des verbleibenden Fehlerstromes an der Stelle des Erdschlusses zur Folge und es können in der Umgebung des Erdfehlers Gefährdungsspannungen (Berührungs- und Schrittspannungen) entstehen, die für Menschen oder Tiere lebens- oder gesundheitsgefährdend sind. In der DE 195 25 417 C2 ist ein Lösungsweg zur Kompensation ohmscher Anteile des Fehlerstromes im Erdfehlerfall mittels eines gesteuerten, passiven Reaktanzelements angegeben. Die von der Grundfrequenz abweichenden Frequenzkomponenten werden jedoch nicht berücksichtigt. Aus AT 11 35 89, US 1 983 085 und GB 279 841 sind Anordnungen bekannt, bei denen Erdfehlerströme durch passive Filter kompensiert werden, die in Reihe oder parallel zur Erdschlussdrossel geschaltet sind. Dabei werden auch harmonische Anteile der Erdfehlerströme kompensiert. In DE 198 27 755 A1 ist eine Anordnung beschrieben, bei der ein Hybridfilter, das aus einem passiven und einem aktiven Filter besteht, zwischen ein Wechselspannungsnetz und Erde geschaltet ist, wobei höhere harmonische Komponenten durch das aktive Filter unterdrückt werden. Aus der Publikation WINTER, Klaus M.: Swedish Distribution Networks – a New Method for Earthfault Protection in Cable – and Overhead Systems. In: Proceedings of the Fifth International Conference on Developments in Power System Protection – DPSP '93 York/UK, IEE Conference Publication No. 368, S. 268–270 und aus der Publikation KRÄMER, Stephan; SCHMIDT, Rainer; WINTER, Klaus: Erdschluss-Vollschutzanlage für das 110-kV-Bahnstromnetz. In: Elektrische Bahnen, H.8, 2003, S. 353–362 sind jeweils Anordnungen bekannt, bei denen ein Kompensationsstrom mit einer Hilfswicklung in die Erdschlussdrossel eingespeist wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur automatischen Erkennung und Kompensation eines Fehlerstromes bei einem Erdschluss anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist ein elektrisches Drehstromnetz mit drei Leitern auf. Bei dem Drehstromnetz handelt es sich insbesondere um ein Mittelspannungsnetz, dass aus einem Hochspannungsnetz mit einem Einspeisetransformator mit einer Netzspannung versorgt wird. Der Einspeisetransformator weist eine Sekundärseite, speziell eine Mittelspannungsseite mit einem Sternpunkt auf, der über eine Erdschlussdrossel mit einem Erdpunkt verbunden ist. Alternativ kann die Erdschlussdrossel auch über einen Sternpunktbildner angeschlossen sein. Der Erdpunkt ist im allgemeinen eine Erdungsanlage. Die Erdschlussdrossel kann in Ihrer Induktivität veränderbar sein. Weiterhin ist eine Einrichtung zur zumindest partiellen Kompensation mindestens einer von einer Grundfrequenz der Netzspannung abweichenden Frequenzkomponente eines infolge eines einpoligen Erdschlusses auftretenden Fehlerstromes vorgesehen. Die Einrichtung umfasst mindestens drei Schalter und einen Filterkreis, die insbesondere in der Nähe des Einspeisetransformators angeordnet sind. Die Leiter L1, L2 und L3 sind mit je einem Schalter verbunden. Die Schalter sind mit dem Filterkreis verbunden und dieser mit einem Erdpunkt, so dass sich eine Serienschaltung von jedem Leiter über den Schalter und den Filterkreis zum Erdpunkt ergibt. Auf diese Weise wird für einen nur an einem beliebigen der drei Leiter L1, L2 oder L3 auftretenden Erdschluss nur ein gemeinsamer Filterkreis benötigt, unabhängig davon, welcher der Leiter L1, L2 oder L3 betroffen ist. Auf diese Weise lassen sich mit der Verwendung nur eines Filterkreises, der wahlweise mit allen Leitern L1, L2 und L3 verbunden werden kann, erheblich die Kosten für die Einrichtung reduzieren. Hierzu kann insbesondere ein dreipoliger Leistungsschalter, der einpolig schaltbar ist, zum Einsatz kommen, so dass sichergestellt ist, dass jeweils nur einer der darin enthaltenen Schalterpole geschlossen ist. Ein solcher dreipoliger Leistungsschalter enthält drei Schalter (auch Schalterpole genannt), die unabhängig voneinander geschaltet werden können. Der Schalter kann manuell, insbesondere jedoch automatisch bedient werden. Hierzu kommt insbesondere eine Erdschlusserfassungseinrichtung, z.B. ein Erdschlussmelderelais, zum Einsatz, welches den vom Erdschluss betroffenen Leiter L1, L2 oder L3 erkennt und infolgedessen den Schalter zwischen dem betroffenen Leiter und dem Filterkreis schließt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass an einer Erdschlussstelle, an der ein Leiter eine leitfähige Verbindung zur Erde besitzt, der von der Grundfrequenz abweichende Anteil des Fehlerstroms so verringert wird, dass ein gegebenenfalls auftretender Lichtbogen verlöscht, der ohne die Kompensation der von der Grundfrequenz abweichenden Frequenzkomponente aufrecht erhalten würde. Damit wird auch eine zu hohe, für Menschen und Tiere lebens- und gesundheitsgefährdende, Berührungs- und Schrittspannung in der Umgebung des Erdschlusses vermieden.

Die zu kompensierende Frequenzkomponente ist vorzugsweise eine Harmonische der Grundfrequenz, insbesondere die fünfte oder die siebte Harmonische, da deren Anteil an dem Fehlerstrom besonders hoch ist. Beispielsweise bei einer Grundfrequenz von 50 Hz, wie in Europa und weiten Teilen der Welt üblich, entspricht die fünfte Harmonische 250 Hz und die siebte Harmonische 350 Hz. Der Filterkreis ist vorzugsweise auf die dominante Harmonische im Fehlerstrom abgestimmt, so dass diese im Filterkreis weitgehend nach Erde kurzgeschlossen und somit an der Erdfehlerstelle weitgehend kompensiert wird. Der Filterkreis kann jedoch auch mehrfrequent sein, so dass Frequenzkomponenten des Fehlerstromes in einem Frequenzband kompensiert werden. Beispielsweise kann das Frequenzband durch den Aufbau des Filterkreises so gestaltet sein, dass Frequenzkomponenten im Bereich von 220 Hz bis 380 Hz und somit sowohl die fünfte als auch die siebte Harmonische kompensiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Einrichtung mindestens einen Stromrichter auf, der mit einer Steuereinheit verbunden ist, die den Fehlerstrom erkennt. Die Steuereinheit übernimmt Steuer- und Regelungsaufgaben.

Der Stromrichter wird dabei so gesteuert und/oder geregelt, dass er einen Strom erzeugt, dessen Frequenz und Phasenlage den Fehlerstrom bei einem einpoligen Erdschluss wenigstens teilweise kompensiert. Hierzu werden zum Beispiel die von der Grundfrequenz abweichenden Komponenten vom Stromrichter gegenphasig zum Fehlerstrom erzeugt und eingespeist, wobei der gegenphasige Strom etwa die gleiche Größe wie der Fehlerstrom hat.

Der Stromrichter kann hierzu in Serie zu der Erdschlussdrossel geschaltet sein. Alternativ ist der Stromrichter parallel zu der Erdschlussdrossel geschaltet.

Vorzugsweise umfasst die Einrichtung einen in Serie zu der Erdschlussdrossel geschalteten Parallelschwingkreis. Auf diese Weise ergibt sich ein mehrfrequentes Filter, das mit einer gegebenenfalls angepassten oder modifizierten Erdschlussdrossel sowohl den Fehlerstrom der Grundfrequenz als auch den der von der Grundfrequenz abweichenden Frequenzkomponente im Falle eines Erdschlusses kompensiert.

Der Parallelschwingkreis kann verstellbare Komponenten, z.B. verstellbare Drosseln und/oder Kondensatoren enthalten, um ihn auf die im Drehstromnetz vorhandenen und gegebenenfalls veränderlichen Erdkapazitäten abstimmen zu können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Darin zeigen:

1 eine Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes an einer Erdschlussstelle bei einem einpoligen Erdschluss in einem Drehstromnetz mit einem Filterkreis,

2 eine Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes an einer Erdschlussstelle bei einem einpoligen Erdschluss in einem Drehstromnetz mit einem in Serie zu einer Erdschlussdrossel geschalteten Stromrichter,

3 eine Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes an einer Erdschlussstelle bei einem einpoligen Erdschluss in einem Drehstromnetz mit einem parallel zu einer Erdschlussdrossel geschalteten Stromrichter und

4 eine Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes an einer Erdschlussstelle bei einem einpoligen Erdschluss in einem Drehstromnetz mit einem in Serie zu einer Erdschlussdrossel geschalteten Parallelschwingkreis.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

1 zeigt eine Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes bei einem einpoligen Erdschluss E. Ein Drehstromnetz 1 mit den Leitern L1, L2 und L3 ist als Mittelspannungsnetz mit Freileitungen und/oder Erdkabeln ausgeführt. Die Spannung des Drehstromnetzes 1 beträgt 20 kV bei einer Grundfrequenz von 50 Hz und wird über einen Einspeisetransformator 2, der mit einer Hochspannungsseite H an ein nicht dargestelltes Hochspannungsnetz und mit einer Mittelspannungsseite M an das Drehstromnetz 1 angeschlossen ist, eingespeist. Ein auf der Mittelspannungsseite M gelegener Sternpunkt 3 des Einspeisetransformators 2 ist über eine Erdschlussdrossel 4 geerdet, d.h. mit einem Erdpunkt 5.1 verbunden. Bei dem Erdpunkt 5.1 handelt es sich gewöhnlich um eine Erdungsanlage, bei der ein großflächiger Kontakt zur Erde hergestellt wird. Da die Erdschlussdrossel 4 ein reales und kein ideales Betriebsmittel ist, weist sie nicht nur eine Induktivität 4.L auf, sondern ist auch mit einem ohmschen Widerstand 4.R behaftet. Die Leiter L1, L2 und L3 des Drehstromnetzes 1 besitzen jeweils eine Erdkapazität CL1, CL2 und CL3, deren Größe mit der Länge des Drehstromnetzes 1 bzw. mit seiner flächenmäßigen Ausdehnung steigt. Die gezeigten Erdkapazitäten CL1, CL2, CL3 repräsentieren die kapazitive Verkettung der Leiter L1, L2 und L3 mit der Erde. Bei Verwendung von Erdkabeln ist die Erdkapazität CL1, CL2, CL3 bei gleicher Länge etwa um den Faktor 20...40 größer als bei Freileitungen. Am Leiter L3 tritt im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Erdschluss E auf, beispielsweise in Form eines Lichtbogens vom Leiter L3 zu einem Erdpunkt 5.2. Der Erdschluss E kann in der Nähe des Einspeisetransformators 2 oder in einem beliebigen Bereich des Drehstromnetzes 1 auftreten. Die Erdkapazität CL3 des Leiters L3 wird dabei nach Erde kurzgeschlossen und ist somit 0. Dabei erhöhen sich die Spannungen an den Erdkapazitäten CL1 und CL2 jeweils um den Faktor √3. Über den Erdschluss E an der Erdschlussstelle fließt daher eine kapazitive Fehlerstromkomponente. Ist die Netzspannung unverzerrt, d.h. nahezu ideal sinusförmig, wird diese kapazitive Fehlerstromkomponente durch die Erdschlussdrossel 4 kompensiert. Es bleibt an der Erdschlussstelle lediglich ein Reststrom, der aus einer Wirkstrom- und einer Blindstromkomponente besteht. Die Blindstromkomponente ergibt sich aus einer nicht exakten Abstimmung eines aus der Erdschlussdrossel 4 und den Erdkapazitäten CL1, CL2 gebildeten Schwingkreises. Die Wirkstromkomponente resultiert auch aus den ohmschen Verlusten der Erdschlussdrossel 4. Die Netzspannung in Drehstromnetzen ist jedoch infolge von Netzrückwirkungen moderner, mit Schaltnetzteilen ausgestatteter Geräte und stromrichtergespeister Anlagen in Industrie und Haushalten nicht ideal sinusförmig, sondern enthält harmonische Frequenzkomponenten der Grundfrequenz, insbesondere die fünfte und siebte Harmonische, d.h. Oberschwingungen mit Frequenzen von 250 Hz und 350 Hz. Die in Drehstromnetzen 1 mit so verzerrter Netzspannung im Falle eines Erdschlusses E auftretenden harmonische Anteile der Fehlerströme machen einen erheblichen Anteil des Effektivwertes des Gesamtfehlerstromes (auch Reststrom genannt) aus. Diese harmonischen Anteile des Fehlerstroms können von der Erdschlussdrossel 4 nicht kompensiert werden, da diese nur auf die Grundfrequenz abgestimmt ist und erhöhen damit den Reststrom. Zum Kompensieren dieser harmonischen Anteile des Fehlerstroms an der Erdschlussstelle dient ein Filterkreis 6, der in der Art eines Reihenschwingkreises ausgebildet sein kann. Jeder Leiter L1, L2, L3 ist mit einem Schalter 7.L1, 7.L2, 7.L3 mit dem Filterkreis 6 verbunden, der seinerseits mit einem Erdpunkt 5.3 verbunden ist, der mit dem Erdpunkt 5.1 identisch sein kann. Im Fall eines Erdschlusses E am Leiter L3 wird der Schalter 7.L3 geschlossen und der Fehlerstrom der harmonischen Frequenzkomponente im auf diese Frequenz abgestimmten Filterkreis gegen Erde kurzgeschlossen, so dass er an der Stelle des Erdschlusses E reduziert wird. Ein dort gegebenenfalls auftretender Lichtbogen verlischt und eine Berührungs- und Schrittspannung in der Umgebung des Erdschlusses E fällt unter einen Wert, der für Menschen oder Tiere lebens- oder gesundheitsgefährlich ist. Der Filterkreis 6 ist hierzu auf die dominante Harmonische, im Allgemeinen die fünfte Harmonische des Fehlerstromes abgestimmt. Der Filterkreis 6 kann jedoch auch mehrfrequent sein, so dass Frequenzkomponenten des Fehlerstromes in einem Frequenzband kompensiert werden. Beispielsweise kann das Frequenzband durch den Aufbau des Filterkreises 6 so gestaltet sein, dass Frequenzkomponenten im Bereich von 220 Hz bis 380 Hz und somit sowohl die fünfte als auch die siebte Harmonische kompensiert werden. Die Schalter 7.L1, 7.L2, 7.L3 können manuell oder vorzugsweise automatisch bedient werden. Hierzu kann eine nicht dargestellte Erdschlusserfassungseinrichtung zum Einsatz kommen, welche den Erdschluss erkennt und den Schalter 7.L3 zwischen dem betroffenen Leiter L3 und dem Filterkreis schließt. Die Erkennung des Erdschlusses E ist zum Beispiel möglich, indem die Effektivwerte der Spannungen der Leiter L1, L2, L3 gegenüber Erde gemessen werden. Im fehlerfreien Betrieb sind diese Spannungen einander betragsmäßig in etwa gleich, aber um 2&pgr;/3 phasenverschoben. Im Falle eines Erdschlusses E wird die Spannung des betroffenen Leiters L3 jedoch gegenüber Erde Null und die Spannung der anderen Leiter L1, L2 steigt um den Faktor √3. Auf diese Weise kann die Erdschlusserfassungseinrichtung den jeweils betroffenen Leiter L1, L2 oder L3 identifizieren und den entsprechenden Schalter 7.L1, 7.L2, 7.L3 schließen.

2 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes bei einem einpoligen Erdschluss E gemäß dem Stand der Technik, die mit der in 1 gezeigten Anordnung kombinierbar ist. Die Anordnung umfasst die Elemente des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels ausgenommen die dort gezeigten Schalter 7R, 7S, 7T und den Filterkreis 6. Stattdessen ist ein Stromrichter 8 vorgesehen, der in Serie zu der Erdschlussdrossel 4 geschaltet ist. Dabei ist es für seine Funktion unerheblich ob er sich zwischen der Erdschlussdrossel 4 und dem Erdpunkt 5.1 oder zwischen der Erdschlussdrossel 4 und dem Sternpunkt 3 befindet. Eine mit dem Stromrichter 8 verbundene, nicht gezeigte Steuereinheit erkennt den Erdschluss E und steuert und/oder regelt den Stromrichter 8 bei Vorliegen eines Erdschlusses E so, dass er einen Strom erzeugt, dessen Frequenz und Phasenlage den Fehlerstrom wenigstens teilweise kompensiert. Hierzu werden zum Beispiel die von der Grundfrequenz abweichenden Frequenzkomponenten vom Stromrichter gegenphasig zum Fehlerstrom erzeugt und eingespeist. Der Stromrichter kann als Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis ausgebildet sein.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes bei einem Erdschluss E gemäß dem Stand der Technik, die mit der in 1 gezeigten Anordnung kombinierbar ist. Die Anordnung stimmt weitgehend mit der in 2 gezeigten überein, unterscheidet sich von dieser jedoch dadurch, dass der Stromrichter 8 parallel zu der Erdschlussdrossel 4 statt seriell geschaltet ist. In diesem Fall steuert der Stromrichter 8 die über der Erdschlussdrossel 4 abfallende Spannung so, dass ein dadurch durch sie fließender Strom den Fehlerstrom kompensiert.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes bei einem Erdschluss E gemäß dem Stand der Technik, die mit der in 1 gezeigten Anordnung kombinierbar ist. Die Anordnung stimmt weitgehend mit der in 2 gezeigten überein, unterscheidet sich von dieser jedoch dadurch, dass statt eines Stromrichters 8 ein Parallelschwingkreis 9 in Serie zu der Erdschlussdrossel 4 geschaltet ist. Zusammen mit der zu diesem Zweck in ihrer Induktivität 4.L angepassten Erdschlussdrossel 4 ergibt sich so ein mehrfrequentes Filter, das sowohl den Fehlerstrom der Grundfrequenz als auch den der von der Grundfrequenz abweichenden Frequenzkomponente kompensiert. Der Parallelschwingkreis kann verstellbare Komponenten, z.B. verstellbare Drosseln und/oder Kondensatoren enthalten, um ihn auf die im Drehstromnetz vorhandenen und gegebenenfalls veränderlichen Kapazitäten abstimmen zu können.

Das Drehstromnetz 1 kann auch andere Netzspannungen aufweisen.

Eine Sternpunkterdung kann statt an einem Einspeisetransformator auch an einem Sternpunktbildner vorgenommen werden. Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Lösungen zur Kompensation eines Fehlerstromes können auch am Sternpunkt 3 dieses Sternpunktbildners angewandt werden.

Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Anordnungen zur Kompensation eines Fehlerstromes bei einem Erdschluss E sind miteinander kombinierbar.

1

Drehstromnetz

2

Einspeisetransformator

3

Sternpunkt

4

Erdschlussdrossel

4.L

Induktivität der Erdschlussdrossel

4.R

ohmscher Widerstand der Erdschlussdrossel

5

Erdpunkt

6

Filterkreis

7

Schalter

8

Stromrichter

9

Parallelschwingkreis

CL1, CL2, CL3

parasitäre Kapazität

E

Erdschluss

H

Hochspannungsseite

M

Mittelspannungsseite

L1, L2, L3

Leiter