Die Statistik zeigt, dass Erdschlüsse einen großen Anteil der Netzfehler ausmachen. Konventionelle Relais sind nur für niederohmige Fehler unter stationären Bedingungen entwickelt worden. Sie sind weder für hochohmige Erdschlüsse, die besonders in ländlichen Netzen mit Freileitungen auftreten, noch für wiederzündende Erdschlüsse, die vor allem in kompensierten Kabelnetzen auftreten, geeignet. Als Folge wird der Erdschluss sehr oft gar nicht oder es wird ein falscher Abgang als der fehlerhafte erkannt. Dies erhöht gewaltig die benötigte Zeit bis zur Lokalisierung des Erdschlusses. Auf der anderen Seite wird der effektive Schutz des Netzes im deregulierten Markt immer wichtiger.
In diesem Infobrief wird ein neuer Algorithmus zur Erkennung von hochohmigen Erdschlüssen bis in den Bereich von einigen kOhm und dessen Vorteile vorgestellt.
Grundlagen des Erdschlusses
Das Verhalten eines einpoligen Erdschlusses kann durch Überlagerung von drei unterschiedliche Vorgänge beschrieben werden. Alle drei Vorgänge beginnen zwar zum gleichen Zeitpunkt, besitzen aber eine unterschiedliche Dauer.
Die folgenden drei Vorgänge können unterschieden werden:
- Entladung des fehlerhaften Leiters über die Erde
- Aufladung der beiden gesunden Leiter über die Erde
- Stationärer Zustand des Erdschlusses
Die Erläuterung der drei Vorgänge erfolgt an Hand des im Bild 1 dargestellten Netzwerkes mit drei Abgänge(A, B und C) und einem Erdschluss im Leiter 1 des Abganges A.
Entladung des fehlerhaften Leiters über die Erde
Die Leitungen können als verteilte Kettenleiter mit einer komplexen Serienimpedanz ZLXX und einer Leiter-Erde-Kapazität CXX betrachtet werden. Die größte Wahrscheinlichkeit für die erste Zündung des Lichtbogens ist in der Nähe des Maximums der Leiter-Erde-Spannung U1E. Zu diesem Zeitpunkt ist auch die Ladung am Leiter am größten. Die Entladung des Kettenleiters des Leiters 1 beginnt an der Fehlerstelle und breitet sich als Welle in beide Richtungen zu den Enden des Leiters 1 aus. Sowohl der Speisetrafo als auch die Verteiltrafos bei der Last können als hochohmiger Abschluss betrachtet werden. Die Ausbreitung der Welle zu den beiden gesunden Leitern wird dadurch blockiert. Auch der Einfluss einer Petersen-Spule wird dadurch unterdrückt. Vielmehr erfolgt eine Reflexion der Welle an den Enden des Leiters bzw.an jeder Stelle mit einer Änderung des Wellenwiderstandes, z.B. im Umspannwerk oder an einem Verteilpunkt mit einem Übergang von einer Leitung auf zwei oder mehrere. Diese Reflexion ist als hochfrequente Schwingung sowohl in der Nullspannung als auch im Nullstrom erkennbar.
Wichtige Parameter für das Verhalten der Entladung sind:
- Leiter-Erde-Kapazität des Leiters 1
- Ladezustand der Leiter-Erde-Kapazität vor der ersten Zündung des Lichtbogens
- Längsimpedanz ZL des Leiters 1 im fehlerhaften Abgang und in den gesunden Abgängen
- Impedanz ZF an der Fehlerstelle, die auch den Erdwider-stand enthält.
Die Entlade-Frequenz ist im Wesentlichen von der Serienimpedanz und der Leiter-Erde-Kapazität, die in erster Näherung proportional zur Leiterlänge ist, abhängig. Die Entlade-Frequenz ist höher für kleine Netzwerke und ist niedriger für große Netze. Üblicherweise liegt die Entlade-Frequenz im Bereich über 10 kHz.
