ETAPPEN DER INNOVATION - DER WERT DER NULLLEISTUNG
Das Problem der Sternpunkterdung hat die Pioniere der elektrischen Kraftübertragung bereits mit der Inbetriebnahme der ersten elektrischen Energieübertragung beschäftigt. Bei der ersten Drehstromübertragung von Lauffen a. N. nach Frankfurt a. M. im Jahre 1891 sind die Sternpunkte des Generators und des Transformators in Lauffen (Abb. 1) und in Frankfurt starr geerdet worden. [1]
Abb. 1 Station Lauffen (1891)
Kommt es zum Seilbruch im Leiter 1, sodass eine Erdberührung entsteht, führt das Schmelzen der Sicherung F1 zu einer Spannungs- und Stromunterbrechung. Durch die Sicherung Fo im Transformatorsternpunkt ist praktisch sogar ein Reserveschutz gegeben. Während in den USA und in England die Erdung der Generator- und Transformatorensternpunkte die Regel wurde, war dies in Deutschland wegen der Posttelegrafie von der Postverwaltung untersagt.
Der geschichtliche Rückblick zeigt, dass in den deutschsprachigen Ländern die Mittelspannungsnetze zunächst mit freiem Sternpunkt betrieben worden sind. Diese Betriebsweise lag nahe und man hatte auch infolge der geringen Netzausdehnung (geringer Erdschlussstrom) und der großen Reserve im Isolationsniveau der Geräte keine besonderen Schwierigkeiten. Mit dem Ansteigen der Erdschlussströme wesentlich über 50 A ist es aber nicht mehr zum Verlöschen der Erdschlusslichtbögen gekommen. 1917 gelangt dann bei der Kraftwerk Altwürttemberg A.-G., Wasserkraftwerk Pleidelsheim, die erste Petersen-Spule zum Einsatz. [2]
MESSGRÖSSENGEWINNUNG ZUR ERMITTUNG DES ERDSCHLUSSES
Charakteristisch für einen Erdschluss im isolierten oder kompensierten Netz ist das Verhalten der Leiter-Erde-Spannungen U1N, U2N und U3N. Während die verketteten Spannungen U12, U23 und U31 voll erhalten bleiben, bricht die Spannung im erdschlussbehafteten Leiter gegen Erde bis auf 0 zusammen und die Spannung der gesunden Leiter steigt bis zum Betrag der Dreieckspannung an. Wobei dies nur für den eingeschwungenen Zustand gilt. Bei Erdschlusseintritt können im kompensierten Netz Überspannungen bis zum 2,5-fachen und im isolierten Netz sogar bis zum 3,5-fachen zustande kommen.
Zur Erdschlusserfassung verwendet Schuckert im Jahre 1903 in seinem Patent DRP 160069 „Sicherungsvorrichtung für Wechselstromanlagen“ eine Spannungssummenschaltung (Abb. 2).
Abb. 2 Spannungssummenschaltung zur Erdschlusserfassung
Eine Erdschlusserfassung aus dem Jahr 1915 zeigt Abb. 3.
Abb. 3 Erdschlussmeldung, 1915
Ein Erdspannungs-Asymmeter von Schmittutz, Gossen (Abb. 4), zeigt die Verschiebung des Netzsternpunktes gegen das Erdpotenzial sehr anschaulich. Es besitzt als Skalenschild ein gleichseitiges Dreieck, das das Spannungsdreieck versinnbildlicht. Eine kleine runde Scheibe, die über dem Skalenblatt schwebt, stellt die Lage des Erdpotenzials dar. Die Drehbewegung von 3 Spannungsmesssystemen wird über Kokonfäden auf die kleine Erdpotenzialscheibe übertragen. Die Lage der Scheibe entspricht dadurch jeweils der Lage des Erdpotenzials im Spannungsdreieck. [3]
Abb. 4 Erdspannungs-Asymmeter System Schmittutz-Gossen
In einem Patent aus dem Jahre 1922 stellt P.v.d. Sterr, V & H, (Abb. 5 bis 8) die messtechnischen Lösungen zur Ermittlung der Nullspannung vor:
Abb. 8 Ermittlung der Nullspannung, P.v.d. Sterr: Asymmetrieschaltung an der Sekundärspule einer Erdungsdrosselspule
In der Praxis haben sich die Lösungen gem. Abb. 6 als „offene Dreieckswicklung“ und Abb. 7 als zusätzliche Spannungsmesswicklung in den Petersen-Spulen durchgesetzt.
Der Wahl der Bemessung der e-n-Wicklung, heute da-dn-Wicklung, von 100/3 V verdanken wir es, dass bei einem satten Erdschluss eine Verlagerungsspannung von 100 V (für 100 %) gemessen wird (Abb. 9 bis 11). [7]
Abb. 9 Schaltbild eines Spannungswandlersatzes
Abb. 10 Spannungsverhältnisse im gesunden Netz
Abb. 11 Spannungsverhältnisse bei Erdschluss in L3
a. Primärseite b. Sekundärseite
Mit dem Anschluss eines Überspannungsrelais an die Erdschlusshilfswicklung erfolgt die unselektive Erdschlussmeldung.
Ein weiteres Kriterium für einen Erdschluss ist der Erdschlussstrom (auch „amperemetrisches“ oder „amplitudisches“ Verfahren genannt). Zur Erfassung dieses Nullstromes gelangt die sogenannte „Holmgrenschaltung“ (1911) gemäß Abb. 12 (in der Literatur wird häufig „Holmgreenschaltung“ geschrieben) zur Anwendung. Aber eigentlich waren es Schuckert 1903 bzw. Nicholson (in der deutschsprachigen Literatur auch Nickolson geschrieben – Abb. 13) 1908 und Zachrisson 1909.
Abb. 13 Patent Nicholson, eingereicht 1908
Durch unterschiedliche Betrags- und Winkelfehler der Stromwandler insbesondere auch durch unterschiedliche Bebürdung ist es zu sogenannten „Falschströmen“ gekommen. [5]
Eine Verbesserung und Erhöhung der Empfindlichkeit ist mit dem System Ferranti-Howkins [6], heute bekannt als Kabelumbauwandler (Abb. 14), erreicht worden.
Abb. 14 Ferranti-Wandler
Während die Hauptwandler Nennströme von mehreren 100 A besitzen, hat sich als Kabelumbauwandler der 60/1 A als Standardlösung herauskristallisiert. Dabei ist weniger der Betragsfehler, sondern bei der Erdschlussrichtungsermittlung der geringe Winkelfehler ausschlaggebend.
SELEKTIVE ERDSCHLUSSERFASSUNG
Am Anfang ist ein Erdschluss nur durch die manuelle Beobachtung der Leiter-Erde-Spannungen bzw. der relaistechnischen Erfassung der Verlagerungsspannung durch Messung der Spannung zwischen nichtgeerdetem Sternpunkt oder Gehäuse gegen Erde erkannt worden. Später hat man die offene Dreieckswicklung, an welcher ebenfalls die Nullspannung erscheint, erfunden. Man hat wegen der geringen Ströme meist genügend Zeit gehabt, um die Fehlerstelle zu ermitteln. Die Erzählung von Rühle verdient auch hier erwähnt zu werden, der, als er vor dem Ersten Weltkrieg noch im Kraftwerk Rheinfelden beschäftigt gewesen ist, mit einem Hund die Leitungsstrecken abgegangen ist, und wenn der Hund gebellt hat, hat er gewusst, dass er die Erdschlussstelle gefunden hat. [8] Zur Ermittlung der erdschlussbehafteten Leitung schlägt Holmgren bereits 1911 Erdschlussleistungsrelais vor.
WATTMETRISCHES ERDSCHLUSSRICHTUNGSVERFAHREN
In den 20er Jahren des vergangenen Jahrhunderts hat sich zur selektiven Erdschlusserfassung die sogenannte wattmetrische Erdschlussortung durchgesetzt, bei der aus dem Produkt von Verlagerungsspannung und Nullstrom die Nullleistungsrichtung ermittelt wird. Der Begriff "wattmetrisches Verfahren" bezieht sich auf die Auswertung der Leistung des Nullsystems. Während im isoliert gefahrenen Netz (OSPE Ohne Sternpunkterdung) der kapazitive Erdschlussstrom überwiegt, steht im kompensierten Netz (RESPE Resonanzsternpunkterdung) nur noch überwiegend der Ohm'sche Erdschlussreststrom zur Verfügung. So ist im isolierten Netz die sin-Phi-Schaltung mit Auswertung der Nullleistungs-Blindleistung und im kompensierten Netz die cos-Phi-Schaltung mit Auswertung der Wirkleistung zur Anwendung gekommen. Der Begriff "wattmetrisch" für beide Verfahren ist darauf zurückzuführen, dass man früher auch die Blindleistung in Watt, z. B. BkW, angegeben hat.
So fertigt 1924 die AEG nach DRP 336210 (Abb. 15) das Erdschlussrichtungsrelais Pl Nr 69046 und Pl Nr 109227 [24] und ASEA die Relais RMS und RE [9]. Abb. 16 und 17 zeigen die Innenschaltung und die Ansicht mit der beim Zähler schon länger angewandten Ferraris-Scheibe des Pl Nr 109237 aus dem Jahre 1928.
Abb. 15 Erdschlussrichtungserfassung, AEG
Abb. 16 Pl Nr 109237, Innenschaltung, AEG, 1928
Abb. 17 Wattmetrisches Erdschlussrichtungsrelais, Pl Nr 109237, AEG, 1928
Das von Schleicher und Garz, Siemens, entwickelte cos-Phi-Relais zeigt Abb. 18. Die Wirkungsweise geht aus Abb. 19 hervor. [10]
Abb. 18 cos-Phi-Relais, Siemens
Abb. 19 Wirkungsweise der Erdschlusserfassung, Siemens
BBC fertigt 1960 das Erdschlussrichtungsrelais Typ CG26i BBC (Abb. 20). [11]
Abb. 20 Erdschlussrichtungsrelais CG26i, BBC, 1960 CG26i, BBC, 1960
1969 fertigt BBC das Erdschlussrichtungsrelais CE für kompensierte Netze und CE90 für isolierte Netze sowie das Erdschlussanzeigerelais VE3.
Ein Blick in das Relaisbuch von 1930 (Abb. 21) zeigt die üblichen Schaltungen zur Erdschlussrichtungsbestimmung.
Abb. 21 Nullgrößengewinnungen
ERDSCHLUSSWISCHERVERFAHREN
Im Jahre 1936 gibt Neugebauer, Siemens, ein neuartiges Prinzip zum Erfassen von Erdschlusswischern an und verwendet Zweifachröhrenschaltung zur Polaritätsbestimmung (Abb. 22 und 23). [12]
Abb. 22 Erdschlusswischererfassung, Neugebauer, 1936
Abb. 23 Erdschlusswischererfassung mit Zweifachröhrenschaltung
1956 fertigt Siemens das empfindliche und prellsichere RN1 (Abb. 24 bis 26).
Abb. 24 Erdschlusswischerrelais RN1, Siemens, 1956
Abb. 25 Prellsicheres Erdschlusswischerrelais, RN1, Siemens
Abb. 26 Schnelles Erdschlussrelais RN1, Siemens
In den Jahren 1959 bis 1963 erbringt H. Pundt durch umfangreiche Erdschlussversuche im 110-kV-Netz Ost, Verbundnetz Elt, Berlin, und in der CSSR den Nachweis, dass wattmetrische Relais nicht in der Lage sind, Erdschlusswischer und Dauererdschlüsse ihrer Lage nach zu ermitteln, aber Umladevorgänge bei Erdschlusseintritt geeignet sind. [13] Hieraus ist 1966 von EAW aus Translog-Bausteinen das transistorisierte Erdschlussrichtungsrelais TRER (Abb. 27) entwickelt worden. Eine Weiterentwicklung stellt das elektronische ERER (Abb. 28) dar.
Abb. 27 Erdschlusswischerrelais TRER, EAW, 1966
Abb. 28 Erdschlusswischerrelais ERER, 2002
Siemens fertigt 2002 das Erdschlusswischerrelais 7SN60 (Abb. 29) ebenfalls unter Ausnutzung der Transienten bei Erdschlusseintritt (Abb. 30).
Abb. 29 Erdschlusswischerrelais SN60, Siemens, 2002
Abb. 30 Transiente im Erdschlussfall
ERDSCHLUSSSUCHSCHALTUNGEN
Bei nicht vorhandenen oder nicht richtig anzeigenden Erdschlussrichtungsrelais ermittelte man durch Leitungsabschaltungen die erdschlussbehaftete Leitung. Die Stewag, Graz, erwirbt 1954 das Patent „Verfahren zur Erdschlußsuche in elektrischen Netzen“, österr. Pat. 173210 von Philipp v. Metnitz, tritt es an S&S ab und nutzt die AWE für Erdschlusseingrenzung mit RZK-Relais (Abb. 31). [14]
Abb. 31 Erdschlusseingrenzung mit AWE
Das Prinzip der Erdschlusssuchschaltung von Siemens aus dem Jahre 1956 zeigt Abb. 32.
Abb. 32 Erdschlusssuchschaltung, Siemens, 1956
Einen transportablen Erdschlussselektor zum Auslesen erdschlussbehafteter Leitungs- und Kabelausschnitte entwickelt 1960 Wolfgang Dotzenrath, SW Düsseldorf, unter Verwendung von Aufklappwandlern und elektronischer Verarbeitung (Abb. 33 und 34). [15]
Abb. 33 Erdschlussselektor, SW Düsseldorf, 1960
Abb. 34 Erdschlussselektor, Innenschaltung
Eine auch in der BRD und DDR zur Anwendung gelangte ungarische Entwicklung aus dem Jahre 1982 stellt das transportable Erdschlussortungsgerät für Freileitungsnetze „Tungiloc“ dar (Abb. 35).
Bild 35 Erdschlussortungsgerät „Tungiloc“ (H)
AUSNUTZUNG DER 5. OBERWELLE
1970 stellt Gutmann, AEG, das Erdschlussrichtungsrelais RERO (Abb. 36 und 37) mit Ausnutzung der 5. Oberwelle vor. [16]
Abb. 36 Erdschlussrichtungsrelais RERO, Schaltung, AEG, 1970
Abb. 37 RERO, AEG, 1970
ERHÖHUNG DES NULLSTROMES
1958 stellt Erich in der neuen Ausgabe des „Relaisbuches“ [17] eine Reststromerhöhung vor (Abb. 38). Man könnte das als Geburtsstunde der KNOSPE (Kurzzeitigen Niederohmigen Sternpunkterdung) bezeichnen.
Abb. 38 KNOSPE
Elektromark führt 1966 Versuche mit der Kurzerdung, 1700 A im 10-kV-Netz, durch. [18]
1979 setzt die EVO die Pulsortungsmethode, Gossen, (Abb. 39) ein. [23]
Abb. 39 Pulsortung
In Energiekombinaten der DDR wird die KÜK (Kurzzeitige Überkompensation), eine Entwicklung des EK Cottbus, realisiert. Abb. 40 zeigt die Anbringung der Zusatzinduktivität, angeschlossen an die Leistungswicklung der Petersen-Spule im UW Waltershausen, im Jahre 1983.
Abb. 40 Kurzzeitige Überkompensation, KÜK
2013 wird von Prof. Lothar Fickert, TU Graz, die Kurzzeitige Niederohmige Phasen-Erdung (KNOPE) vorgestellt (Abb. 41). [19]
Abb. 41 KNOPE, TU Graz, 2013
WEITERENTWICKLUNGEN
Im Jahre 1988/89 kommt es zu ersten Vorstellungen eines digitalen Erdschlussuniversalschutzes (Abb. 42) durch P. Schegner, AEG. [20]
Abb. 42 Erschlussuniversalschutz P. Schegner
1994 erfolgt die Inbetriebnahme der ersten Reststromkomp.- u. Erdschlusssuchanlage RCC, Swedish Neutral, (Abb. 43) im UW Weding, SCHLESWAG, und UW Tessin, HEVAG [21].
Abb. 43 Erste RCC, Swedish Neutral
2002 kommt es zur Markteinführung des Erdschlusswischerrelais EOR-D, A. Eberle (Abb. 44), mit den Funktionen Oberschwingungs-Verfahren, Pulsortung, Wischer-Verfahren und wattmetrisches Verfahren. Als Weiterentwicklung wird 2010 das EOR-3D gefertigt.
Abb. 44 Erdschlussrichtungsrelais EOR-D, A. Eberle, 2002
2017 bringt Sprecher Automation das erweiterte Erdschlussrichtungs- und Kurzschlussanzeigergerät SPRECON-EDIR (Abb. 45) auf den Markt.
Abb. 45 Erd- und Kurzschlussanzeigerelais EDIR, Sprecher Automation, 2017
Quellen
1 E. Lauer, Die Drehstromübertragung Lauffen a. N.–Frankfurt a. M. ZEAG, Heilbronn 1991
2 W. Schossig, 100 Jahre Petersenspule. In: ETG Mitgliederinformation, 2/2017, S. 48–55, www.walter-schossig.de
3 H. Weber, Der Erdschluß in Hochspannungsnetzen, Verlag von R. Oldenburg, München und Berlin 1936
4 J. Biermanns, Fehlerschutz in Hochspannungsnetzen, S. 369, EuM 1925
5 M. Walter, Strom- und Spannungswandler, Verlag von R. Oldenburg, München und Berlin 1937
6 R. Rüdenberg, Relais und Schutzschaltungen in elektrischen Kraftwerken und Netzen, Verlag von Julius Springer, Berlin 1929
7 W. Schossig.; G. Druml, Praxis der Ermittlung von Nullgrößen für isolierte und kompensierte Netze, STE2014, Nürnberg, 16./17.09.2014, www. walter-schossig.de
8 H. Titze, Die Entwicklung des Selektivschutzes für elektrische Anlagen. Erweiterte Fassung einer im Konrad-Matschoss-Preisausschreiben 1962 ausgezeichneten Arbeit, 44 S.
9 Excellence, safety and comfort. 100 years of Relay Protection in Sweden, www.abb.com/substation
10 Pfannkuch, Die Erdschluß-Kompensation in Kabelanlagen. In: Elektro-Journal, 3/1923, S. 47–50
11 Erdschlussrichtungsrelais Typ CG26i, AK 90013 D, Brown Boveri IV, 1960
12 H. Titze, Übersicht über den heutigen Stand des Erdschlussschutzes. In: ETZ, 58/1937, S. 101–106
13 R. Ulbricht, Versuche mit Erdschlußmeßgeräten im 110-kV-Netz Verbundnetz Ost. In: Sonderdruck aus Mitteilungen des Instituts für Energetik, 26/1960, S. 356–361
14 Metnitz, Kurzunterbrechung: Verfahren zur Erdschlusssuche in elektrischen Netzen. Sprecher & Schuh, Praktisches Wissen, Graz-Eggenberg 1954
15 W. Dotzenrath, Ein neuartiger Erdschlußselektor zum Auslesen erdschlussbehafteter Leitungs- und Kabelausschnitte. In: ETZ-B, 12/1960, S. 1–4
16 H. Gutmann, Die fünfte Oberschwingung als vorteilhaftes Kriterium für die Selektive Erdschlußerfassung in kompensierten Drehstromnetzen. In: Technische Mitteilungen, AEG_Telefunken 60/1979, S. 13-17
17 Vereinigung der Elektrizitätswerke e. V. (Hg.), Relaisbuch, Berlin 1930
18 H. Agel; E. Reuter, Die Kurzerdung (KE) zur Erfassung von Dauererdschlüssen in Mittelspannungsnetzen. In: ETZ-Report 9/1973, S. 51–54
19 L. Fickert; J. Pasker; S. Riegler, Grundlegend neue Schutzphilosophien zur Sicherstellung der Stromversorgung, TU Graz, 14.02.2013
20 P. Schegner, Digitaler Erdschlußuniversalschutz. Konzept und erste Realisierung, Diss., Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Elektroenergieversorgung, Saarbrücken 1989
21 K. M. Winter, Die Reststromkompensation – Ein neues Verfahren für den Erdschluß-Schutz von Kabel- und Freileitungsnetzen. In: D.3., Sternpunktbehandlung in Verteilungsnetzen – Zukunftsaussichten, Internationales Symposium NMT 7.–8. November 1995 in Mulhouse, Frankreich
22 R. Willheim, Das Erdschlußproblem in Hochspannungsnetzen, Berlin 1936
23 E. Gäbel; E. Reinhold; E. Wiener, Erfahrungen bei der Erdschlußsuche mit der Pulsortungsmethode im induktiv geerdeten 20-kV-Netz der EVO. In: Elektrizitätswirtschaft 89/1990, S. 890–895
24 Mosoloff,v.,B.: Das empfindliche Erdschlußrelais. AEG-Mitt. (1924)3,71-74