1. Kurzbeschreibung des Unfalls: In den letzten Jahren hat die rasante Entwicklung städtischer Stromnetze zu einem stetigen Anstieg des Anteils von Kabelleitungen und damit zu einem sprunghaften Anstieg der Erdkapazitätsströme geführt. Mit der Zunahme von Stromnetzunfällen durch einphasige Erdschlüsse in 10-35-kV-Systemen haben sich auch die daraus resultierenden wirtschaftlichen Verluste und gesellschaftlichen Auswirkungen erhöht. Laut Statistik des Pekinger Stromversorgungsamtes ereigneten sich zwischen Juli und Oktober 1998 vier Unfälle durch einphasige Erdschlüsse in 10-kV-Systemen. Einige führten zur Abschaltung ganzer Umspannwerke und beeinträchtigten die Stromversorgung wichtiger Verbraucher. Andere verursachten Schäden am Haupttransformator, durchgebrannte Schaltschränke und explodierende Überspannungsableiter. Die Details sind wie folgt: (1) Am 6. Juli 1998 ereignete sich in Xiaozhuang, Peking, ein einphasiger Erdschluss an Phase B der Sammelschiene 4 des 35-kV-Netzes. Nachdem der Fehler eine Stunde lang andauerte, kam es zum Durchschlag der Hauptisolierung des Stromwandlers im Schalter 301. Der Schalter explodierte und geriet in Brand, und der Haupttransformator Nr. 1 löste differenziell aus. (1) Während des automatischen Umschaltvorgangs wurde der Haupttransformator Nr. 2 einem Ausgangskurzschluss ausgesetzt. Aufgrund der Vibration des Schwergasrelais des Laststufenschalters löste auch der Haupttransformator Nr. 2 aus, was zu einem Stromausfall im gesamten Umspannwerk führte. (2) Am 21. Juli 1998 ereignete sich ein einphasiger Erdschluss an der Sammelschiene Nr. 5 des 10-kV-Umspannwerks Peking Beitucheng. Bei der Fehlersuche wurde der einphasige Erdschluss der Sammelschiene Nr. 5 mit der Sammelschiene Nr. 3 verbunden, was zur Explosion des Schalters 211 und zur Beschädigung eines importierten, vollständig gekapselten 110-kV-Haupttransformators mit 31,5 MVA durch einen Ausgangskurzschluss führte. (3) Am 16. September 1998 ereignete sich ein einphasiger Erdschluss an der Sammelschiene 5 des 10-kV-Umspannwerks Peking Gucheng. Nur 158 ms später entzündete sich der Kurzschluss zwischen den Phasen im Schalter 222, wodurch die Sekundärleitungen im Schaltschrank durchbrannten und einen Kurzschluss verursachten. Die Gleichstromsicherung brannte durch, die Gleichstromversorgung fiel aus und der Schutz konnte nicht aktiviert werden. Nachdem der Fehler auf der Niederspannungsseite des Transformators 2 50 Sekunden lang andauerte, trat ein einphasiger Erdschluss an der 10-kV-Sammelschiene 4 auf (Überschlag am Schalterträger 201-4). Nach 35 Sekunden Dauer dieses Erdschlusses entstand ein dreiphasiger Kurzschluss zwischen Schalter 201 und der Stromwandlerzuleitung, woraufhin der Differenzialschutz des Transformators 1 auslöste. Nachdem der Fehler auf der Niederspannungsseite des Transformators Nr. 2 1 Minute und 25 Sekunden andauerte, löste der 110-kV-Überstromschutz die Schalter 112 und 302 aus, wodurch Transformator Nr. 2 vom Netz getrennt wurde und die Stromversorgung des gesamten Umspannwerks unterbrochen war. Der Vorfall führte zum Durchbrennen von vier 10-kV-Schaltschränken, der Stromausfall im gesamten Umspannwerk dauerte über 6 Stunden und beeinträchtigte die Stromversorgung wichtiger Verbraucher. (4) Am 25. Oktober 1998 verursachte eine einphasige Erdung der 10-kV-Leitung im Umspannwerk Xiluoyuan in Peking die Explosion des 10-kV-Überspannungsableiters, Beschädigung des Schaltschranks und den Stromausfall der 10-kV-Sammelschienen Nr. 4 und 5, was zu Verletzten führte. 2. Ursachenanalyse: Unter normalen Umständen darf ein einphasiger Erdschluss in einem 10–35-kV-System ohne Erdung des Sternpunkts 2 Stunden lang bestehen bleiben. Warum treten jedoch so häufig einphasige Erdschlüsse auf und eskalieren rasch zu Phasen-zu-Phasen-Fehlern, wodurch die Situation verschärft wird? Ein Grund dafür sind Schwachstellen in der Isolation einzelner Betriebsmittel innerhalb des Systems. Ein weiterer wichtiger Grund ist der hohe kapazitive Strom im 10-kV-System, der das Selbstlöschen des Erdschlussbogens verhindert und zu einer hohen Erdschlussüberspannung führt. Erfahrungsgemäß kann diese Überspannung bis zu 3,5 betragen. Bei einem einphasigen Erdschluss entspricht der durch den Lichtbogen fließende Strom der Summe der kapazitiven Ströme der intakten Phasen gegen Erde. Um den Gesamtfehlerstrom zu reduzieren, werden häufig Lichtbogenlöschspulen eingesetzt. Nach der Installation einer Lichtbogenlöschspule kann der Erdschlussbogen nicht aufrechterhalten werden und erlischt selbst, wenn der Reststrom am Erdungspunkt 10 A nicht überschreitet. Von den vier oben genannten Umspannwerken war nur eines mit einer nicht funktionsfähigen Lichtbogenlöschspule ausgestattet. Der kapazitive Strom im 10-kV-Sammelschienensystem des betreffenden Umspannwerks erreichte 82 A und überschritt damit den in den Vorschriften festgelegten zulässigen Wert von 10 A deutlich. Die Lichtbogenlöschspulen der drei anderen Umspannwerke sind zwar in Betrieb, jedoch ist die Einstellung der Spulenanzapfungen aufgrund theoretischer Berechnungen fehlerhaft, und der Verstimmungsgrad entspricht nicht den Anforderungen. Tritt ein einphasiger Erdschluss auf, ist der Reststrom am Fehlerpunkt weiterhin größer als 10 A, der Erdschlusslichtbogen kann nicht selbstständig erlöschen, und es entsteht weiterhin eine Erdschlussüberspannung in hohem Maße. Die Lichtbogenlöschspulen erfüllen somit nicht ihre vorgesehene Funktion und sind praktisch nutzlos. Beispielsweise beträgt der theoretisch berechnete Wert des kapazitiven Stroms in einem 10-kV-System in einigen Umspannwerken 43 A, der tatsächlich gemessene Strom jedoch bis zu 96 A. 3 Lösungen 3.1 Installation von Lichtbogenlöschspulen Um die Selbstlöschung von Erdungslichtbögen zu gewährleisten, sollten in allen 10-35-kV-Systemen ohne Erdung am Neutralpunkt, in denen der kapazitive Strom 10 A überschreitet, Lichtbogenlöschspulen installiert werden. 3.2 Optimierung des Managements von Lichtbogenlöschspulen Die Ansteuerung der Lichtbogenlöschspulen sollte nicht allein auf theoretischen Berechnungen basieren, sondern anhand des gemessenen kapazitiven Stromwerts erfolgen. Andernfalls funktionieren die Lichtbogenlöschspulen aufgrund großer Berechnungsfehler nicht ordnungsgemäß und sind somit wirkungslos. Schlimmer noch: Es kann zu einer Unterkompensation kommen, die Resonanzüberspannungen und weitere negative Auswirkungen zur Folge haben kann. Die kapazitive Strommessung sollte regelmäßig durchgeführt werden. Die Methode mit einem externen Kondensator ist einfach, effektiv und für den praktischen Einsatz geeignet. 3.3 Die Technologie von Lichtbogenlöschspulen entwickelt sich rasant und erfordert daher eine sorgfältige Auswahl. Herkömmliche manuelle Lichtbogenlöschspulen benötigen nicht nur Stromabschaltungen zur Stufeneinstellung und verfügen nicht über eine automatische Nachführung des kapazitiven Netzstroms, sondern weisen auch Verstimmungsprobleme auf, die nur schwer innerhalb von 10 % eingehalten werden können, was zu unbefriedigenden Ergebnissen führt. Statistische Analysen nationaler und internationaler Daten zeigen, dass in Netzen mit herkömmlichen manuellen Lichtbogenlöschspulen die Rate einphasiger Erdschlüsse, die zu Phasen-zu-Phasen-Kurzschlüssen führen, zwischen 20 % und 40 % liegt – mehr als dreimal so hoch wie in Netzen mit automatischer Nachführung. Daher sollten neu installierte Lichtbogenlöschspulen mit automatischer Nachführung ausgestattet sein. Derzeit gibt es vier Haupttypen von automatischen Lichtbogenlöschspulen: (1) Spulen, deren Stufeneinstellung über einen Laststufenschalter erfolgt; (2) Spulen, die den Luftspalt des Eisenkerns der Lichtbogenlöschspule anpassen; (3) Spulen, deren Einstellung über Gleichstrom-unterstützte Magnetisierung erfolgt; und (4) solche, die die Lichtbogenlöschspule mittels eines Thyristors einstellen. Für die Typen (1) und (2) sind bereits Produkte erhältlich. Die Lichtbogenlöschspulen, die über einen Laststufenschalter eingestellt werden, weisen eine größere Anzahl an Betriebseinheiten auf und sind technologisch ausgereifter, weshalb ihnen Priorität eingeräumt werden sollte. Um sicherzustellen, dass die herkömmlichen manuellen Lichtbogenlöschspulen ihre volle Funktion erfüllen und ihre systembedingten Schwächen überwinden, können sie je nach Priorität schrittweise in automatische Nachführspulen umgewandelt werden. 3.4 Die Technologie des mikrocomputergestützten Erdungsschutzes soll forciert werden. Das 10-35-kV-System ist ein Niederstrom-Erdungssystem. Da der Erdungsschutz noch nicht ausreichend gelöst ist, muss die Erdungsleitung manuell gesucht werden, was zeitaufwändig ist und zu Phasen-zu-Phasen-Kurzschlüssen führen kann, wodurch die Unfallgefahr erhöht wird. Dank der kontinuierlichen technologischen Weiterentwicklung ist der selektive Relais-Schutz für Niederstrom-Erdungssysteme im In- und Ausland mittlerweile weit verbreitet. Das heißt, bei einem einphasigen permanenten Erdschluss kann die fehlerhafte Leitung innerhalb einer festgelegten Zeit automatisch getrennt werden, ohne dass eine manuelle Suche und Trennung erforderlich ist. Durch den Einsatz dieser Technologie wird die Dauer einphasiger Erdschlüsse im 10–35-kV-System deutlich reduziert, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Eskalation einphasiger Erdschlüsse erheblich gesenkt wird. Daher wird empfohlen, wichtige Umspannwerke mit Erdschlussortungsgeräten auszustatten. 3.5 Durchführung von Erdungsuntersuchungen im 10–35-kV-System und Formulierung von Erdungsprinzipien. Das 10–35-kV-System verfügt über zwei Erdungsmethoden: Lichtbogenunterdrückungsspulen-Erdung und Widerstandserdung. Die Widerstandserdung lässt sich weiter in hoch-, mittel- und niederohmige Erdung unterteilen. Beide Erdungsmethoden werden derzeit landesweit eingesetzt. Die Lichtbogenunterdrückungsspulen-Erdung ist eine in meinem Land seit vielen Jahren bewährte Methode. Die niederohmige Erdung ist eine neuere Technologie. Ihre Vorteile sind die schnelle Fehlerbehebung, niedrige Überspannungspegel und die Möglichkeit des Einsatzes von lückenlosen Zinkoxid-Überspannungsableitern usw. Ihre Nachteile sind jedoch ebenfalls offensichtlich. Durch einphasige Erdschlüsse wird die Zuverlässigkeit der Stromversorgung reduziert, der Erdschlussstrom künstlich erhöht und die Gefährdung der Personensicherheit gesteigert. Die überwiegende Mehrheit der Umspannwerke des Konzerns nutzt eine Erdung mit Lichtbogenlöschspulen, nur wenige neu in Betrieb genommene Umspannwerke verwenden eine niederohmige Erdung. International werden beide Erdungsmethoden eingesetzt. So verwenden beispielsweise Deutschland, Frankreich und Russland Lichtbogenlöschspulen, während die USA und Japan eine niederohmige Erdung nutzen. Frankreich verwendete zunächst eine niederohmige Erdung, wechselte aber später zur Erdung mit Lichtbogenlöschspulen. Da die Systemerdung ein komplexes Ingenieurprojekt mit vielen Aspekten wie Stromversorgungssicherheit, Überspannungsschutz, Isolationskoordination, Relais-Schutz, Personensicherheit und Auswirkungen auf die Kommunikation darstellt, wird empfohlen, die Erdungsmethoden für 10–35-kV-Systeme zu untersuchen. Eine umfassende Zusammenfassung der Betriebserfahrungen und der gewonnenen Erkenntnisse beider Erdungsmethoden ist erforderlich. Aus praktischen Erwägungen sollte eine technisch-wirtschaftliche Analyse durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Erdung an die lokalen Gegebenheiten angepasst wird und die aktuelle Situation mit zukünftigen Entwicklungen in Einklang bringt. Dies ermöglicht die Formulierung von Erdungsprinzipien für das 10–35-kV-System der Unternehmensgruppe und beugt Verwirrung und technischen Fehlern bei den Erdungsmethoden vor.