[Zusammenfassung] Dieser Artikel analysiert die Eigenschaften von Nullspannung und Nullstrom bei einphasiger Erdung in Niedrigstrom-Erdungssystemen und erläutert die konkrete Implementierung und Beurteilung der Erdschlussauswahl mithilfe integrierter Stationsautomatisierungssysteme. [Schlüsselwörter] Integriertes Automatisierungssystem, Niedrigstrom-Erdungssystem, Fehlerauswahl, Nullspannung 1. Einleitung In Chinas 35-kV- und 10-kV-Stromnetzen wird der Sternpunkt von Transformatoren häufig indirekt geerdet (Niedrigstrom-Erdungssystem). Tritt ein einphasiger Erdschluss auf, ist der Fehlerstrom oft deutlich kleiner als der Laststrom. Die Spannung der fehlerhaften Phase fällt auf null, während die Spannung der nicht fehlerhaften Phase auf das Doppelte der Phasenspannung ansteigt. Die Leiterspannungen zwischen den drei Phasen bleiben jedoch symmetrisch, und es gibt keine Auswirkungen auf die Stromversorgung. Daher erlauben die Vorschriften einen Weiterbetrieb für 1–2 Stunden. Im realen Betrieb kann Überspannung jedoch zu Unfällen wie Kabelexplosionen, durchgebrannten Sicherungen von Fernsehgeräten und Kurzschlüssen an Sammelschienen führen. Daher ist die schnelle Bestimmung des Erdungspunktes und die Beseitigung einphasiger Erdschlüsse von großer Bedeutung für den sicheren Betrieb des Systems. Die traditionelle Methode zur Ortung von Erdschlüssen besteht darin, die Leistungsschalter jeder abgehenden Leitung nacheinander abzuschalten. Sobald die fehlerhafte Leitung abgeschaltet ist, erholt sich die Spannung der geerdeten Phase und das Erdungssignal verschwindet; andernfalls wird die Suche fortgesetzt. Obwohl diese Methode oft durch Wiedereinschalten behoben werden kann, sind ihre Nachteile für Kunden mit hohem Stromversorgungsbedarf aufgrund der rasanten industriellen Entwicklung offensichtlich, insbesondere bei stark belasteten 35-kV-Leitungen, wo sie die Anforderungen an eine sichere und stabile Stromversorgung nicht mehr erfüllt. Seit ihrer Einführung in den 1980er Jahren haben Erdschlussortungsgeräte für niedrige Ströme schnell an Popularität gewonnen und wurden mehrfach verbessert. Obwohl sich ihre Genauigkeit verbessert hat, ist die Selektionswirkung noch nicht optimal. Statistiken zufolge liegt die durchschnittliche Genauigkeit verschiedener derzeit im Einsatz befindlicher Erdschlussortungsgeräte lediglich bei 20–30 %, was eine hohe Fehlalarmrate zur Folge hat. Viele Geräte sind daher nach der Installation praktisch unbrauchbar und führen zu Verschwendung. Mikrocomputerbasierte integrierte Automatisierungssysteme bieten im Vergleich zu herkömmlichen mikrocontrollerbasierten Fehlerortungsgeräten unübertroffene Hardware-Vorteile und die Möglichkeit, komplexe Softwareprogramme zu verarbeiten. Die Nutzung vorhandener mikrocomputerbasierter integrierter Automatisierungssysteme für eine präzise Fehlerortung ist ein dringendes Problem. 2. Analyse von Nullspannung und Nullstrom in einem System mit geringem Erdungsstrom und einphasiger Erdung Bei einem einphasigen Erdschluss beträgt die Nullspannung am Fehlerpunkt U(·)d0 = (U(·)ad + U(·)bd + U(·)cd)/3 = -U(·)a, und der Nullstrom entspricht dem kapazitiven Strom des Gesamtsystems. Das Vektordiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Da Freileitungen die gleiche äquivalente Kapazität gegen Erde aufweisen, lassen sich die Eigenschaften der Nullspannung und des Nullstroms anhand des Vektordiagramms wie folgt zusammenfassen: ① Bei einem einphasigen Erdschluss (z. B. Phase A) wird die Kapazität C0 gegen Erde der fehlerhaften Phase kurzgeschlossen; ② Der Betrag von 3I(·)01 der nicht fehlerhaften Leitung entspricht dem Erdkapazitätsstrom dieser Leitung, und ihre kapazitive Blindleistung fließt vom Bus zur Leitung; ③ Der Betrag von 3I(·)02 der fehlerhaften Leitung entspricht der Summe von 3I(·)01 aller nicht fehlerhaften Leitungen, also der Summe der Erdkapazitätsströme aller nicht fehlerhaften Leitungen; ihre kapazitive Blindleistung fließt von der Leitung zum Bus. ④ Ist die Polarität des Nullstromwandlers in Richtung des Stromflusses vom Umspannwerkssammelschienensystem zur Leitung positiv, so eilt der Nullstrom der fehlerfreien Leitung der Nullspannung um 90° voraus, der Nullstrom der fehlerhaften Leitung hinkt der Nullspannung um 90° nach, und die Nullströme der fehlerhaften und der fehlerfreien Leitung sind um 180° phasenverschoben. 3. Spezifische Implementierung und Kriterien für die Auswahl kleiner Erdschlüsse in integrierten automatisierten Umspannwerken. Das Stromnetz von Qingzhou nutzt derzeit weitgehend ein mikrocomputerbasiertes, integriertes Automatisierungssystem auf Basis des Betriebssystems Windows NT (Workstation 4.0). Dessen Funktion zur Auswahl kleiner Erdschlüsse zeichnet sich durch eine einfache und flexible Hardwarekonfiguration sowie eine unkomplizierte Software aus. Wenn die Leerlauf-Dreieckspannung (Nullspannung) eines Sammelschienen-Spannungswandlers den Grenzwert (üblicherweise 10–20 V) überschreitet, wird dies von einem gemeinsamen Datenerfassungsgerät erfasst und ein Signal an die Fehlererkennungszentrale gesendet. Nach Empfang des Alarmsignals übermittelt die Zentrale die Nullspannungs- und Nullstromvektoren an alle abgehenden Schutzgeräte des betreffenden Sammelschienenabschnitts. Anhand der erfassten Vektoren wird die Richtung der kapazitiven Blindleistung zum Zeitpunkt des Erdschlusses berechnet. Gleichzeitig wird anhand der Nullstromstärke jeder Leitung die fehlerhafte Leitung identifiziert. Der maximale Empfindlichkeitswinkel des Nullstromrichtungselements für die Fehlererkennung beträgt 90 Grad. Generell können folgende Punkte zur vorläufigen Beurteilung geerdeter Leitungen herangezogen werden: ① Wird die Richtung der Sammelschiene im Umspannwerk zum Leitungsausgang als positive Richtung angenommen, ergibt sich die kapazitive Blindleistung bei Erdung zu: Q = Im(U(·) × I(＊)) = Uy × Ix - Ux × Iy > 0. ② Die Amplitude von 3I(·)₀ der geerdeten Leitung ist am größten. ③ Im Sonderfall, dass keine positive Leitungserdung vorliegt, wird die Sammelschiene als geerdet betrachtet. 4. Erfassungs- und Prüfverfahren für Nullstrom und Nullspannung: Bei Stromwandlern in Dreiphasen-Sternschaltung kann die Vektorsumme der drei Phasenströme als Nullstrom verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass die Verdrahtung einfach ist und die gleichnamigen Klemmen für den Nullstrom nicht verwechselt werden können. Bei einer zweiphasigen unvollständigen Sternschaltung des Stromwandlers und einem Hochspannungsanschluss am Ausgang kann ein separater Nullstromwandler installiert werden. Dessen Vorteil liegt in der geringeren Unsymmetrie des Stroms und der höheren Empfindlichkeit im Fehlerfall. Um einen möglichst hohen Kennwert des Sekundärfehlerstroms im Fehlerfall zu erzielen, sollte das Übersetzungsverhältnis des Nullstromwandlers möglichst klein und die Genauigkeit möglichst hoch sein. Optimal ist die Installation eines leitungsselektiven Nullstromwandlers. (Statistiken zufolge weist ein typischer 200/5-Nullstromwandler bei einem Primärstrom unter 5 A und einer definierten Sekundärlast einen Übersetzungsfehler von 20–40 % und einen Winkelfehler von 30–50° auf.) Besonderes Augenmerk sollte darauf gelegt werden, dass die Richtung des Nullstroms von der Sammelschiene zur Leitung positiv ist und der entsprechende Anschluss des Nullstromfilters bzw. Nullstromwandlers mit dem entsprechenden Anschluss des Schutzgeräts verbunden ist. Die meisten mikroprozessorgesteuerten Leitungsschutzgeräte wählen ihre Nullspannung direkt aus der vom Schutzgerät selbst im Fehlerfall berechneten Dreiphasenspannung. Einige Schutzgeräte benötigen jedoch eine externe Nullspannung. Bei der Anlegung einer externen Nullspannung ist auf deren Richtung zu achten. Die offene Dreieckschaltung des Spannungswandlers verwendet eine positive Polarität, wird aber umgekehrt an das Schutzgerät angeschlossen. Das heißt, der gleichnamige Anschluss (Sternchenanschluss) der offenen Dreieckschaltung des Spannungswandlers wird mit N und Erde verbunden und anschließend mit dem gleichnamigen Anschluss 3U0* des mikroprozessorgesteuerten Schutzgeräts. Der nicht gleichnamige Anschluss (ohne Sternchen) ist mit L und gleichzeitig mit dem nicht gleichnamigen Anschluss 3U0 des mikroprozessorgesteuerten Schutzgeräts verbunden (siehe Abbildung 2). Basierend auf der obigen Analyse der Eigenschaften von Nullspannung und Nullstrom sowie der tatsächlichen Verdrahtung vor Ort muss die Phase des tatsächlichen Nullstroms und der Nullspannung der fehlerhaften Leitung während des Tests simuliert werden. Beispielsweise wird bei Verwendung des mikrocomputerintegrierten Testgeräts 6108G der Firma Guangdong Angli zunächst eine dreiphasige, symmetrische positive Phasenfolgespannung angelegt. Anschließend wird U(·)a auf Null reduziert und gleichzeitig 3I(·)0 um 90 Grad gegenüber U(·)a vorgeschaltet (da die tatsächliche Phasendifferenz zwischen U(·)0 und U(·)a 180 Grad beträgt), um das Leitungsauswahlgerät zu testen. Nach dem Einschalten der Anlage kann bei einem 10-kV-System eine bestimmte abgehende Leitung für einen Erdungstest ausgewählt werden, um die korrekte Verdrahtung und die Betriebseigenschaften des Leitungsauswahlgeräts zu überprüfen. Bei einem 35-kV-System kann aufgrund des höheren Erdungsstroms, der höheren Spannung und des größeren Risikos jedoch kein Erdungstest durchgeführt werden. 5. Fazit: Das mikrocomputerbasierte, integrierte Automatisierungssystem zur Leitungsauswahl bietet deutliche Vorteile und Fortschritte gegenüber herkömmlichen Leitungsauswahlgeräten für niedrige Ströme. Allerdings tragen die bei einphasiger Erdung in nicht direkt geerdeten Systemen entstehenden Oberschwingungen sowie Überspannungen bei Fehlerübergängen zu der hohen Fehlauswertungsrate herkömmlicher Leitungsauswahlgeräte bei. Das mikrocomputerbasierte, integrierte Automatisierungssystem stellt typischerweise drei Sätze möglicher Erdungsleitungen zur manuellen Prüfung und detaillierten Analyse bereit, was die Genauigkeit der Leitungsauswahl verbessert. Das Stromnetz von Qingzhou nutzt die Leitungsauswahlfunktion des mikrocomputergestützten, integrierten Automatisierungssystems der Beijing Sifang Company in zwei 110-kV- und sechs 35-kV-Umspannwerken. Laut Betriebsstatistik liegt die Genauigkeit der Leitungsauswahl bei 95,6 %, was die Wirtschaftlichkeit und den Nutzen unserer Stromversorgungsabteilung deutlich verbessert.