Fehlerstromschutzschalter für DC-Systeme
Gleichstromsysteme (DC) haben positive und negative Sammelschienen. Wenn eine der Sammelschienen absichtlich geerdet ist, spricht man von einem geerdeten System. Wenn keine der beiden Sammelschienen geerdet ist, spricht man von einem ungeerdeten Gleichstromsystem. Ein Erdschluss in einem Gleichstromsystem kann sowohl an der Quelle als auch im Feld Schäden verursachen. Wenn das System nicht geerdet ist, kann ein Fehlerstromrelais verwendet werden, indem ein Bezugsmasse-Modul zwischen den beiden Sammelschienen installiert wird, um einen Neutralpunkt herzustellen (siehe Abbildung 1). Das Fehlerstromrelais verwendet diese Referenz, um einen Pfad für den Fehlerstrom zu erstellen, der dann gemessen werden kann. Das Bezugsmasse-Modul wurde gewählt, um Fehlerströme auf einen sehr niedrigen Wert zu begrenzen.
Abbildung 1.
Fehlerstromschutzschalter für Wechselstromsysteme
Ungeerdete Wechselstromsysteme, wie in Abbildung 2 dargestellt, wurden dort eingesetzt, wo die Kontinuität der Stromversorgung entscheidend war. Beispielsweise können Chemieanlagen oder Raffinerien bei denen Verfahren nicht ohne erhebliche finanzielle oder Produktverluste unterbrochen werden können, über ein ungeerdetes System verfügen. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass diese Systeme problematisch sind und durch Systeme mit Erdungswiderstand ersetzt werden. Zwei Hauptprobleme bei ungeerdeten Systemen sind transiente Überspannungen und Schwierigkeiten bei der Ortung von Erdschlüssen.
Abbildung 2.
Ein ungeerdetes System hat keinen Punkt im System, an dem die nicht stromführenden Metallteile absichtlich geerdet werden. Die Erdung erfolgt nur über die Systemkapazität zur Masse (siehe Abbildung 2). Die Kontinuität des Betriebs besteht, weil das System betrieben werden kann, wenn auf einer Phase ein Erdschluss auftritt. Ein intermittierender Fehler oder Lichtbogen kann hohe, transiente Überspannungen zur Erde erzeugen. Diese Spannungen werden im gesamten System auf die Phasenleiter eingeprägt, bis die Isolierung an der schwächsten Stelle zusammenbricht. Dieser Durchschlag kann an jedem Punkt des elektrischen Systems auftreten und einen Phase-zu-Erde-zu-Phase-Fehler verursachen. Obwohl ein Erdschluss im System erkannt oder ein Alarm ausgelöst werden kann, ist es schwierig, die Position des Fehlers zu bestimmen.
Es gibt zwei Methoden, um Erdschlüsse in ungeerdeten Systemen zu erkennen. Eine Methode besteht darin, die Spannungen zwischen den Phasen und der Erde zu überwachen. Wenn sich ein Erdschluss entwickelt, fällt die fehlerhafte Phase auf Erdpotenzial, wodurch eine Kontrollleuchte aufleuchtet. Die Kontrollleuchten an den fehlerfreien Phasen leuchten heller. Eine zweite Methode zur Erkennung eines Erdschlusses ist die Messung des Isolationswiderstands. Wenn sich die Isolierung verschlechtert, kann ein Relais, das den Isolationswiderstand kontinuierlich überwacht, für eine vorausschauende Wartung auf verschiedenen Stufen einen Alarm auslösen. Eine optische Anzeige oder ein Messgerät kann ebenfalls verwendet werden.
Starr geerdete Systeme
Aufgrund der Probleme von ungeerdeten Systemen hat sich die Herangehensweise geändert und die Designs wechselten von ungeerdeten zu geerdeten Systemen. In den meisten Fällen wurde ein starr geerdetes Erdungssystem gewählt. Ein starr geerdetes System ist ein System von Leitern, bei dem mindestens ein Leiter oder Punkt absichtlich geerdet ist (normalerweise der Neutralpunkt von Transformator- oder Generatorwicklungen). Das Problem bei der direkten Verbindung ist, dass der Erdschlussstrom übermäßig hoch sein kann, was zu Gefahren durch Lichtbögen, umfangreichen Geräteschäden und möglichen Verletzungen von Personen führen kann. Ein starr geerdetes System kann bei einem Erdschluss nicht weiter betrieben werden.
Abbildung 3.
In einem starr geerdeten System ist der Wye-Punkt (oder Neutralleiter) der Stromquelle fest mit der Erde verbunden und bietet ein sehr stabiles System, das eine feste Phase-Erde-Spannung aufrechterhält.
Der hohe Erdschlussstrom ist anhand von Sicherungen, Leistungsschaltern oder Schutz-Relais oder einer Kombination davon leicht zu erkennen, was eine selektive Auslösung ermöglicht (Auslösung der fehlerhaften Zuleitung und nicht der Haupteinspeisung). Wenn ein Erdschluss auftritt, kann es schnell zu Schäden an der Fehlerstelle kommen, da die dem Erdschluss zur Verfügung stehende Energie nur durch die Systemimpedanz (die in der Regel sehr niedrig ist) begrenzt ist. Aufgrund von übermäßigem Erdschlussstrom und Lichtbogenrisiken muss die fehlerhafte Zuleitung außer Betrieb genommen werden. Dies ermöglicht keinen Dauerbetrieb während eines Erdschlusses.
Abbildung 4.
Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für die Risiken, die mit starr geerdeten Systemen verbunden sind. In diesem Beispiel tritt ein Erdschluss auf und der Überstromschutz ist auf 600 A eingestellt.
Nehmen wir an, dass es sich bei diesem Erdschluss nicht um einen satten Erdschluss handelt, sondern um einen Lichtbogen aufgrund eines Isolationsdurchschlags oder einer teilweisen Verringerung der Abstände zwischen Leitung und Erde.
Aufgrund des Lichtbogenwiderstandes kann der Fehlerstrom bis zu 38 % der Stärke eines satten Erdschlusses betragen. Dies kann im Bereich einer normalen Belastung oder einer leichten Überlastung liegen. Der Fehlerstrom kann so niedrig sein, dass das Überstromgerät (600-A-Leistungsschalter) einen Fehler nicht wahrnimmt oder ihn registriert, aber längere Zeit nicht auslöst. Die von der Quelle gelieferte Energie konzentriert sich am Lichtbogen und kann sehr schnell schwere Geräteschäden verursachen.
Diese Energiefreisetzung kann einen Brand verursachen, der wiederum die Räumlichkeiten beschädigen und eine extreme Gefahr für das Personal darstellen kann. Abgesehen von der Umwandlung dieses fest geerdeten Systems in einen Erdungswiderstand besteht der beste Weg, Schäden zu vermeiden, darin, schwachen Fehlerstrom zu erkennen, bevor er zu einem Erdschluss wird. Um dies zu erreichen, muss das Schutz-Relais in der Lage sein, schwachen Fehlerstrom ohne Fehlauslösungen zu erkennen.
In modernen Anlagen erzeugen Geräte oft Rauschen oder Oberschwingungen, die die ordnungsgemäße Funktion eines Schutz-Relais beeinträchtigen können. Beispielsweise können das Rauschen oder die Oberschwingungen höher sein als die gewünschten Einstellungen für das Fehlerstromrelais, was dazu führt, dass das Relais fälschlicherweise funktioniert, obwohl kein Fehler im System vorliegt. Das SchutzRelais muss in der Lage sein, Rauschen oder Oberschwingungen herauszufiltern, um zuverlässigen Schutz bieten zu können.
Systeme mit Erdungswiderstand
Der Erdungswiderstand löst Probleme, die normalerweise sowohl mit ungeerdeten als auch mit starr geerdeten Systemen einhergehen. Der Name stammt von der Schaltung eines Widerstandes zwischen Nullleiter und Masse (siehe Abbildung 5). Die Spezifikationen des Widerstandes sind nutzerabhängig und müssen dem gewünschten Fehlerstrom entsprechen, der höher sein muss als der kapazitive Ladestrom des Systems (weiter unten in diesem Abschnitt erläutert).
Abbildung 5.
Transiente Überspannungen können durch die richtige Dimensionierung des neutralen Erdungswiderstands (NGR) eliminiert werden, um einen angemessenen Entladepfad für die Systemkapazität bereitzustellen. Die Kontinuität des Betriebs mit einem Erdschluss ist in der Regel zulässig, wenn der Fehlerstrom <-10 A beträgt. Der neutrale Erdungswiderstand (NGR) begrenzt den verfügbaren Fehlerstrom. Dadurch werden Schäden an Fehlerstellen (Lichtbogen-Gefahren) vermieden oder minimiert und die Fehlerstromspannung gesteuert. Pulsierender Strom kann zur Lokalisierung von Erdschlüssen verwendet werden, wenn der Fehlerstrom <-10 A beträgt. Pulsierender Strom wird erzeugt, indem ein Kurzschlussschütz die Hälfte des Widerstands kurzschließt, wodurch sich der Erdschlussstrom verdoppelt (normalerweise ein Zyklus pro Sekunde). Ein tragbares Nullsequenzmessgerät wird verwendet, um den schwankenden Fehlerstrom zu erkennen und den Erdschluss zu lokalisieren.
Der einzige Nachteil von Erdungswiderständen besteht darin, dass bei Ausfall des Widerstandes das System nicht mehr geerdet ist. Um sich davor zu schützen, wird eine Widerstandsüberwachung empfohlen. Ein Schutz-Relais für Systeme mit Erdungswiderstand wird verwendet, um einen Erdschluss zu erkennen und die Verlagerungsverbindung zu überwachen. Es kann verwendet werden, um Alarme auszulösen oder die Einspeisung bei der Erkennung von Fehlerstrom außer Betrieb zu setzen.
Das Relais kann einen pulsierenden Stromkreis bereitstellen, der zur Lokalisierung des Fehlerstroms verwendet werden kann. Das Relais kann auch auslösen oder ein Warnsignal senden, wenn der Verlagerungspfad ausfällt. Für Systeme mit 5 kV und weniger kann ein hoher Erdungswiderstand verwendet werden. Ein hoher Erdungswiderstand begrenzt den Widerstandsstrom in der Regel auf 10 A oder weniger. Auf diese Weise kann der Erdschluss im System verbleiben, vorausgesetzt, das System ist für die Spannungsverschiebung ausgelegt. Für Systeme über 5 kV sind neutrale Erdungswiderstände in der Regel für 25 A oder mehr ausgelegt, und der Fehlerstrom wird innerhalb von 10 s behoben
Kapazitiver Ladestrom des Systems
Obwohl sie nicht physisch mit der Erde verbunden sind, sind elektrische Leiter und die Wicklungen aller Komponenten kapazitiv mit der Erde verbunden. Folglich fließt von jeder Phase ein wenig Strom zur Erde. Dieser Strom tritt nicht an einem bestimmten Ort auf, sondern wird im gesamten System verteilt, so wie die Kapazität zur Masse im gesamten System verteilt ist. Für Analysen ist es zweckmäßig, die verteilte Kapazität als gebündelte Kapazität zu betrachten, wie in den Abbildungen 6 und 7 dargestellt.
Abbildung 6.
Selbst wenn die verteilte Kapazität nicht ausgeglichen ist, zeigt das Amperemeter Null an, da der gesamte Strom, der durch das CT-Fenster fließt, durch das CT-Fenster zurückfließen muss. Systemladestrom ist der Strom, der in den Erdungsanschluss fließt, wenn auf einer Phase eines nicht geerdeten Systems ein Erdschluss auftritt (siehe Abbildung 9). Sie kann wie folgt gemessen werden, wenn geeignete Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden:
- Tritt der Fehler auf der Versorgungsseite des Stromwandlers auf, beträgt die Summe der Ströme im CT-Fenster nicht gleich Null.
- Das Amperemeter A misst die Summe der kapazitiven Ströme in den nicht gestörten Phasen. Dieser Wert entspricht dem Ladestrom aller Geräte auf der Lastseite des Stromwandlers.
Abbildung 7.
Ein einzeiliges Diagramm eines widerstandsgeerdeten Systems mit drei Einspeisungen mit einem Fehler an der Einspeisung 3 ist in Abbildung 8 dargestellt. Der Stromwandler (A1 und A2) an den nicht fehlerhaften Einspeisungen erkennt den Ladestrom dieser Einspeisung. Der Stromwandler (A3) an der fehlerhaften Einspeisung erkennt die Summe des Widerstandsstroms (IR) und der Ladeströme (I1 +I2) der nicht fehlerhaften Einspeisungen.
