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Einführung
In diesem Lehrgang werden die wichtigsten Konzepte für die Planung von Erdungsanlagen für Umspannwerke vorgestellt. Es werden wichtige Begriffe wie Netzpotentialanstieg, Berührungs- und Schrittspannungen und Stromverteilung besprochen.
Das Verhalten von beispielhaften Erdungsanlagen im Fehlerfall wird erläutert.
Inhaltsübersicht
1 Netzpotentialanstieg (GPR)
Abbildung 1(a) zeigt ein einfaches Erdungssystem, das aus horizontalen Leitern (auch "Maschen"- oder "Gitter"-Leiter genannt), die 0,5 m unter der Erdoberfläche vergraben sind, und 3 m langen vertikalen Leitern (auch "Erdungsstangen" genannt) besteht, die mit dem von den horizontalen Leitern gebildeten Gitter verbunden sind. Das horizontale Gitter ist quadratisch und wird in 4 quadratische Maschen unterteilt.
Abbildung 1(b) zeigt die Oberflächenspannungen, die an der Erdoberfläche auftreten, wenn die Erdungsanlage während eines Fehlers unter Spannung steht.
Wenn der elektrische Strom über ein Erdungssystem in die Erde eingespeist wird, stößt er auf einen Widerstand, der direkt vom spezifischen Widerstand des Bodens abhängt. Da der Strom durch diesen Widerstand fließt, steigt das elektrische Potenzial des Erdungssystems und aller daran angeschlossenen metallischen Strukturen an. Das maximale elektrische Potenzial, das ein Erdungsnetz eines Umspannwerks im Verhältnis zu einem entfernten Erdungspunkt erreichen kann, bei dem davon ausgegangen wird, dass er auf dem Potenzial der entfernten Erde (0 Volt) liegt, wird als Netzpotenzialanstieg (GPR) bezeichnet [1].
Das GPR ist direkt proportional zur Höhe des Stroms, der durch das Erdungssystem in den Boden eingespeist wird. Bei einem bestimmten Injektionsstrom ist das GPR direkt proportional zum Bodenwiderstand. Daher ist es bei der Planung eines Erdungssystems sehr wichtig, zuverlässige Messungen des Bodenwiderstands vorzunehmen und diese am Standort des Umspannwerks durchzuführen, um die Bodeneigenschaften zu ermitteln. Dies ist erforderlich, um die Leistung des Erdungssystems genau zu modellieren.
Bei einem bestimmten Fehlerstrom ist das GPR ungefähr umgekehrt proportional zur Fläche des Gitters. Beachten Sie, dass auch die Form und die Vergrabungstiefe des Gitters das GPR in gewissem Maße beeinflussen.
Die GPR für das in Abbildung 1 gezeigte Netz beträgt 2220 V und die maximale Oberflächenspannung, die immer niedriger ist als die GPR, beträgt 2060 V.
Abbildung 1 - Beispielhafte Darstellung der System- und Oberflächenspannungen
2 Berührungs- und Stufenspannungen
Abbildung 1 zeigt, dass die Erdoberflächenpotenziale niedriger sind als das GPR und stark variieren. An Punkten direkt über einem Netzleiter liegen die Erdoberflächenpotenziale dem GPR am nächsten; andererseits treten in der Mitte von Netzmaschen Potenzialeinbrüche auf, und die Differenz zwischen dem GPR und dem Erdoberflächenpotenzial ist an diesen Mittelpunkten am größten. Dies bedeutet, dass eine Person, die in der Mitte einer Masche steht und eine metallische Struktur berührt, die mit dem Erdungssystem verbunden ist, einer hohen Berührungsspannung ausgesetzt ist.
Berührungsspannung" ist der Unterschied im elektrischen Potential zwischen dem Erdungssystem und einer beliebigen Erdoberfläche, auf der eine Person stehen kann, während sie eine unter Spannung stehende metallische Struktur berührt (wobei davon ausgegangen wird, dass sie das gleiche Potential wie das Erdungssystem hat) [1].
Das Diagramm in Abbildung 2 (a) zeigt die Berührungsspannungen innerhalb des Gitters und bis zu 1 Meter davon entfernt. Die maximalen Berührungsspannungen treten typischerweise an den Ecken eines Gitters auf, da die höchsten Leckströme an den Randleitern auftreten (dies lässt sich anhand eines Leckstromdiagramms darstellen).
Wie Abbildung 1 und Abbildung 2 (b) zeigen, kann der steile Potenzialgradient außerhalb des Erdungssystems dazu führen, dass zwischen zwei Erdungspunkten, an denen sich die Füße einer Person befinden, ein erheblicher Potenzialunterschied auftritt. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass die Schrittlänge einer Person 1 m nicht überschreitet, und eine "Schrittspannung" wird daher als die Potenzialdifferenz zwischen zwei 1 m voneinander entfernten Punkten der Erdoberfläche definiert.
Stufenspannungspegel sind in der Regel viel niedriger als Berührungsspannungen. Wenn also sichere Berührungsspannungen für ein Design erreicht werden können, sollten Stufenspannungen im Allgemeinen kein Problem darstellen.
Abbildung 2 - Berührungs- und Schrittspannungsdiagramme in zwei Dimensionen
Berührungs- und Schrittspannungen sind wie beim GPR direkt proportional zu dem in die Erde eingespeisten Strom. Darüber hinaus sind die Berührungs- und Schrittspannungen bei einem gegebenen Einspeisestrom und einem gegebenen Netzverhältnis direkt proportional zum elektrischen Widerstand der Erde.
Um die Leistung eines Erdungssystems zu bewerten, werden die GPR und die Berührungs- und Schrittspannungen, die unter Fehlerbedingungen auftreten, mit den maximal zulässigen Werten verglichen, die auch als maximal zulässige oder tolerierbare Spannungsgrenzen bezeichnet werden. Diese sicheren Grenzen werden nach den Methoden der IEC- und IEEE-Normen [1], [2] abgeleitet.
Siehe die Seite, auf der erklärt wird , wie man Berührungs- und Schrittspannungsgrenzen berechnet.
Die sicheren Grenzwerte werden mit den tatsächlichen Berührungs- und Schrittspannungen verglichen, um festzustellen, ob der Entwurf sicher ist. Es gibt zwei Hauptansätze, um ein sicheres Design zu erreichen:
- Reduzieren Sie die tatsächlichen Berührungs- und Schrittspannungen, die an jedem beliebigen Punkt innerhalb des Umspannwerks und in dessen Umkreis auftreten, auf Werte unterhalb der sicheren Grenzen (oder zeigen Sie diese an).
Erhöhen Sie die zulässigen Grenzwerte, indem Sie eine zusätzliche Deckschicht aus Schotter oder Asphalt auf die Oberfläche innerhalb und außerhalb des Umspannwerks aufbringen.
3 Fehlerstromverteilung
Wenn es in der Nähe einer Umspannstation zu einer unbeabsichtigten Einschaltung oder einem "Erdschluss" kommt, fließen große Strommengen vom fehlerhaften Phasenleiter und über alle verfügbaren leitenden Pfade zurück zur Stromquelle (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3 zeigt den Verlauf der Fehlerströme für zwei Unterstationen, die über eine Freileitung verbunden sind, wenn in der Nähe von Unterstation A ein Fehler auftritt. Die Pfeile geben die Richtung des Fehlerstroms an. Hier finden Sie ein Video-Tutorial, das die Fehlerstromverteilung anhand von Beispielen erläutert.
Während eines Fehlers fließt ein Teil des gesamten Fehlerstroms auf den folgenden Wegen zur Stromquelle (Fehlerstrom) zurück:
- Erdungsleitungen: Ein Teil des Fehlerstroms fließt von der Fehlerstelle zur Stromquelle ausschließlich über Erdungsleitungen (sofern vorhanden). Ein anderer Teil des Fehlerstroms fließt entlang einer Länge der Erdungsleitungen und wird dann über verschiedene Erdungspfade in die Erde eingespeist, z. B. über die Erdung von Sendemasten oder über die Erdungssysteme von Umspannwerken, die nicht in der Nähe der Fehlerstelle liegen.
- Erdungsanlage der Unterstation: Ein weiterer Teil des Fehlerstroms wird durch die Erdungsanlage der Unterstation, in deren Nähe der Fehler auftritt, in die Erde eingespeist. Von dort fließt er durch die Erde zum Erdungssystem der Stromquelle und dann durch das Erdungssystem der Stromquelle zum Generator oder Transformator, der den Fehlerstrom liefert.
- Hilfserdungsanlage: Wenn die Umspannanlage über eine zusätzliche Erdungsanlage verfügt, wird ein Teil des Fehlerstroms in diese zusätzliche Erdungsanlage abgeleitet. Beachten Sie, dass der Bewehrungsstahl in der Stahlbetondecke eines Gebäudes als Hilfserdungsanlage betrachtet werden kann, ebenso wie eine entfernte Erde.
Der Teil des Fehlerstroms, der in das Erdungssystem der Umspannanlage eingespeist wird, wird in der Regel als Netzstrom bezeichnet, der einen Potenzialanstieg im Erdungssystem verursacht.
Die Menge des Fehlerstroms, die durch die einzelnen Pfade fließt, hängt direkt von deren relativen Impedanzen ab. Wenn z. B. die Erdungsleitungen eine niedrige Impedanz aufweisen und keine große Entfernung zwischen dem fehlerhaften Umspannwerk und der Stromquelle überbrücken, werden sie tendenziell einen größeren Anteil des Fehlerstroms leiten, als wenn sie lang sind und eine hohe Impedanz aufweisen. Ähnlich verhält es sich, wenn das Erdungssystem des Umspannwerks eine sehr niedrige Impedanz hat, dann wird es einen viel größeren Anteil des Fehlerstroms leiten als wenn es eine hohe Impedanz hat.
In den meisten Fällen ist der Netzstrom viel geringer als der gesamte Fehlerstrom, der von der Quelle geliefert wird. Daher lohnt es sich, die Fehlerstromverteilung während der Entwurfsphase zu analysieren, allerdings sind zusätzliche Informationen über die Leiterbahnen erforderlich.
4 Design zur Reduzierung von GPR
Ein Erdungssystem sollte so ausgelegt sein, dass der GPR 5000 V nicht übersteigt, was hauptsächlich dem Schutz der Geräte dient [3].
Eine Verringerung des GPR erfordert eine Verringerung des Gitterwiderstands, was am effektivsten durch eine Vergrößerung des Gitters (der vom Gitter abgedeckten Fläche) oder durch das Hinzufügen von Stäben, die in Bodenschichten mit geringem Widerstand getrieben werden, erreicht wird. Das GPR kann in geringerem Maße durch Hinzufügen von Leitern im Inneren des Gitters verringert werden.
Tabelle 1 zeigt die Berechnungsergebnisse der SafeGrid Earthing Software für vier einfache Erdungssysteme. Diese Erdungssysteme bestehen aus einem 20 m × 20 m großen quadratischen Netz, das 0,5 m tief eingegraben und mit Stangen (3 m Länge) versehen ist. Die in die Erdungssysteme eingespeisten Fehlerströme und die Leiterquerschnittsflächen betragen 1000 A bzw. 70 mm2. Es wird ein einheitliches Bodenmodell mit einem spezifischen Widerstand von 100 Ω.m angenommen.
Ausgehend von Fall 1 und der Hinzufügung von 2 zusätzlichen 20 m langen Maschenleitern, die in Form eines Kreuzes verlegt werden, sinkt das GPR um 6,37 %. Wenn 6 weitere 20 m lange Leiter hinzugefügt werden, um das Netz von Fall 3 mit insgesamt 25 Maschen zu bilden, sinkt das GPR um 14,1 %.
Das Hinzufügen von internen Leitern zu einem Netz ist weniger wirksam als die Vergrößerung des Netzes. Fall 4 zeigt, dass allein durch die Vergrößerung des Netzes von 20 m auf 25 m das GPR um 16,78 % abnimmt.
Beachten Sie, dass eine Verringerung des Netzwiderstandes den Netzstrom erhöht, was zu einer geringeren Verringerung des GPR führt, wenn man davon ausgeht, dass keine Stromschwankungen auftreten.
5 Design zur Reduzierung von Berührungs- und Schrittspannungen
Ein Erdungssystem muss so ausgelegt sein, dass die Berührungsspannungen an einem beliebigen Punkt innerhalb des Umspannwerks im Falle eines Fehlers nicht gefährlich sind. Da es sich bei den Berührungsspannungen um die Potenzialdifferenz zwischen einem Punkt auf der Erdoberfläche und dem Erdungssystem des Umspannwerks handelt, liegt das Potenzial der Erdoberfläche im Idealfall in der Nähe des GPR des Umspannwerks.
Abbildung 4 zeigt die Oberflächenspannungen und Berührungsspannungen für ein 4-Maschen-Gitter (a) bzw. (b). Die 4 Täler in der Darstellung der Oberflächenspannungen entsprechen den Zentren der 4 Maschen und sind die Punkte, an denen die größten Berührungspotentiale bestehen. Die maximale Berührungsspannung für dieses Gitter beträgt 642 V.
Abbildung 4 - Oberflächen- und Berührungsspannungsdiagramme für ein 4-Maschen-Gitter
Abbildung 5 zeigt die Oberflächenspannungen und Berührungsspannungen für das gleiche Gitter, aber mit 25 Maschen. Die Erhöhung der Maschenzahl bewirkt, dass die Täler viel flacher werden. Die maximalen Berührungsspannungen werden daher viel kleiner. Die maximale Berührungsspannung für dieses Gitter beträgt 391 V.
Abbildung 5 - Oberflächen- und Berührungsspannungsdiagramme für ein 25-Maschen-Gitter
Ab einem gewissen Punkt wird die Verbesserung durch das Hinzufügen von Netzleitern unbedeutend. In Abbildung 5 ist bereits ersichtlich, dass durch die Verflachung der Täler keine große Verbesserung erzielt wird, da das Berührungspotenzial im gesamten Netzbereich bereits fast gleichmäßig ist. Wenn in diesem Fall noch eine Verbesserung erforderlich ist, muss das GPR selbst gesenkt werden, z. B. durch Vergrößerung der Erdungsanlage.
Schrittspannungen im Bereich von Umspannwerken sind in der Regel kein Problem, wenn die Berührungsspannungen innerhalb sicherer Grenzen liegen. Nicht nur sind die Schrittspannungen im Umspannwerkbereich kleiner als die Berührungsspannungen, sondern der Mensch verträgt auch höhere Schrittspannungen als Berührungsspannungen.
Schrittspannungen sind in der Regel nur im Umkreis des Umspannwerks von Bedeutung, wo in der Regel ein steiler Potentialgradient an der Erdoberfläche besteht. Als Faustregel gilt, dass die Steilheit des Potentialgefälles in etwa umgekehrt proportional zur Größe des Erdungssystems ist, so dass Spannungssprünge für kleine Erdungssysteme ein größeres Problem darstellen als für größere. Eine Vergrößerung des Erdungssystems ist ein wirksames Mittel zur Verringerung von Schrittspannungen.
Obwohl die Berührungsspannungen im Inneren des Gitters reduziert werden, sind die Berührungsspannungen am Rande des Umspannwerks immer noch sehr hoch. Zum Schutz von Personen und Geräten außerhalb der Umspannanlage kann ein erdverlegter Erdungsring (im IEEE-Standard 80 als "Perimeterleiter" bezeichnet) 1 m über das 20 m × 20 m große Haupterdungsnetz hinaus angebracht werden, um die Berührungsspannungen zu reduzieren.
Abbildung 6 zeigt die Berührungs- und Schrittspannungen ohne Klassifizierungsring. Die maximale Berührungsspannung beträgt 767 V. Auch die Schrittspannungen entlang des Umspannwerks sind nicht akzeptabel.
Abbildung 6 - Berührungs- und Schrittspannungen 2D-Diagramm ohne Klassifizierungsring
Abbildung 7 zeigt die Berührungs- und Schrittspannungen, wenn der Planierring in derselben Tiefe wie das Hauptnetz vergraben ist. Die Installation des Planierrings führt zu einer deutlichen Verringerung der Berührungs- und Schrittspannungen. Die maximale Berührungsspannung sinkt auf 425 V, und die Schrittspannungen entlang des Umspannwerks werden ebenfalls auf etwa 50 V reduziert, verglichen mit 200 V ohne Planierring.
Abbildung 7 2D-Diagramm der Berührungsspannungen mit Abstufungsring
6 Auswirkungen der Bodenwiderstandsstruktur auf die Spannungen
An einem realen Standort für ein Umspannwerk ist die Struktur des Bodenwiderstandes in der Regel nicht einheitlich. Für die Mehrzahl der Standorte ist ein mehrschichtiges Bodenmodell realistischer und genauer für die Bewertung der elektrischen Leistung des Erdungssystems.
In diesem Abschnitt werden die Auswirkungen der Unterschiede zwischen dem Widerstand der oberen und der unteren Schicht auf die Oberflächenspannungen für einen einfachen zweischichtigen Boden untersucht. Die meisten Bodenstrukturen erfordern ein Modell mit 3 bis 5 Schichten.
Typische zweischichtige Bodenmodelle sind:
- High-on-Low-Modell (der spezifische Widerstand der oberen Schicht ist höher als der der unteren Schicht)
- Low-on-High-Modell (der spezifische Widerstand der unteren Schicht ist höher als der der oberen Schicht)
Um die unterschiedlichen Auswirkungen von Hoch-auf-Niedrig- und Niedrig-auf-Hoch-Böden auf die Berührungs- und Schrittspannungen zu demonstrieren, wird ein einfaches 20 m × 20 m großes Erdungsnetz ohne Stangen verwendet.
Abbildung 8 zeigt die Oberflächenspannungen bei einem Hoch-auf-Niedrig-Bodenmodell, bei dem der Widerstand der oberen Bodenschicht 500 Ω.m bei einer Tiefe von 1,5 m und der Bodenwiderstand der unteren Schicht 50 Ω.m beträgt. Die maximale Oberflächenspannung beträgt 3595 V. Bei einem Hoch-auf-Niedrig-Modell will der Fehlerstrom, der in die obere Schicht mit hohem Widerstand eintritt, in die untere Schicht mit niedrigem Widerstand entweichen
Abbildung 8 - Oberflächenspannungsdiagramme des Hoch-Tief-Bodenmodells
Abbildung 9 zeigt die Oberflächenspannungen mit dem Modell "Low-on-High", bei dem der Widerstand der obersten Bodenschicht 50 Ω.m bei einer Tiefe von 1,5 m beträgt und der Widerstand der untersten Bodenschicht 500 Ω.m. Der größere Widerstand der untersten Bodenschicht behindert den Stromfluss in die tiefen Bodenschichten, wodurch die Oberflächenspannungen ansteigen. Die maximale Oberflächenspannung des Low-on-High-Bodenmodells erreicht 5525 V.
Abbildung 9 - Oberflächenspannungsdiagramme des Bodenmodells "niedrig-auf-hoch
Der Widerstand der unteren Schicht hat im Vergleich zur oberen Schicht den größten Einfluss auf den Gitterwiderstand und den Anstieg des Gitterpotenzials (aufgrund ihrer relativen Dicke - die Dicke der unteren Schicht reicht bis in unendliche Tiefe). Daher führt eine untere Schicht mit niedrigem Widerstand zu einem niedrigen Gesamtwiderstand des Gitters und einem niedrigen GPR - dies ist der Vorteil. Wenn das Bodenwiderstandsmodell jedoch hoch/niedrig ist, können die Berührungsspannungen aufgrund der steilen Schwankungen im Oberflächenspannungsprofil viel größer sein als bei niedrig/hoch.
7 Einsatz von Stäben zur Verbesserung der Sicherheit
Ⅰ. Separate Stäbe mit Berücksichtigung des Proximity-Effekts
In einem Erdungssystem installierte Stäbe können die Leistung verbessern, aber die Stäbe müssen in einem angemessenen Abstand zueinander stehen, um wirksam zu sein.
Wie Abbildung 10 zeigt, beeinflusst das Feld eines Segments die benachbarten Segmente und umgekehrt, wodurch sich deren Fähigkeit zur Ableitung des Fehlerstroms verringert, was als Proximity-Effekt bezeichnet wird. Die Verdichtung mehrerer vertikaler Stäbe ist in Bezug auf $/Ω nicht so vorteilhaft wie die Verdichtung weniger Stäbe in angemessenen Abständen.
Zur Veranschaulichung dieses Phänomens wird in Abbildung 11 ein einfaches Gitter mit 4 Stäben von 5 m Länge an jeder Ecke dargestellt. Die Stäbe sind in Abständen von 1, 2, 3, 4, 5, 7,5, 10 und 20 m angeordnet. Die (horizontalen) Leiter des Gitters sind isoliert, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse nur durch die Abstände der Stäbe beeinflusst werden.
Abbildung 12 zeigt die Gitterimpedanz bei Variation des Stababstands. Es ist zu erkennen, dass der Gesamtwiderstand durch eine Trennung bis zu einer Stablänge deutlich reduziert wird. Daraus lässt sich schließen, dass die Stäbe in einem Abstand von mehr als einer Stablänge getrennt werden müssen.
Daher sollten die Stäbe im Allgemeinen einen Abstand von mindestens ihrer Länge haben, damit sie wirksam sind. So sollten z. B. Stäbe von 5 m Länge einen Abstand von mindestens 5 m haben.
Ⅱ. Ruten je nach Bodenbeschaffenheit effektiv einsetzen
Die Verwendung von Stäben zur Spannungsreduzierung kann in einigen Fällen weniger wirksam sein.
Tabelle 2 zeigt die Netzimpedanz von Erdungsanlagen mit und ohne Stangen für verschiedene Bodenmodelle. Die Installation der Stangen reduziert die Netzimpedanz, insbesondere für das Modell "Hoch-auf-Tief-Boden".
Die Impedanz des Gitters verringert sich nach Hinzufügen der Stäbe für das Modell "Hoch-auf-Niedrig-Boden" um 86,14 %, während die Verwendung von Stäben für das Modell "Niedrig-auf-Hoch-Boden" nicht sehr effektiv ist (Verringerung um 24,53 %), da die Ströme in der oberen Bodenschicht verbleiben. Dieses Problem kann durch die Installation von Gegenpolen (horizontale Leiter, die sich vom Gitter nach außen erstrecken, normalerweise an den Ecken) für das Modell mit niedrigem auf hohem Boden gelöst werden, da dies die vom Erdungsgitter abgedeckte Fläche vergrößert. Eine Vergrößerung der durch das Erdungsnetz abgedeckten Fläche führt immer zu einer Verbesserung der Leistung.
Referenzen
[1] "IEEE Guide for Safety in AC Substation Earthing", IEEE Std 80-2013.
[2] "Auswirkungen von Strom auf Menschen und Nutztiere - Allgemeine Aspekte". IEC 60479-1:2018.
[3] "Maximum Limit of Allowable Ground Potential Rise of Substation Grounding System". IEEE Transactions on Industrial Applications (Band 51, Ausgabe 6, 2015).
