Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Sternpunktbehandlung: Wie Netze gegenüber Erde betrieben werden
Bei der Sternpunktbehandlung dreht es sich vordergründig gar nicht um den Sternpunkt und erst recht nicht nur um Anlagen über 1 kV. In diesem Fachbeitrag soll es auch um TN- und IT-Systeme gehen, um SELV sowie PELV und um das schöne Märchen vom isolierten Industrienetz, an dem noch so manch alter Hase hängt
(Kreisfrequenz ω = 2 ∙ π ∙ f)
Meistens gehen Erdfehler mit Lichtbögen einher. Bleibt ihre Stromstärke unter 10 A, verlöschen sie beim Nulldurchgang der Netzspannung, werden jedoch nach wenigen Millisekunden durch die wiederkehrende Spannung erneut gezündet (sogenannte intermittierende Erdschlüsse). Die bei jeder neuen Zündung auftretende Einschwingspannung erreicht Werte bis zu 3,5 · ULM. Bei einem solchen Trommelfeuer sind Überspannungsschäden kein Wunder.
Damit Lichtbögen von selbst dauerhaft verlöschen, dürfen ihre Ströme 35 A – 60 A nicht überschreiten (sogenannte Löschgrenze nach [1]). Anderenfalls weiten sich solche Fehler zu Kurzschlüssen aus. Bei 20 kV rechnet man mit einem kapazitiven Erdschlussstrom in Freileitungsnetzen überschläglich von 0,06 A/km, in Kabelnetzen sogar mit 4 A/km, sodass diese Grenze schnell erreicht ist und erdschlusskompensierende Maßnahmen erforderlich werden.
Sind in einem OSPE-Netz induktive einpolige Spannungswandler eingebaut, bestehen zusammen mit den Erdkapazitäten des Netzes alle Voraussetzungen für Schwingkreise. Geraten sie in Resonanz, werden meistens die Wandler zerstört. Man versucht, diesen sogenannten Ferroresonanzen die Schwingungsenergie zu entziehen, indem die in Reihe geschalteten und abgesicherten Hilfswicklungen e-n der Spannungswandler mit einem ohmschen Widerstand von etwa 20 – 40 Ω/500 W bebürdet werden.
Den aktuellen Wissensstand zu Kippschwingungen enthält [2].
Wegen des Vorteils, dass einfache Erdschlüsse nicht zur Abschaltung führen, werden nach wie vor auch ausgedehnte 500-V- bzw. 690-V-Industrienetze als isolierte (IT-) Systeme errichtet. Mit Blick aber auf die enormen Schäden durch Überspannungen sollten sie die ganz große und begründete Ausnahme bleiben. Erfahrungsgemäß fallen diesen Rückwirkungen vorwiegend elektronische Komponenten zum Opfer. Die Elektrofachkräfte in Unternehmen mit großen Industrie-IT-Netzen können ein Lied davon singen! Fehlerströme können darüber hinaus auf Dauer auch ein Brandrisiko bedeuten. Insofern ist es verständlich, dass nach [3] in IT-Systemen unter Tage oftmals schon Abschaltungen des ersten Erdfehlers verlangt werden. Hinzu kommt, dass trotz selektiver Erdschlusserfassung der Fehlerort ohne Suchschaltungen kaum zu finden ist, sodass ohnehin Betriebsunterbrechungen nötig sind. Zu bedenken ist auch, dass im Gegensatz zu Freileitungen in Kabelnetzen einem Erdschluss meistens eine äußere Kabelverletzung vorausgeht, die sich oft zu zweipoligen Fehlern ausweitet und damit ohnehin zur Abschaltung führt.
So attraktiv auch die Vorstellung vom Weiterbetrieb eines erdfehlerbehafteten IT-Systems ist – mit zunehmender Netzgröße werden die Auswirkungen der Spannungserhöhungen immer intensiver, während die Fehlersuche komplizierter wird.
Vor- und Nachteile isolierter Netze
Vorteile sind:
- Das Netz kann bei Erdschluss weiter betrieben werden.
- Die Beeinflussung fremder Anlagen ist wegen der relativ kleinen Erdfehlerströme gering.
- Der Netzschutz ist unkompliziert.
Nachteile sind:
- Bei Erdschluss erhöht sich die Spannung der gesunden Leiter gegen Erde auf die Leiter-Leiter-Spannung. Dadurch steigt das Risiko von Doppelerdschlüssen.
- Bei intermittierenden Erdschlüssen entstehen hohe Einschwingspannungen mit Frequenzen von mehreren Kilohertz.
- Das Auftreten von Ferroresonanzen ist sehr wahrscheinlich, wenn im Netz einpolige Spannungswandler betrieben werden.