Warum wird eine Petersenspule in Mittel- und Hochspannungsnetzen eingesetzt?

Eine Petersenspule reduziert den Erdschlussstrom und erhöht damit die Betriebssicherheit. In kompensierten Netzen kann das Netz häufig weiter betrieben werden, während der Fehler lokalisiert und geplant behoben wird. Das senkt das Risiko von Abschaltungen, Lichtbögen und gefährlichen Berührungsspannungen.

Wie wird die Erdschlusskompensation berechnet?

Die Spule wird auf einen induktiven Widerstand eingestellt, der näherungsweise dem kapazitiven Widerstand des Netzes entspricht. Maßgeblich sind Netzkapazität, Resonanzpunkt und Verstimmungsgrad. In realen Netzen erfolgt die Abstimmung automatisch und kontinuierlich über die Ausmessung der Resonanzkurve.

Wann ist Stromeinspeisung bei der Erdschlusskompensation sinnvoll?

Stromeinspeisung ist besonders sinnvoll, wenn die Verlagerungsspannung zu niedrig, unruhig oder stark beeinflusst ist. In diesen Netzsituationen kann die klassische Regelung der Petersenspule unzuverlässig werden. Die Einspeisung erzeugt ein auswertbares Signal zur sicheren Bestimmung der Resonanzkurve.

Welche Produkte gehören zur Erdschlusskompensation und Stromeinspeisung?

Zum Produktcluster gehören die Petersenspulenregler REG-DP und REG-DPA sowie die Einspeiseeinheiten CIF, MCI und HPCI. Die Geräte decken Regelung, Messung, Registrieraufgaben und Signaleinspeisung für unterschiedliche Netztopologien und Betriebsbedingungen ab.

Was passiert ohne Erdschlusskompensation im Netz?

Ohne Erdschlusskompensation können im Fehlerfall hohe Ströme über die Fehlerstelle und den Boden fließen. Dadurch steigen das Risiko von Abschaltungen, Schritt- und Berührungsspannungen sowie Lichtbögen und Bränden. Zusätzlich werden die gesunden Leiter im Erdschlussfall stärker belastet.

Erdschlusskompensation

Q: Was ist Erdschlusskompensation?

Erdschlusskompensation ist ein Verfahren zur Begrenzung des Fehlerstroms bei einem einpoligen Erdschluss. Dazu wird eine Petersenspule so auf die Netzkapazität abgestimmt, dass der kapazitive Erdschlussstrom durch einen entgegengerichteten induktiven Strom weitgehend kompensiert wird.

Entlastung des Netzbetriebs durch automatisierte Regelung

Vielfältiger Funktionsumfang für die zuverlässige Regelung der Petersenspule

Freie Programmierbarkeit für kundenspezifische Anpassungen

Die Stromeinspeisung als Hilfe zur erfolgreichen Abstimmung der Petersenspule

Entlastung des Netzbetriebs durch automatisierte Regelung

Vielfältiger Funktionsumfang für die zuverlässige Regelung der Petersenspule

Freie Programmierbarkeit für kundenspezifische Anpassungen

Die Stromeinspeisung als Hilfe zur erfolgreichen Abstimmung der Petersenspule

Für die zuverlässige Regelung von Erdschlusslöschspulen in kompensierten Netzen. Die Lösungen unterstützen einen stabilen Betrieb im einpoligen Erdschlussfall und entlasten den Netzbetrieb durch eine automatische Regelung.

Typischer Einsatz:

Kompensierte Netze mit zentralen und/oder dezentralen Erdschlusslöschspulen
Regelung von bis zu vier parallelen Erdschlusslöschspulen pro Netzgebiet
Erhöhung der Versorgungssicherheit bei transienten, wiederkehrenden oder länger anhaltenden Erdschlussereignissen

Diese Geräte sind geeignet, wenn:

Stufenlos einstellbare Erdschlusslöschspulen oder Stufenspulen zum Einsatz kommen und automatisch geregelt werden sollen
Die Regelung von stark beeinflussten und niedrigen Verlagerungsspannungen mit Hilfe einer Stromeinspeisung gelöst werden muss
Die Fehlerortung durch eine integrierte Taktmöglichkeit (HPCI - High Power Current Injection) unterstützt werden soll

Regeln im Erdschlussfall

Produkte

Stromeinspeisung & Taktung

Produkte

Anwendungsbereiche

EORSys - Erdschlusskompenstation & Stromeinspeisung

Umspannwerke (HS/MS)

Übertragungs- & Verteilnetze (HS/MS)

Industrieanlagen & Produktionsbetriebe

Wasserkraftwerke

A. Eberle GmbH & Co. KG

Messen. Regeln. In allen Netzen.

Die A. Eberle GmbH & Co. KG, gegründet 1980, mit Hauptsitz in Nürnberg, Deutschland, ist im Geschäftsfeld der Mess- und Regeltechnik für die Energiewirtschaft sowie für mittlere und große Industrieunternehmen tätig. Unsere Produkte und Dienstleistungen sichern und verbessern die Verfügbarkeit der Energieversorgung auf allen Spannungsebenen und unterstützen die Integration regenerativer Energiequellen in die Netze.

Alle Steuer-, Mess- und Registrieraufgaben

„Rund um die Petersen-Spule“

Unsere frei programmierbaren Petersenspulenregler REG-DP & REG-DPA werden in Mittel- und Hochspannungsnetzen zur Regelung von kontinuierlich, unter Last verstellbaren Petersenspulen (P-Spule, Erdschluss-Löschspule oder auch E-Spule genannt) eingesetzt. Darüber hinaus können alle weiteren Steuer-, Mess- und Registrieraufgaben „rund um die Petersen-Spule“ gelöst werden.

Die klassische Regelung, d.h. die Suche der Resonanzkurve über das Verfahren der Spule, kann unter bestimmten Netzsituationen nicht mehr zum erfolgreichen Abstimmen der Petersenspule verwendet werden.

Gerade bei einer unruhigen, stark beeinflussten Verlagerungsspannung oder sehr symmetrischen Netzen haben wir für diesen immer häufiger auftretenden Fall die Stromeinspeisung entwickelt. Die Stromeinspeisung erzeugt ein Signal, das über die Leistungshilfswicklung der Petersenspule in das Netz eingespeist wird. Aus der Reaktion des Netzes ist es der Kombination aus REG-DP (A) plus Stromeinspeisung trotz der niedrigen oder stark beeinflussten Verlagerungsspannung möglich, eine Resonanzkurve zu berechnen.

Was ist Erdschlusskompensation?

Die Erdschlusskompensation ist ein Verfahren zur Begrenzung des Fehlerstroms bei einem Erdschluss in einem elektrischen Energieversorgungsnetz. Bei einem Erdschluss handelt es sich um eine Störung, bei der eine Phase des Netzes direkten Kontakt mit der Erde hat, was zu einem erheblichen Fehlerstrom führen kann. Das Ziel der Erdschlusskompensation ist es, diesen Fehlerstrom durch den Einsatz von speziellen Drosseln, den sogenannten Erdschlussdrosseln oder Petersen-Spulen, auf ein Minimum zu reduzieren. Ein Synonym für Erdschlusskompensation ist die Resonanzsternpunkterdung, oft auch als gelöschtes Netz bezeichnet.

Die Resonanzsternpunkterdung basiert auf dem Prinzip, dass die Induktivität der Drosselspule mit der Kapazität des Netzes in Resonanz steht. Dadurch kann der bei einem Erdschluss fließende kapazitive Strom kompensiert werden, wodurch der Fehlerstrom stark reduziert oder sogar nahezu auf null gebracht wird. Diese Form der Erdung ist besonders in gelöschten Netzen üblich, bei denen Erdschlüsse nur sehr geringe Ströme verursachen sollen, um die Sicherheit und Stabilität des Netzes zu gewährleisten.

Ein Beispiel: In einem 20-kV-Mittelspannungsnetz tritt ein Erdschluss auf. Durch den Einsatz einer Petersen-Spule, die mit der Netzkapazität abgestimmt ist, wird der Fehlerstrom so weit reduziert, dass keine unmittelbare Abschaltung des Netzes erforderlich ist. Das Netz kann weiter betrieben werden, und der Fehler kann in einer geplanten Wartung behoben werden, ohne dass es zu einem Netzausfall kommt.

Virtuelle Bedienungsanleitung

Beschreibung der grundlegenden Vorgehensweise bei der Inbetriebnahme des REG-DP(A)

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AE Toolbox
Die freie Parametrier- und Projektierungssoftware als perfekte Ergänzung für Geräte der Erdschlusskompensation

Die AEToolbox arbeitet projektbasiert und besticht durch ihren Funktionsumfang sowie die Vielseitigkeit, die das Programm an den Tag legt.

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Probleme von Netzen bei Erdschlüssen ohne Einsatz von Petersenspulen, bzw. Erdlöschspulen (Erdschlusskompensation)

Netze ohne Erdschlusskompensation müssen im Erdschlussfall abgeschaltet werden und es kommt zu einem Stromausfall
Besitzt das Netz keine Erdschlusskompensation fließen an der Stelle des Erdschlusses hohe elektrische Ströme im Boden, welche hohe Schrittspannungen und Berührungsspannungen verursachen können, die für Mensch und Tier lebensgefährlich sind. Werden die zulässigen Schritt- und Berührspannungen im Erdschlussfall nicht eingehalten (im starr geerdeten Netz und meist auch im isolierten Netz), muss das Netz unverzüglich abgeschaltet werden.
Durch den Erdschluss können Funken und Lichtbögen und damit Brände ausgelöst werden.
Im isolierten und kompensierten Netz erhöhen sich im Erdschlussfall die Spannungen der gesunden Leiter, was eine zusätzliche Belastung für die Isolation darstellt. Höchstspannungsnetze werden daher starr geerdet betrieben, da hier der zusätzliche Isolationsaufwand nicht wirtschaftlich wäre.

Unsere frei programmierbaren Petersenspulenregler

Zuverlässige Regelung im Erdschlussfall – tausendfach bewährt und weltweit im Einsatz

REG-DP: Der Regler für Petersenspulen im modularen 19" Format

REG-DPA: Der Regler für Petersenspulen im IP54 Gehäuse

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Wie wird Erdschlusskompensation berechnet?

In Mittel- und Hochspannungsnetzen werden Petersenspulen (auch Erdschlusslöschspulen) eingesetzt, damit im Falle eines einpoligen Erdschlusses der kapazitive Strom über die Fehlerstelle durch einen annähernd gleich großen aber entgegengerichteten induktiven Strom kompensiert wird. Zu diesem Zweck muss die Spule im gesunden Zustand des Netzes auf einen induktiven Widerstand XL eingestellt werden, der näherungsweise dem kapazitiven Widerstand X_C des Netzes entspricht.

Die Erdschlusskompensation im Dreiphasennetz ist im Folgenden Beispiel analog zum Beispiel für das isolierte dargestellt. Beim Vollkompensation durch die Kompensationsspule wird der kapazitive Erdschlussstrom Ice vollständig kompensiert und im Erdschlussfall wird der Strom an der Fehlerstelle zu I_F=0.

Abbildung 1: Erklärung Erdschlusskompensation am Beispielnetz – Ströme im Erdschlussfall

Reale Netze werden i.d.R. nicht voll kompensiert, sondern meist leicht überkompensiert betrieben, da bei Vollkompensation (im Resonanzpunkt) die Verlagerungsspannung am höchsten ist und somit auch eine der Leiterspannungen den am stärksten überhöhten Wert annimmt.

Der Grad der Über- oder Unterkompensation wird über den sog. Verstimmungsgrad v angegeben.

v = (I_L – I_C) / I_L

Der Resonanzpunkt und somit der ideale Abstimmpunkt für die Erdschlusslöschspule ändert sich in realen Netzen, dass sich durch Umschaltungen die Netzkapazität ändert. Um die Spule immer für den aktuellen Netzzustand möglichst passend abzustimmen, ist eine automatische Regelung der Spule wichtig. Diese kann mit dem Kompensationsspulenregler REG-DP von A. Eberle erfolgen. Die Berechnung der korrekten Erdschlusskompensation erfolgt mit dem REG-DP automatisch und kontinuierlich durch Ausmessen der Resonanzkurve.

Die erforderliche Induktivität der Spule wird so gewählt, dass sie mit der Kapazität des Netzes in Resonanz tritt. Die Resonanzbedingung lässt sich mathematisch durch folgende Gleichung beschreiben:

L = 1/ ω² * C

Hierbei ist L die Induktivität der Spule, C die Kapazität des Netzes und ω die Kreisfrequenz des Netzes (ω=2πf, wobei f die Netzfrequenz ist).

In der Praxis wird die Spule so eingestellt, dass sie die Netzkapazität möglichst genau kompensiert. Dies bedeutet, dass der resultierende Fehlerstrom im Erdschlussfall minimal ist. Die genaue Einstellung kann auch vor Ort angepasst werden, um Schwankungen in der Netzkapazität zu berücksichtigen.

In gelöschten Netzen ist es besonders wichtig, dass die Erdschlusskompensation präzise berechnet und eingestellt wird, da die Sicherheit und Stabilität des Netzes stark von der Wirksamkeit der Resonanzsternpunkterdung abhängen.

Durch diese Erdschlusskompensation wird ein hohes Maß an Betriebssicherheit erreicht, da Erdschlüsse ohne sofortige Netzabschaltung kompensiert werden können, was besonders in komplexen und großflächigen Versorgungsnetzen von Vorteil ist.

Was ist (Kurzzeitig) Niederohmige Sternpunkterdung (KNOSPE/NOSPE)?

Die niederohmige Sternpunkterdung ist eine Methode zur Erdung des Sternpunkts eines elektrischen Netzes, bei der der Sternpunkt über einen Widerstand mit der Erde verbunden wird. Dieser Widerstand hat einen relativ niedrigen Wert, sodass im Fehlerfall ein hoher Erdschlussstrom fließt. Diese Erdungsmethode wird eingesetzt, um den Schutz von Personen und Anlagen in elektrischen Verteilnetzen zu gewährleisten.

Die kurzzeitig niederohmige Sternpunkterdung, oft abgekürzt als KNOSPE oder auch NOSPE, bezeichnet eine spezifische Betriebsweise, bei der die niederohmige Erdung nur für eine kurze Zeit nach Auftreten eines Erdschlusses aktiv ist. Dies ermöglicht die schnelle Detektion und Lokalisierung des Fehlers, während das Netz gleichzeitig einen hohen Sicherheitsstandard beibehält.

Ein Beispiel: In einem Mittelspannungsnetz tritt ein Erdschluss auf. Die kurzzeitig niederohmige Sternpunkterdung wird aktiviert, wodurch ein definierter Erdschlussstrom erzeugt wird, der durch die Schutzgeräte leicht erkannt werden kann. Nach kurzer Zeit wird die niederohmige Verbindung aufgehoben, um den Fehlerstrom zu minimieren und die Anlage vor weiteren Schäden zu schützen. Das Netz kann danach in einem höheren Widerstandsbetrieb oder mit einer anderen Erdungsform weiterbetrieben werden.

Die NOSPE-Methode wird typischerweise in Netzen verwendet, in denen eine schnelle Fehlererkennung und -behebung notwendig ist. Der Erdschlussstrom wird durch den niederohmigen Widerstand so hoch gewählt, dass er überstromabhängige Schutzrelais zuverlässig auslöst. Die genaue Dimensionierung des Widerstands hängt von den Netzparametern ab, einschließlich der Netzspannung und der Erdschlussstromanforderungen.

Ein typischer Wert für den Widerstand in einer niederohmigen Sternpunkterdung könnte beispielsweise so gewählt werden, dass bei einem Erdschluss ein Strom von mehreren Hundert Ampere fließt. Dieser hohe Strom stellt sicher, dass der Fehler schnell erkannt und die betroffene Leitung abgeschaltet wird.

NOSPE wird oft in Netzen eingesetzt, die ansonsten ungesättigt sternpunktgeerdet sind, um die schnelle Fehlererkennung zu ermöglichen. In diesen Systemen bietet die kurzzeitig niederohmige Sternpunkterdung den Vorteil, dass sie die Erdung nur temporär durchführt, wodurch die Vorteile anderer Erdungsmethoden, wie z.B. der Resonanzsternpunkterdung, nicht beeinträchtigt werden.

Zusammengefasst bietet die niederohmige Sternpunkterdung und insbesondere die kurzzeitig niederohmige Sternpunkterdung eine effektive Methode zur Erdung in elektrischen Verteilnetzen, die sowohl schnelle Fehlererkennung als auch einen hohen Schutzstandard ermöglicht.

FAQ - Häufige Fragen

Was ist Erdschlusskompensation?

Erdschlusskompensation ist ein Verfahren, bei dem der kapazitive Fehlerstrom eines Erdschlusses durch eine abgestimmte Petersenspule reduziert wird. Ziel ist es, den Fehlerstrom zu minimieren und die Versorgungssicherheit im Netz zu erhöhen.

Wie funktioniert eine Petersenspule?

Die Petersenspule wird so eingestellt, dass ihre Induktivität zur Kapazität des Netzes passt. Dadurch kann der kapazitive Erdschlussstrom im Fehlerfall weitgehend kompensiert werden.

Warum ist eine automatische Regelung der Petersenspule wichtig?

Die Netzkapazität ändert sich durch Schaltzustände und Netzausbau. Eine automatische Regelung hilft dabei, die Petersenspule laufend an den aktuellen Netzzustand anzupassen und die Kompensation stabil zu halten.

Wann wird eine Stromeinspeisung benötigt?

Eine Stromeinspeisung ist besonders dann sinnvoll, wenn die Verlagerungsspannung niedrig, unruhig oder stark beeinflusst ist. In solchen Situationen kann sie helfen, die Resonanzkurve trotzdem zuverlässig zu bestimmen.

Für welche Netze ist Erdschlusskompensation geeignet?

Sie wird vor allem in Mittel- und Hochspannungsnetzen eingesetzt, in denen Fehlerströme begrenzt und Erdschlüsse beherrschbar gemacht werden sollen. Typische Einsatzfelder sind Umspannwerke, Verteilnetze, Industrieanlagen und Wasserkraftwerke.

Was ist der Unterschied zwischen Erdschlusskompensation und niederohmiger Sternpunkterdung?

Bei der Erdschlusskompensation wird der Fehlerstrom durch eine Petersenspule reduziert. Bei der niederohmigen Sternpunkterdung wird der Sternpunkt über einen Widerstand geerdet, um einen definierten höheren Erdschlussstrom für Schutz- und Erkennungszwecke zu erzeugen.

Welche Produkte bietet A. Eberle für die Erdschlusskompensation?

Zur Lösung gehören unter anderem die Petersenspulenregler REG-DP und REG-DPA sowie Produkte für die Stromeinspeisung wie CIF, MCI und HPCI.

Welche Rolle spielt die AEToolbox?

Die AEToolbox unterstützt die Parametrierung, Projektierung und Auswertung von Geräten aus der Erdschlusskompensation und angrenzenden Produktgruppen.