Wat is een aardfout??
Definitie
Een aardfout is een onbedoelde elektrisch geleidende verbinding tussen een elektrische geleider en de aarde of geaarde delen. Als deze storing zich voordoet in een netwerk met een star geaard sterpunt, spreekt men ook wel van een aardfout met aard-kortsluiting, wat doorgaans leidt tot een onmiddellijke uitschakeling van het netwerk.
In netten met een geïsoleerd sterpunt en in gecompenseerde netten treedt er geen kortsluitstroom op; de foutstroom wordt bepaald door de geleider-aardcapaciteiten van het net en, in het gecompenseerde net, door de mate van compensatie. Bij aardfout in middenspanningsnetten of hoogspanningsnetten met aardfoutcompensatie kan het netwerk in gebruik blijven.
Netten met een geïsoleerd sterpunt kunnen bij een storing slechts in zeldzame gevallen blijven functioneren als het net klein is (lage capacitieve aardlekstroom). Als er op meerdere plaatsen in het net tegelijkertijd aardlekken optreden, ontstaat er een dubbele of meervoudige aardlek, wat zelfs in geïsoleerde en gecompenseerde netten tot hoge kortsluitstroom kan leiden.
Wat gebeurt er bij een aardfout?
Hieronder wordt het verloop van de spanningen tussen de geleiders en aarde bij een aardfout in een geïsoleerd en gecompenseerd net weergegeven:
- Symmetrische spanningsdriehoek in een gezond elektriciteitsnet
- Ontladingsproces van de defecte fase: de spanning tussen geleider en aarde van de betreffende fase (hier U1E) stort in; bij een volledige aardlek daalt U1E het tot nul
- Oplaadproces van de intacte fasen: de fase-aardspanningen van de intacte fasen nemen met een factor √3 toe tot de waarde van de gekoppelde spanningen; de verschuivingsspanning UNE (vectoriale som van de drie fase-aardspanningen Une = UL1+UL2+UL2) stijgt van de bedrijfswaarde (in het „ideale net“ 0 V, in werkelijkheid enkele volt) tot een hogere waarde (komt bij een volledige aardfout maximaal overeen met de waarde van de geleider-aardspanning)
- Stationaire aardfouttoestand (alleen bij een permanente aardfout): De geleider-aardcapaciteiten CLE van de twee foutloze geleiders worden continu bijgeladen. De spanningen van de foute fasen blijven op de verhoogde waarde (bij een volledige aardfout de waarde van de gekoppelde spanningen) zolang de aardfout blijft bestaan. Ook de verschuivingsspanning behoudt haar verhoogde waarde.
Laad- en ontlaadproces bij aardfout
Het laad- en ontlaadproces zijn kortstondige transiënten. Na afloop van dit hoogfrequente transiëntproces, dat vaak ook wel aardfout wisser wordt genoemd, vloeit bij stationaire aardfout in het geïsoleerde net op de foutplaats de capacitieve aardlekstroom ICE, die bestaat uit de som van alle geleider-aardcapaciteiten van het net en dus onder andere samenhangt met de omvang van het net. Ongeacht de plaats van de storing geldt in het geïsoleerde net bij een volledige aardfout voor de foutstroom IF = ICE. De stroomstromen in het geïsoleerde netwerk worden aan de hand van het volgende voorbeeld toegelicht.
Oorzaken en voorbeelden van aardfout
Een aardfout kan vele oorzaken hebben
- hangende hoogspanningskabels, wanneer de kabel het aardoppervlak of voorwerpen op de grond raakt.
- verouderde of beschadigde isolatie
- vervuilde isolatoren
- Vreemde voorwerpen zoals bomen, takken of vogels op bovengrondse elektriciteitskabels
Hoe ontstaat een aardfout? / Voorbeelden van aardfouten
- Overspanningen in een elektriciteitsnet kunnen de isolatie beschadigen en een aardfout veroorzaken
- statische materiaalmoeheid of slijtage, waardoor de isolatie beschadigd raakt. Als de isolatie (het diëlektricum) in kabels beschadigd is, leidt dit vaak ook tot herhaalde storingen
- korte aardfout wisser op bovengrondse leidingen, bijvoorbeeld door contact met bomen
- Aarding bij bovengrondse leidingen
In welke situaties/op welke plaatsen komen aardlekken het vaakst voor?
- Bouwplaatsen: Op bouwplaatsen is de kans op mechanische beschadiging van kabels en leidingen vaak groter, wat kan leiden tot aardfout.
- Verouderde of verwaarloosde infrastructuur: In verouderde of slecht onderhouden elektrische installaties en distributienetwerken bestaat een verhoogd risico op isolatiefouten en andere problemen die tot aardfouten kunnen leiden.
- Gebieden met hangende hoogspanningslijnen: wanneer een hoogspanningskabel in contact komt met de grond of met voorwerpen op de grond, ontstaat er een aardfout.
- Ondergrondse bekabeling: In situaties waarin elektrische kabels ondergronds zijn aangelegd, bestaat er een verhoogd risico op aardfouten als gevolg van grondverschuivingen, corrosie en vocht.
- Woonwijken: In woonwijken kunnen aardlekken optreden, met name wanneer de elektrische infrastructuur verouderd is of er problemen zijn met de bekabeling. Hoog- en middenspanningsleidingen in woonwijken kunnen ook aardfouten veroorzaken als ze beschadigd raken of verzakken.
- Industriële installaties: In industriële omgevingen, zoals fabrieken en productielocaties, bestaat er vanwege de complexe elektrische installaties en de hoge elektrische belasting een verhoogd risico op aardfouten.
Gevolgen en problemen van aardfouten
Er zijn de volgende problemen, namelijk gevaren bij aardfout
- Als het net niet is voorzien van aardfoutcompensatie, vloeien er op de plaats van de aardfout hoge elektrische stromen door de grond, die hoge stapspanningen en aanspreking spanning kunnen veroorzaken die levensgevaarlijk zijn voor mens en dier. Als de toegestane stap- en aanspreking spanning bij een aardfout niet worden nageleefd (in het star geaarde net en meestal ook in het geïsoleerde net), moet het net onmiddellijk worden uitgeschakeld.
- Door de aardfout kunnen vonken en vlambogen ontstaan, wat brand kan veroorzaken.
- Netwerken zonder aardfoutcompensatie moeten bij een aardfout worden uitgeschakeld, wat leidt tot een stroomstoring
- In een geïsoleerd en gecompenseerd net stijgen bij een aardfout de spanningen op de niet-defecte geleiders, wat een extra belasting voor de isolatie vormt. Hoogspanningsnetten worden daarom met starre aarding geëxploiteerd, aangezien de extra isolatie-inspanningen hier niet rendabel zouden zijn.
Aardfoutonderdrukking/-compensatie
In midden- en hoogspanningsnetten worden Petersen-spoelen gebruikt, zodat bij een eenpolige aardfout de capacitieve stroom via de foutplaats wordt gecompenseerd door een inductieve stroom die ongeveer even groot is, maar in tegengestelde richting loopt. Daartoe moet de spoel, wanneer het net in goede staat is, worden ingesteld op een inductieve weerstand XL die bij benadering overeenkomt met de capacitieve weerstand XC van het net.
De aardfoutcompensatie in het driefasennet wordt in het onderstaande voorbeeld op dezelfde manier weergegeven als in het voorbeeld voor het geïsoleerde net. Bij volledige compensatie door de compensatiespoel wordt de capacitieve aardfoutstroom Ice volledig gecompenseerd en bij een aardfout wordt de stroom op de foutplaats gelijk aan IF=0.
Reële netten worden doorgaans niet volledig gecompenseerd, maar meestal licht overgecompenseerd, aangezien bij volledige compensatie (op het resonantiepunt) de verschuivingsspanning het hoogst is en daardoor ook een van de leiderspanningen de sterkst verhoogde waarde aanneemt.
De mate van over- of ondercompensatie wordt aangegeven door de zogenaamde verstemmingsgraad v.
v = (IL - IC) / IL
Het resonantiepunt, en daarmee het ideale afstempunt voor de aardlekbeveiligingsspoel, verandert in echte netwerken doordat de netcapaciteit door omschakelingen verandert. Om de spoel altijd zo goed mogelijk af te stemmen op de actuele nettoestand, is een automatische regeling van de spoel van belang. Dit kan worden uitgevoerd met de compensatiespoelregelaar REG-DP van A. Eberle. De berekening van de juiste aardlekcompensatie gebeurt met de REG-DP automatisch en continu door het meten van de resonantiecurve.
Aardsluitingslokalisatie
In een gecompenseerd systeem is het weliswaar mogelijk om het net in bedrijf te houden, maar de aardfout zorgt door de verhoogde spanningen op de niet-defecte fasen toch voor een extra belasting van het net. Daarom is een snelle en betrouwbare detectie en lokalisatie van aardfouten noodzakelijk.
Om de aardfout vast te stellen en de aardfout te lokaliseren, zijn er, afhankelijk van de specifieke omstandigheden, talrijke lokalisatiealgoritmen beschikbaar
Om optimaal gebruik te maken van de voordelen van de verschillende aardfoutlokalisatiemethoden bij uiteenlopende aardfoutsituaties, netconfiguraties en meetomstandigheden, zijn in de aardsluiting indicators en aardsluitingslokalisatieapparaten van A. Eberle talrijke methoden geïmplementeerd:
- Wisserprocedure (qu2-procedure)
- Qui-procedure voor intermitterende fouten / Qui met herstart
- Blindstroommethode / sin(phi)-methode
- Wattmetrische methode / cos(φ)-methode (met of zonder verhoging van de reststroom)
- Boventoningen-procedure
- Pulsorting
Onderscheid tussen onze lokalisatieapparaten op basis van lokalisatiemethode
De volgende tabel geeft een overzicht van de lokalisatieapparaten van A. Eberle en de respectievelijk geïmplementeerde methoden voor aardfoutlokalisatie. De gecombineerde kortsluiting en aardsluitingsindicators EOR-3DS und EOR-1DS beschikken naast de aardfoutlokalisatiefuncties ook over een kortsluitdetectiefunctie voor het weergeven en melden van kortsluitingen.
Een ander belangrijk kenmerk van de lokalisatieapparatuur van A. Eberle is de grote flexibiliteit en het aanpassingsvermogen aan verschillende toepassingsgebieden. De apparaten zijn zo ontworpen dat ze in diverse industriële omgevingen kunnen worden ingezet, of het nu gaat om energieopwekking, -distributie of industriële automatisering. Bovendien bieden ze geavanceerde diagnosemogelijkheden die een nauwkeurige bewaking en analyse van elektrische netwerken mogelijk maken. Deze veelzijdigheid maakt de producten van A. Eberle tot een voorkeurskeuze voor bedrijven die op zoek zijn naar betrouwbare en krachtige lokalisatieoplossingen voor hun elektrische installaties.
Onderscheid tussen onze lokalisatieapparaten op basis van de belangrijkste kenmerken
Hieronder vindt u een overzicht van de belangrijkste kenmerken van de verschillende lokalisatieapparaten van A. Eberle:
EOR-1DS
- Voordelige variant met de volgende lokalisatiemethoden:
- qu2-wisser-procedure
- Pulsorting
- plus kortsluitingsdetectie
- Eenvoudige bediening en instelling zonder software
- Geïntegreerde Modbus-RTU-aansluiting
EOR-3DS
- Uitgebreide aardlekdetectiefunctie (algoritmen zoals EOR-D)
- Extra lokalisatiemethoden voor de EOR-1DS, zoals:
- qui-procedure voor herontstekingsfouten
- Boventoningen-procedure
- Uitgebreide functionaliteit voor het intelligente lokale netstation (SCADA, Security, Switching)
- Te gebruiken als Digitaliseringseenheid voor lokale netstations
Nauwkeurige aardsluitingslokalisatie en uitgebreide netwerkanalyse
De evaluaties van de procedures leveren per bewaakte leiding richtingsinformatie op (storing voorwaarts/defecte aftakking of achterwaarts/defectloze aftakking). Aan de hand van alle meldingen is het mogelijk om de aardfout te lokaliseren en op te sporen (zie voorbeeld). Hoe meer lokalisatieapparaten er in het netwerk worden ingezet, hoe nauwkeuriger de storingslocatie kan worden bepaald.
De geavanceerde lokalisatieapparatuur van A. Eberle biedt niet alleen nauwkeurige richtingsinformatie voor gedetecteerde fouten, maar maakt ook een uitgebreide analyse en bewaking van het gehele elektrische netwerk mogelijk. Door de integratie van de modernste sensortechnologieën en algoritmen maken deze apparaten een continue registratie en evaluatie van netwerkparameters mogelijk. Dit leidt tot een verbeterde prestatie bij foutdetectie en maakt proactieve foutpreventie mogelijk. Bovendien kunnen de lokalisatieapparaten ook historische gegevens opslaan en trends identificeren om langetermijnnetwerkanalyses en -optimalisaties te ondersteunen. Zo bieden de producten van A. Eberle niet alleen een betrouwbare aardsluitingslokalisatie, maar dragen ze ook bij aan de efficiëntie en betrouwbaarheid van het gehele elektriciteitsnet.
Aardsluitingslokalisatie
In het volgende deel worden de afzonderlijke procedures voor het lokaliseren van de aardlek kort beschreven:
Wisserprocedure
- De responsdrempel van de verplaatsingsspanning Uen is instelbaar.
- Evaluatie van het tijdelijke proces bij het optreden van een aardlek
- uiterst betrouwbare registratie door geïntegreerde evaluatie (qu2-procedure)
- werkt zowel in gecompenseerde als in geïsoleerde netwerken
- in tegenstelling tot de “stationaire procedures” kunnen alle aardlekken (ook korte aardfout wisser) worden geregistreerd
Qui-procedure
- Uitbreiding van de qu2-procedure om gericht en afzonderlijk opnieuw ontstekende fouten te detecteren
- Methodologie van de qu2-procedure toegepast op een glijdend observatievenster en observatie van het aantal herontstekingen
Blindstroommethode / sin(φ)-methode
- De responsdrempel van de verplaatsingsspanning Uen is instelbaar.
- toepasbaar in geïsoleerd netwerk
- De hoek tussen de verplaatsingsspanning en de nulstroom wordt geëvalueerd. In een geïsoleerd netwerk kan hieruit eenvoudig worden geconcludeerd of de bewaakte afgang defect (I0 und U0 gedragen zich inductief) of defectvrij (I0 und U0 gedragen zich capacitief) is
Wattmetrische methode (met of zonder wattreststroomverhoging)
- Evaluatie van de reststroom, die zelfs in een volledig gecompenseerd netwerk nog steeds over de foutlocatie stroomt.
- Nauwkeurige meting om de hoek tussen I0 en U0 noodzakelijk om de wattreststroom correct te kunnen bepalen.
- Rekening houden met omvormerfouten mogelijk via parametrering
- De responsdrempel van de verplaatsingsspanning Uen is instelbaar, de responsdrempel van de reststroom in watt is per uitgang instelbaar
- door de wattreststroom te verhogen (weerstand parallel aan de compensatiespoel) kan de wattreststroom worden verhoogd om de juiste bepaling van de richting van de wattmetrische stroom te vereenvoudigen
Boventoningen-procedure
- De responsdrempel van de verplaatsingsspanning Uen is instelbaar.
- Toepassing van het principe van de blindstroommethode voor gecompenseerde netwerken door gebruik te maken van hogere frequenties (bijv. 250 Hz)
- in de EOR-D bovendien harmonische analyse mogelijk met vergelijking van de stroomwaarden van meerdere afgangen (vergelijkende evaluatie). Verder
- er kan worden gekozen tussen verschillende harmonischen (bijv. 5e - 250 Hz). Daarnaast kan ook een vrije harmonische frequentie worden geparametriseerd
Pulsorting
- door cyclisch schakelen van een condensator of een inductie parallel aan de compensatiespoel wordt bij een aardfout een pulspatroon gegenereerd, dat vervolgens door het lokalisatieapparaat wordt herkend.
- een “dieptebepaling” tot aan de foutlocatie is mogelijk
- optioneel kan een drempelwaarde voor de verplaatsingsspanning Uen worden geparametreerd
- bij onze foutmelder EOR-1DS wordt naast de stroomsterkte ook de hoekverandering door de puls geëvalueerd, waardoor hier geen bepaalde compensatiegraad meer hoeft te worden aangehouden voor de juiste herkenning van het pulspatroon.
Voordelen van aardsluitingbewaking
met de gecombineerde kortsluitings- en aardsluiting indicatoren van A. Eberle
Welke voordelen biedt constante aardsluitingbewaking?
Met onze kortsluiting en aardsluitingsindicatoren is een constante aardsluitingbewaking mogelijk:
De constante aardsluitingbewaking in elektrische installaties en stroomnetten biedt verschillende voordelen, waaronder:
- Voorkomen van storingen: Het tijdig opsporen en verhelpen van aardfout helpt stroomstoringen te voorkomen of tot een minimum te beperken, waardoor de bedrijfscontinuïteit in industriële installaties en de stroomvoorziening voor afnemers in openbare elektriciteitsnetten wordt gewaarborgd.
- Vermindering van uitvaltijd: Door continue monitoring kunnen aardfouten snel worden verholpen, wat leidt tot kortere uitvaltijden en een hogere productiviteit en efficiëntie in verschillende toepassingsgebieden.
- Kostenbesparing: Door grotere schade en stroomstoringen te voorkomen, kunnen aanzienlijke reparatiekosten en financiële verliezen worden vermeden.
- Onderhoudsplanning: Het monitoren van aardfout helpt bij het plannen van onderhoudswerkzaamheden, omdat hiermee de toestand van de elektrische installaties continu wordt bewaakt en het tijdstip voor noodzakelijke onderhoudsmaatregelen kan worden voorspeld.
- Naleving van veiligheidsvoorschriften: een aardsluitingcompensatie ter vermindering van foutstroommeting en toegestane aanraaks spanning, evenals een continue aardsluitingbewaking, vormen meestal de optimale oplossing om te voldoen aan de geldende veiligheidsvoorschriften in combinatie met een economische bedrijfsvoering, met name op het gebied van middenspanning
- Gegevensanalyse: Door middel van continue monitoring kunnen uitgebreide gegevens over de toestand van het elektrische systeem worden verzameld. Deze gegevens kunnen worden gebruikt voor de analyse en optimalisatie van de werking.
- Al met al draagt de continue aardsluitingbewaking bij aan het vergroten van de betrouwbaarheid en veiligheid van elektrische installaties, het minimaliseren van storingen en het verhogen van de bedrijfsefficiëntie. Dit is met name van belang bij kritieke toepassingen en in omgevingen waar de veiligheid van mensen en de impact op het milieu van het grootste belang zijn.
Waar komt het bij aardsluitingbewaking op aan?
Waar komt het bij aardsluitingbewaking op aan?
Herkenningsvermogen: Het systeem voor aardsluitingbewaking moet in staat zijn om aardfouten betrouwbaar te detecteren en te melden. Apparaten van A. Eberle beschikken over een groot aantal lokalisatiealgoritmen (zie hierboven) die naar believen kunnen worden gecombineerd. Zo is er voor verschillende toepassingen (netwerkconfiguratie, beschikbare meetnauwkeurigheid, bedrijfsfilosofie) altijd een passende en betrouwbare oplossing beschikbaar.
Snelheid van herkenning: De bewakingssystemen moeten storingen snel detecteren en melden, zodat er snel kan worden gereageerd en de storing kan worden verholpen voordat er grotere schade ontstaat. De veegmethode waarmee onze apparaten werken, detecteert de storing binnen enkele honderden milliseconden; de stationaire lokalisatiemethoden bepalen de storingsrichting binnen ongeveer een seconde; bij pulsorting is dit afhankelijk van de duur van het ingestelde puls patroon. Zo worden aardfouten zeer snel gedetecteerd en kan onmiddellijk worden begonnen met de lokalisatie (ook al is de detectie van aardfouten niet zo tijdskritisch als bijvoorbeeld het uitschakelen van kortsluitingen door beveiligingsapparatuur).
Lokalisatievermogen: Het systeem moet in staat zijn om de locatie van de aardfout of de lekstroom nauwkeurig te bepalen, om het opsporen en repareren te vergemakkelijken. Al onze methoden geven daarom een gerichte melding af voor het opsporen
Alarmering: Het systeem moet in staat zijn om alarmen te activeren om het bedieningspersoneel of de bevoegde instanties te informeren over het optreden van een aardfout. Deze alarmen kunnen visueel, akoestisch of via netwerken en communicatiesystemen worden gegeven. Er is daarom een breed scala aan mogelijkheden beschikbaar voor koppeling met besturingssystemen (bij alle foutmelders van A. Eberle: binaire uitgangen; bij EOR-1DS Modbus, bij EOR-3DS en EOR-D: diverse gangbare protocollen voor besturingstechniek).
Gegevensregistratie: Die Bewakingsapparatuur moet gegevens over gedetecteerde aardlekken en lekstromen registreren en opslaan, zodat deze later kunnen worden geanalyseerd en gevolgd. Daarom registreren alle lokalisatieapparaten van A. Eberle logboeken en storingsrapporten, zodat fouten achteraf kunnen worden geanalyseerd.
Onderhoud en diagnose: Het systeem moet beschikken over functies voor zelfdiagnose en zelfcontrole om te garanderen dat het correct functioneert en om onderhoudsbehoeften te melden. De lokalisatieapparatuur van A. Eberle beschikt over actieve statusbewaking en melding in geval van storingen, evenals logboekregistraties en regelmatige software-updates.
Integratie in het totale systeem: De aardlekbewaking moet naadloos in het totale systeem van de elektrische installatie worden geïntegreerd om een efficiënte bewaking en besturing mogelijk te maken. Bij onze Kort- en aardingsfoutindicatoren kunt u daarom kiezen uit verschillende hardwareontwerpen.
Bewaking op afstand: In sommige gevallen is het zinvol om de bewakingsapparatuur op afstand te kunnen bewaken, zodat ook wanneer het bedienend personeel niet ter plaatse is, op storingen kan worden gereageerd. Bij ons vlaggenschip onder de foutmelders, de nieuwe EOR-3DS, is externe toegang ‘Management and Operations’ via MQTT mogelijk. Bij de klassieker, de EOR-D, is externe toegang via COM-server mogelijk.
Schaalbaarheid: Afhankelijk van de grootte en complexiteit van het netwerk moet het aardlekbewakingssysteem schaalbaar zijn om aan de eisen te voldoen. Bij de nieuwe EOR-3DS zijn massale updates en geautomatiseerd beheer in apparaatgroepen mogelijk via MQTT voor ‘Management & Operations’. Het apparaat kan in grote aantallen worden geschaald en op afstand worden bediend in het netwerk.
Gegevensanalyse en verslaggeving: De verzamelde gegevens moeten worden geanalyseerd en er moeten rapporten worden opgesteld om trends en patronen te herkennen en bij te dragen aan de optimalisatie van de bedrijfsvoering. Daarom leveren EOR-1DS en vooral EOR-3DS een groot aantal meetwaarden (ook MQTT & IoT), die transparantie en veiligheid in uw netwerk garanderen.
