Allgemeine Methoden zur Ortung von Erdschlüssen in einem Gleichstromsystem einer Umspannstation

Allgemeine Methoden zur Ortung von Erdschlüssen in einem Gleichstromsystem einer Umspannstation

In Umspannwerken liefert das Gleichstromsystem eine zuverlässige Steuerstromversorgung fürSchutzrelais, Schaltvorgänge zum Öffnen und Schließen von Leistungsschaltern, Automatisierungsgeräte, Signalkreise und Notlasten. Im Vergleich zu AC-Hilfsstromversorgungssystemen werden Gleichstromsysteme in Umspannwerken üblicherweise als ungeerdete oder schwebende Systeme ausgelegt. Daher kann ein einzelner Erdschluss die Gleichstromversorgung möglicherweise nicht sofort unterbrechen, aber er verringert die Isolationsmarge des Systems. Wenn ein zweiter Erdschluss auftritt, kann dies einen unbeabsichtigten Strompfad erzeugen und möglicherweise zu Fehlauslösungen des Schutzes, Ausfällen von Leistungsschaltern oder sogar zu einer größeren Systemstörung führen.

Mit der kontinuierlichen Entwicklung intelligenter Umspannwerke, digitaler Umspannwerke, der Integration erneuerbarer Energien und moderner Stromnetze sind die Zuverlässigkeit von Gleichstromsystemen in Umspannwerken und deren Online-Isolationsüberwachungsfähigkeiten für Versorgungsunternehmen, EPC-Auftragnehmer und internationale Käufer von Stromausrüstung zunehmend wichtiger geworden.

Was ist ein Erdschluss in einer Umspannanlagen DC System?

Ein Erdschluss im Gleichstromsystem des Umspannwerks, auch bezeichnet als ein DC-Erdschluss oderDC-Isolationsfehler, tritt auf, wenn sich am positiven oder negativen Pol des DC-Systems aufgrund von Isolationsverschlechterung, Geräteschäden, Feuchtigkeit oder anderen Ursachen ein unbeabsichtigter leitfähiger Pfad zur Erde bildet.

Ein typisches DC-System in Umspannwerken besteht aus:

• Batteriebank
• Batterieladegerät
• DC-Sammelschienen
• DC-Verteilerschränke
• DC-Abgangskreise
• Schutz- und Steuereinrichtungen

Unter normalen Betriebsbedingungen sollten sowohl der positive als auch der negative Pol einen ausreichenden Isolationswiderstand gegen Erde aufweisen.

Häufige Ursachen für DC-Erdschlüsse sind:

• Alterung oder Beschädigung von Sekundärkabeln
• Feuchtigkeit oder Wasseransammlungen in Kabelkanälen
• Kondensation in Schaltschränken
• Isolationsverschlechterung in Relais- oder Leistungsschalterkreisen
• Mechanische Beschädigung von Kabeln während der Installation
• Interner Isolationsfehler elektrischer Betriebsmittel
• Staub und Verunreinigungen
• Eindringen von Kleintieren oder fremden Metallgegenständen in Betriebsmittel

Da ein DC-System einer Umspannstation eine große Anzahl verteilter Abzweige und lange Sekundärkabel enthalten kann, kann die Erkennung und Ortung von DC-Erdschlüssenwesentlich komplizierter sein als die Fehlersuche in einem herkömmlichen Niederspannungssteuerkreis.

Warum sollte ein DC-Erdschluss umgehend geortet werden?

Ein einzelner Erdschluss führt nicht zwangsläufig zu einem sofortigen Verlust der DC-Stromversorgung. Er verändert jedoch die Spannungsverteilung des DC-Systems relativ zur Erde und verringert die Sicherheitsmarge des Systems.

Wenn beispielsweise der positive Pol geerdet wird, kann sich die Spannung des negativen Pols relativ zur Erde erheblich verschieben. Wenn sich anschließend an anderer Stelle im System ein weiterer Erdschluss entwickelt, kann ein unbeabsichtigter Strompfad zwischen Plus und Minus entstehen.

Mögliche Folgen sind:

1. Fehlfunktion von Schutzrelais
2. Abnormales Verhalten von Leistungsschaltern
3. Ausfall des Leistungsschalters beim Aus- oder Einschalten
4. Fehlfunktion der Automatisierungsausrüstung
5. Ungewolltes Auslösen von DC-Sicherungen oder Leistungsschaltern
6. In schweren Fällen verringerte Fähigkeit, auf Umspannwerksfehler und Notfälle zu reagieren

Aus diesem Grund sollte, sobald ein DC-System-Isolationsfehler erkannt wird, die Fehlerpolarität, der betroffene Abgang und der genaue Fehlerort so bald wie möglich identifiziert werden.

Allgemeine Methoden zur Ortung eines DC-Erdschlusses in Umspannwerken

1. Bestätigen des Erdschlussalarms und des Systemzustands

Wenn die DC-Tafel, das Isolationsüberwachungsgerät oder das Überwachungssystem einen Erdschlussalarm ausgibt, besteht der erste Schritt darin, den allgemeinen Betriebszustand des DC-Systems zu überprüfen.

Wichtige Parameter umfassen:

• DC-Systemspannung
• Spannung Plus gegen Erde
• Spannung Minus gegen Erde
• Isolationswiderstand
• Status der Isolationsüberwachungseinrichtung
• Fehlerpolarität
• Ob der Fehler kontinuierlich oder intermittierend ist
• Ob mehrere Erdschlüsse vorliegen können

Moderne DC-Isolationsüberwachungseinrichtungen (IMDs)überwachen kontinuierlich den Isolationswiderstand gegen Erde in ungeerdeten DC-Systemen. IEC 61557-8 legt Anforderungen an Isolationsüberwachungseinrichtungen fest, die für ungeerdete DC-IT-Systeme bis 1.500 V DC verwendet werden.

2. Bestimmen Sie die Fehlerpolarität und den Schweregrad

Nach der Bestätigung des Alarms sollten Techniker feststellen, ob die Isolationsverschlechterung hauptsächlich mit dem positiven oder dem negativen Pol zusammenhängt.

Die folgenden Parameter sollten bewertet werden:

Isolationszustand des positiven Pols gegen Erde
Isolationszustand des negativen Pols gegen Erde
DC-Busspannung
Gesamtisolationswiderstand

Wenn der Isolationswiderstand eines Pols deutlich niedriger als erwartet ist, steht der Fehler wahrscheinlicher mit den an diesen Pol angeschlossenen Stromkreisen in Zusammenhang.

Die genaue Diagnosemethode hängt jedoch von der Konfiguration des DC-Systems und dem Design des Isolationsüberwachungsgeräts ab. Eine einzelne Spannungsmessung sollte nicht als alleinige Grundlage für die Bestimmung des genauen Fehlerorts verwendet werden.

3. Prüfen Sie die DC-Abzweige abschnittsweise

Wenn der Fehler nicht direkt lokalisiert werden kann, gilt als allgemeines Fehlersuchprinzip:

Zuerst vom DC-Bus ausgehen, dann Einspeisungen, Abzweigkreise und schließlich einzelne Betriebsmittel prüfen.

Eine typische Fehlersuchreihenfolge ist:

DC-Bus → DC-Verteilerschrank → einzelne DC-Einspeisungen → Schutz-/Steuerschränke → Klemmenkästen → Feldgeräte

Durch die schrittweise Isolierung von Systemabschnitten können Techniker ein komplexes DC-Netz auf einen viel kleineren vermuteten Fehlerbereich reduzieren.

Während dieses Prozesses müssen Bediener strikt die genehmigten Schaltverfahren befolgen. Kritische Schutzstromkreise, Steuerstromkreise von Leistungsschaltern oder wesentliche DC-Versorgungen sollten niemals willkürlich getrennt werden, nur um einen Erdschluss zu lokalisieren.

4. Online-Isolationsüberwachung und Fehlerortung verwenden Ausrüstung

Bei großen Umspannwerken kann die manuelle Prüfung jeder Einspeisung zeitaufwendig sein. Daher setzen moderne Umspannwerke zunehmend Online-Isolationsüberwachungs- und Isolationsfehlerortungssysteme ein.

Ein fortschrittliches Gleichstrom-Erdschlusserkennungs- und -ortungssystem kann den Isolationszustand einzelner Abgänge überwachen und dabei helfen, den mit dem Isolationsfehler verbundenen Stromkreis zu identifizieren.

Die IEC 61557-9:2023 legt Anforderungen fest für Isolationsfehler-Ortungssysteme (IFLS), die dazu bestimmt sind, Isolationsfehler in ungeerdeten IT-Systemen zu lokalisieren, einschließlich ungeerdeter Gleichstromsysteme bis 1.500 V DC.

Die Technologie ermöglicht es dem Schutzsystem daher, sich von der bloßen Erkennung eines Isolationsfehlers auf Erkennung, Ortung, Aufzeichnung und Analyse des Fehlers.

5. Überprüfen Sie die Feldgeräte nach der Eingrenzung des Fehlerbereichs

Sobald der betroffene Abgang oder Stromkreis identifiziert wurde, können Techniker bestimmte Komponenten überprüfen, darunter:

• Kabel und Kabelverbindungen
• Klemmenblöcke
• Schutzrelais
• Aus- und Einschaltspulen von Leistungsschaltern
• Steuerschalter
• Meldeeinrichtungen
• Kondensationsschutzheizungen
• Klemmenkästen
• Sekundärverkabelung im Außenbereich
• Kabelgräben und Kabelabschlüsse

Bei Freiluftschaltanlagen ist besonderes Augenmerk zu legen aufRegenwasser, Kondensation, Feuchtigkeit, Staub, Verschmutzung und das Eindringen von Tieren, die alle zur Verschlechterung der Isolierung beitragen können.

Traditionelle Fehlersuche vs. intelligente Fehlerortung

TraditionelleFehlersuche bei Gleichstrom-Erdschlüssen in Umspannwerkenstützt sich hauptsächlich auf einen Isolationsalarm, gefolgt von einer manuellen, abschnittsweisen Überprüfung.

Dieser Ansatz hat relativ geringe Anschaffungskosten, weist jedoch zwei wesentliche Einschränkungen auf.

Erstens kann die Fehlerortung viel Zeit in Anspruch nehmen.
Wenn ein Umspannwerk eine große Anzahl von Gleichstrom-Abzweigen hat, müssen Techniker möglicherweise mehrere Stromkreise nacheinander überprüfen.

Zweitens hängt die Fehlersuche stark von der Erfahrung des Bedieners ab.
Intermittierende Fehler können besonders schwer zu lokalisieren sein. Beispielsweise kann ein durch Feuchtigkeit verursachter Isolationsfehler verschwinden, nachdem die Anlage getrocknet ist, und bei steigender Luftfeuchtigkeit wieder auftreten.

Aus diesem Grund setzen moderne Umspannwerke zunehmend aufOnline-Isolationsüberwachungssysteme, Abzweig-Isolationsüberwachung und automatische Fehlerortungssysteme.

Der grundlegende Betriebsablauf lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Isolationsüberwachung → Erdschlussalarm → Fehlerpolaritätserkennung → Abzweigortung → Fehlerstelleninspektion → Fehlerbeseitigung → Isolationswiederherstellungsprüfung

Für große Umspannwerke, Kraftwerke, Rechenzentren und kritische Industrieanlagen kann dieser Ansatz die Effizienz der Fehlersuche und die Zuverlässigkeit des Gleichstromsystems erheblich verbessern.

Wichtige Überlegungen bei der Fehlersuche von Gleichstrom-Erdschlüssen

1. Kritische Stromkreise nicht willkürlich trennen

Schutzrelais, Steuerkreise von Leistungsschaltern, Automatisierungssysteme und andere kritische Betriebsmittel können von der Gleichstromversorgung der Station abhängen.

Das fehlerhafte Trennen eines wesentlichen Abgangs während der Fehlersuche kann dazu führen, dass Schutz- oder Steuerungsfunktionen nicht mehr verfügbar sind.

Alle Schaltvorgänge sollten daher gemäß genehmigter Schaltverfahren, den Einliniendiagrammen und Sekundärverdrahtungsplänen der Umspannstation sowie den Anweisungen des Geräteherstellers durchgeführt werden.

2. Achten Sie auf das Risiko mehrerer Erdschlüsse

Ein einzelner Erdschluss kann nicht sofort ein größeres betriebliches Problem verursachen. Ein zweiter Erdschluss kann jedoch einen unbeabsichtigten Strompfad erzeugen und Schutz- und Steuerkreise beeinträchtigen.

Daher sollte der erste Erdschluss, sobald er erkannt wird, nicht einfach als geringfügige Warnung betrachtet werden. Die Ursache sollte ermittelt und der Isolationszustand so bald wie praktikabel wiederhergestellt werden.

3. Priorisieren Sie die Online-Überwachung für kritische Anlagen

Für große Umspannstationen, Kraftwerke, Rechenzentren und kritische Industrieanlagen, Online-Isolationsüberwachung und Fehlerortung sollte vorzugsweise bereits in der Entwurfsphase des Gleichstromsystems berücksichtigt werden.

Solche Systeme können eine schnellere Fehlerlokalisierung sowie historische Daten für vorbeugende Instandhaltung und zustandsbasierte Instandhaltung bereitstellen.

Trends in der Gleichstromsystemtechnik von Umspannwerken

Mit der Entwicklung digitaler Umspannwerke entwickeln sich Gleichstromsysteme von konventionellen Stromversorgungsgeräten zu einem wichtigen Bestandteil der intelligenten Überwachungs- und Zuverlässigkeitsarchitektur von Umspannwerken.

Zukünftige Überwachung von Gleichstromsystemen Lösungen werden voraussichtlich enger mit SCADA, digitalen Umspannwerksplattformen und intelligenten Anlagenverwaltungssystemen integriert.

Zu den Hauptfunktionen könnten gehören:

• Online-Isolationsüberwachung
• Automatische Fehlerortung
• Historische Datenaufzeichnung
• Trendanalyse
• Frühwarnung
• Fernüberwachung
• Zustandsbasierte Wartung

Der neueste IEC-Rahmen zeigt auch die zunehmende Betonung spezieller Isolationsüberwachungs- und Fehlerortungstechnologien. IEC 61557-8 behandelt die kontinuierliche Isolationsüberwachung, während IEC 61557-9 die Lokalisierung von Isolationsfehlern in ungeerdeten IT-Systemen behandelt.

Für internationale B2B-Käufer sollte die Auswahl eines Gleichstromsystems für Umspannwerke daher nicht nur traditionelle Parameter wie Gleichspannung, Batteriekapazität, Ladegerätkapazität und Gleichstromverteilungskonfiguration berücksichtigen, sondern auch Isolationsüberwachung, Fehlerortungsfunktion, Kommunikationsschnittstellen und Kompatibilität mit SCADA- oder Umspannwerk-Automatisierungssystemen.

Fazit

Das Kernprinzip von Fehlersuche bei Erdschlüssen im Gleichstromsystem einer Umspannstationist, den Fehler schrittweise einzugrenzen durch Überwachung, Identifizierung, abschnittsweise Isolierung, Lokalisierung und Verifizierung.

Traditionelle manuelle Fehlerbehebung mag für kleinere Gleichstromsysteme geeignet sein. Für große Umspannwerke, Kraftwerke, Rechenzentren und andere kritische elektrische Anlagen ist sie jedoch DC-Isolationsüberwachungssysteme sowie DC-Erdschlusserkennungs- und -ortungssysteme kann eine effizientere und systematischere Lösung bieten.

Aus der Perspektive der Geräteherstellung und technischen Anwendungen, die DC-Verteilerfeld, Batterieladegerät, Batteriebank, Isolationsüberwachungsgerät und DC-Abgangssystem sollte entsprechend der Projektspannungsebene, den Lastmerkmalen, den Schutzanforderungen und der Kommunikationsarchitektur als integriertes System ausgelegt werden.

Mit der kontinuierlichen Entwicklung intelligenter Umspannwerke und digitaler Energiesysteme werden Online-Isolationsüberwachung und intelligente Gleichstrom-Fehlerortung zu immer wichtigeren Technologien, um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Wartbarkeit von Gleichstromsystemen in Umspannwerken zu verbessern.

Sicherheitshinweis: Gleichstromsysteme in Umspannwerken versorgen kritische Schutz- und Schaltersteuerungsfunktionen. Tatsächliche Fehlerbehebung und Schaltvorgänge müssen von qualifiziertem Personal gemäß den Sicherheitsverfahren vor Ort, den genehmigten elektrischen Plänen, den Betriebsanweisungen und den Anforderungen des Geräteherstellers durchgeführt werden. Dieser Artikel dient der technischen und ingenieurtechnischen Referenz und ersetzt keine standortspezifischen Betriebsverfahren.