Erdungsfaktor im Distanzschutz

Numerische Distanzschutzrelais verwenden verschiedene Algorithmen, die auf gemessenem Strom und Spannung basieren, um den Fehlerimpedanzwert zu berechnen. Die berechneten Impedanzen unterscheiden sich unter bestimmten Bedingungen, wie zum Beispiel bei Einphasen-zu-Erde-Fehlern. Allgemein werden drei Methoden zur Berechnung der Impedanz bei Erdschlussfehlern verwendet: Typ A, Typ B und Typ C. Hier wurde ein Einphasen-zu-Erde-Fehler (Phase E1-L) auf drei Relais mit unterschiedlichen Algorithmen angewendet. Die von jedem Relais gemessenen Spannungs- und Stromwerte werden wie gezeigt dargestellt.

Die von den Distanzrelais berechneten Leitungsimpedanzen werden wie angezeigt dargestellt. Die unterschiedlichen gemessenen Impedanzwerte ergeben sich aus den unterschiedlichen Erdungsfaktoren, die in den Distanzrelais verwendet werden. Unten werden diese drei Methoden vorgestellt. Wie bekannt, bestimmt das Distanzrelais den Fehlerort, indem es die Impedanz berechnet. Das gezeigte Diagramm stellt den Ersatzkreis einer doppelt gespeisten Leitung dar, bei der ein Einphasen-zu-Erde-Fehler in Phase L1 aufgetreten ist.

In diesem Stromkreis misst das Relais am Punkt M Spannung und Strom und berechnet die Impedanz basierend auf dem Kirchhoff’schen Gesetz. In der angegebenen Gleichung wird der Term RF aufgrund des Lichtbogens, der durch den Kurzschluss entsteht, als null oder undefiniert betrachtet. Durch bestimmte Annahmen zur Vereinfachung dieser Gleichung berechnet das Relais die Spannung am Punkt M. In den Gleichungen wird RF als null angenommen, und IE·ZE werden unter Verwendung des Erdungsfaktors bestimmt.

Der Erdungsfaktor (K) wird bei Phasen-zu-Erde-Fehlern verwendet und hängt von den Leitungsparametern ab. Er ist definiert als das Verhältnis der Erdungsimpedanz zur Leitungsimpedanz. Das Diagramm zeigt den Ersatzkreis für einen Phasen-zu-Erde-Fehler, wobei RF = 0 angenommen wird. Die Gesamtimpedanz ZS wird dabei in die Leitungsimpedanz ZL und die Erdungsimpedanz ZE aufgeteilt. Unter diesen Annahmen ergeben sich die gezeigten Gleichungen.

In den dargestellten Gleichungen repräsentieren Z0s und Z1s die Nullfolgen- bzw. Positive-Folgen-Impedenzen der Quelle. Im Allgemeinen gibt es drei Methoden, den Erdungsfaktor (K) auszudrücken, die ineinander umwandelbar sind. Die erste Methode ist das Verhältnis der Erdungsimpedanz zur Leitungsimpedanz, was eine komplexe Zahl ist. Die zweite Methode ist die Division der Nullfolgenimpedanz durch die Positive-Folgenimpedanz.

Die dritte Methode stellt den Erdungsfaktor als ein Paar reeller Zahlen dar. Abhängig davon, welche Informationen zum Erdungsfaktor vorliegen, kann er unabhängig im Object Test-Fenster, im Distance Block oder im Abschnitt Factor Grounding der Vebko-Software eingegeben werden. Der Abschnitt Factor Grounding im Fenster Parameters Protection Distance erlaubt die Eingabe des Erdungsfaktors und die Auswahl des Relais-Algorithmus. Über das Mode-Dropdown-Menü kann die Methode zur Eingabe des Faktors (RL/RE oder KL, K, K0) gewählt werden, ohne den Algorithmus des Relais zu beeinflussen.

Wie bereits erwähnt, gibt es Gleichungen, um verschiedene Arten von Erdungsfaktoren ineinander umzuwandeln. Die Beziehung zwischen dem KL-Faktor und anderen erdungsbezogenen Faktoren ist dargestellt. Distanzschutzrelais-Algorithmus Typ A, „KL Complex“: Das Distanzrelais mit dem Typ-A-Algorithmus verwendet den KL-Faktor, wie gezeigt, zur Berechnung der Impedanz bei einem Phasen-zu-Erde-Fehler.

In der dargestellten Gleichung, unter der Annahme, dass Strom der ersten Phase, Erdstrom und Fehlerstrom gleich sind (−=1IL=IIF=IE) und mit V als der vom Relais während des Fehlers gemessenen Spannung, wird die vom Relais gemessene Impedanz wie gezeigt berechnet. Distanzschutzrelais-Algorithmus Typ B, „XL/XE, RL/RE“: Das Distanzrelais mit dem Typ-B-Algorithmus berechnet die Impedanz bei einem Phasen-zu-Erde-Fehler unter Verwendung der komplexen Erdungsfaktoren Kr und Kx, wie dargestellt.

In der gegebenen Gleichung wird angenommen, dass der Strom der ersten Phase, der Erdstrom und der Fehlerstrom gleich sind (d. h. IL1 = I = IF = IE). Außerdem steht V für die vom Relais während des Fehlers gemessene Spannung. Auf dieser Grundlage wird die vom Relais gemessene Impedanz wie gezeigt berechnet.

Distanzschutzrelais-Algorithmus Typ C, „Separated Arc“: Distanzrelais vom Typ C verwenden einen Algorithmus, der dem Typ-B-Algorithmus ähnelt, um den imaginären Teil der Fehlerimpedanz X zu berechnen. Den realen Teil der Fehlerimpedanz R berechnen sie jedoch anders. Dieser Algorithmus berücksichtigt den Lichtbogenwiderstand (RF arc), indem angenommen wird, dass der Fehlerstrom IF dem Leitungsstrom entspricht. Das Grundprinzip dieses Algorithmus besteht darin, den Lichtbogenwiderstand mit dem Leitungswiderstand zu kombinieren. Anders ausgedrückt wird der reale Teil der Erdungsimpedanz vom realen Teil der Phasen-zu-Erde-Fehlerimpedanz (Erdschlusskreis) subtrahiert. Der Wert des Erdungswiderstands kann dann aus dem berechneten XL als Funktion des Faktors Kr und des Leitungswinkels bestimmt werden.

Interpretation der Ergebnisse für verschiedene Algorithmen: Durch die Vereinfachung (IE = −IF = IL1) wird ein Vergleich der erhaltenen Ergebnisse ermöglicht.