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2024-03-19T18:39:01Z

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[[Datei:Petersenspule1.png|mini|Petersen-Spule zur Erdschluss- kompensation]]

Die '''Erdschlusskompensation''', auch als '''Resonanzsternpunkterdung''' (RESPE) oder als '''gelöschtes Netz''' bezeichnet, dient in [[Stromnetz|elektrischen Energieversorgungsnetzen]] dazu, den [[Fehlerstrom]] bei nicht beabsichtigten [[Erdschluss|Erdschlüssen]] eines [[Außenleiter]]s zu [[Kompensation (Technik)|kompensieren]].<ref>Skriptum Sternpunkterdung, Vorlesung ''Elektrische Energieversorgung II,'' Universität Hannover</ref>

Die Erdschlusskompensation ist beschränkt auf [[Wechselspannung]]ssysteme wie [[Dreiphasenwechselstrom|Dreiphasensysteme]] als eine Form der [[Sternpunkt]]<nowiki/>behandlung und in abgewandelter Form auf [[Einphasen-Dreileiternetz]]e, wie sie bei [[Bahnstromnetz]]en vorkommen.<ref>{{Literatur |Hrsg=SfB-Schiedsstelle für Beeinflussungsfragen |Titel=Richtlinie für Schutzmaßnahmen an Tk-Anlagen gegen Beeinflussung durch Netze der elektrischen Energieübertragung, -verteilung sowie Wechselstrombahnen |Datum=2005 |Seiten=52–55 |Online=[http://www.sfb-emv.de/data/TE-3.pdf sfb-emv.de] |Format=PDF |KBytes=}}</ref> Sie verwendet eine [[Spule (Elektrotechnik)|Spule]], die als '''Erdschlusslöschspule''' oder nach ihrem Erfinder [[Waldemar Petersen]] auch als '''Petersenspule''' bezeichnet wird. Diese Spule kompensiert den [[Elektrische Kapazität|kapazitiven]] Erdschluss[[Elektrischer Strom|strom]] und reduziert somit an der Fehlerstelle die [[Fehlerspannung]]. Das Verfahren wurde 1917 [[patent]]iert.<ref>{{Patent| Land=DE| V-Nr=304823| Code=C| Titel=Einrichtung zur Unterdrückung des Erdschlußstromes von Hochspannungsleitungen| A-Datum=1917-01-24| V-Datum=1818-04-12| Anmelder=[[Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft]]}}</ref>

Die Erdschlusskompensation wird typischerweise im [[Hochspannung]]sbereich bei [[Freileitung]]s<nowiki/>netzen bis zu 110 [[Volt|kV]] eingesetzt. Sie ist eine wirkungsvolle Methode, um die [[Energiesicherheit|Versorgungssicherheit]] mit elektrischer Energie zu erhöhen.

== Motivation ==
Ein wesentlicher Anteil der Störungen in elektrischen Energieversorgungsnetzen ist auf einen Erdschluss zurückzuführen. Erdschluss kann ausgelöst werden durch:
* Kabelbeschädigung
* das Hineinwachsen eines Baumes in eine Freileitung
* Windschäden oder
* fehlerhafte [[Isolierstoff|Isolation]] der Anlage.

Die [[Erdung]] des Sternpunktes könnte wie bei [[TN-System]]en im [[Niederspannung]]sbereich über einen nieder[[ohm]]igen [[Elektrischer Widerstand|Widerstand]] erfolgen:
* niederohmige Sternpunkterdung – NOSPE
* kurzzeitig niederohmige Sternpunkterdung – KNOSPE.
Jedoch besteht der Nachteil dieser Methode in [[Mittelspannung|Mittel-]]/Hochspannungsnetzen zur großräumigen [[Energieversorgung]] ohne [[Redundanz (Technik)|Redundanz]] in Form weiterer Leitungen darin, dass bei einem Erdschluss die Leitung, ähnlich wie beim [[Fehlerstromschutzschalter]] im Niederspannungsbereich, abgeschaltet und erst nach der Fehlerbehebung wieder in Betrieb genommen werden kann. Von diesen Ausfällen wären u. U. sehr viele Energiekunden betroffen.

Daher wird die Erdschlusskompensation genutzt, d. h. die Erdung des Sternpunkts über eine Spule statt über einen einfachen Widerstand, um das erdschlussbehaftete Netz weiter betreiben zu können. Dem [[Übertragungsnetzbetreiber|Netzbetreiber]] bleibt dadurch Zeit, die Fehlerstelle zu ermitteln und diese durch Netzumschaltungen ohne Versorgungsausfall freizuschalten. Die Erdschlusskompensation verhindert somit bei einpoligen Erdschlüssen einen hohen Fehlerstrom und die Notwendigkeit zum sofortigen Abschalten der betroffenen Leitung.

== Aufbau ==
[[Datei:Resonanzsternpunkterdung RESPE bei Erdschluss.svg|mini|hochkant=1.5|Prinzipschaltung mit Erdschlusskompensationsspule LE]]
[[Datei:Zwei Erdschlusslöschspulen RESPE (crop).jpg|mini|Zwei Erdschlusskompensationsspulen in einem Umspannwerk, jeweils mit [[Ausdehnungsgefäß]] für die Ölfüllung]]

Bei der Durchführung der Erdschlusskompensation werden die Sternpunkte eines oder mehrerer [[Leistungstransformator]]en über die Erdschlusslöschspule ''L''E mit dem Erdpotential verbunden, wie in nebenstehender Schaltskizze bei Transformator 1 dargestellt. Im vereinfachten Fall können [[Wirkwiderstand|Wirkwiderstände]] der [[Elektrische Leitung|Leitung]] vernachlässigt werden; bei realen, großräumigen Systemen kann es nötig sein, die Erdschlussspule zur Minimierung der ohmschen Anteile auf getrennte Orte aufzuteilen.

Die Erdschlusslöschspule bildet mit den drei Leiter[[Elektrische Kapazität|kapazitäten]] <math>C_E</math> (im Fehlerfall mit den beiden noch wirksamen, im Bild schwarz dargestellten Erdkapazitäten) der Übertragungsleitung einen [[Parallelschwingkreis]]. Die drei Leiterkapazitäten <math>C_E</math> sind nahezu identisch, was u. a. durch den Einsatz von [[Verdrillmast]]en entlang der [[Freileitung]] gewährleistet wird.

Die [[Induktivität]] der Spule wird nun unter Berücksichtigung der Transformatoren so auf die Leiterkapazitäten eingestellt, dass der [[Blindstrom]] <math>\vec {I_S}</math> durch die Spule [[Vektor #Länge/Betrag eines Vektors|betrag]]smäßig gleich der [[Vektor #Addition und Subtraktion|vektoriellen Summe]] der beiden Blindströme <math>\vec {I_1}</math>, <math>\vec {I_2}</math> durch die Kapazitäten <math>C_E</math> der Außenleiter ''L''1 und ''L''2 gegen Erde ist:

:<math>|\vec {I_S}| = |\vec {I_1} + \vec {I_2}|</math>

Damit wird die erforderliche Induktivität <math>L_E</math> zu:<ref>Olaf Lotter: ''Minimale Zustandsform asymmetrischer dreiphasiger Energieversorgungsnetze'', Cuvillier Verlag 2005, 232 Seiten, Seite 202</ref>

:<math>\Rightarrow L_E = \frac{1}{3 \cdot \omega^2 \cdot C_E}</math>
mit
* der [[Kreisfrequenz]] <math>\omega = 2 \pi \cdot f_N</math>
** der [[Netzfrequenz]] <math>f_N</math>

Damit die Erdschlusslöschspule an verschiedene Leitungskapazitäten angepasst werden kann – je nach Schaltzustand und Länge der Leitungen sind diese Werte unterschiedlich – verfügt sie typischerweise über Einrichtungen zur Abstimmung, z. B. ein Schrittschaltwerk oder die Veränderung des [[Luftspalt (Magnetismus)|Luftspaltes]] mittels eines Tauch[[Magnetkern|kerns]], der von einem Motor verstellt wird.

== Funktion ==
Im fehlerfreien Fall liegt an der Erdschlusslöschspule praktisch keine [[Elektrische Spannung|Spannung]] an.

Kommt es zu einem niederohmigen Erdschluss, wie in der Skizze am Außenleiter ''L''3 angedeutet, so gerät dieser Leiter auf Erdpotential. Der Sternpunkt ist dann um die [[Sternschaltung|Sternspannung]] verschoben, und auf den beiden restlichen Außenleitern ''L''1 und ''L''2 tritt die um den Faktor <math>\sqrt{3}</math> größere [[Verkettungsfaktor #Dreieckspannung|Dreieckspannung]] gegen [[Erdung|Erde]] auf. Diese [[Spannungsüberhöhung]] ist bei [[Dimensionierung|Auslegung]] der Isolation zu beachten.

Da der induktive Blindstrom der Spule bei o. g. Auslegung / Einstellung den kapazitiven Blindstrom der Außenleiter kompensiert, der über die Erdschlussstelle fließt, wird letzterer im [[Idealisierung (Physik)|Idealfall]] Null. Dadurch kann dort der Lichtbogen verlöschen, es wird keine weitere [[thermische Leistung]] umgesetzt, und möglicherweise verschwindet der Fehler sogar, wenn er z. B. durch einen Blitzschlag oder einen Vogel verursacht worden war.

In realen Anlagen fließt jedoch aufgrund der [[Dämpfung]] in Spule und Leitung ein geringer Wirkreststrom durch die Erdschlussstelle, der aufgrund der [[Phasenlage]] nicht von der Erdschlusslöschspule kompensiert werden kann. Dieser Wirkreststrom kann 5 % bis 10 % des Erdschlussstromes betragen und soll so gering sein, dass eine selbstständige Löschung des Lichtbogens am Erdschlusspunkt stattfinden kann.

Ein Problem des Verfahrens ist die [[resonanz]]<nowiki/>bedingte Spannungsüberhöhung u. a. bei Schaltvorgängen auch im intakten Netz. Um dies zu verbessern, ist eine gewisse Dämpfung erwünscht (sie entsteht z. B. durch [[Koronaentladung]]en der Freileitung oder auch die endliche [[Spulengüte|Güte der Spule]]), zudem wird leicht überkompensiert (5 %). Beides sowie die Netzausdehnung erhöht den verbleibenden Fehlerstrom. Er wird durch die Lichtbogen-Löschgrenze limitiert und beträgt z. B.
* im Mittelspannungsnetz maximal 60 [[Ampere|A]]
* im 110-kV-[[Stromnetz #Verteilung|Verteilnetz]] max. 120 A.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.schutztechnik.com/posts/sternpunktbehandlung-das-kompensierte-netz |datum=2020-01-14|abruf=2023-05-29|autor=SAREX Communications e.K. Alexander Muth|titel=Sternpunktbehandlung {{!}} Das kompensierte Netz}}</ref>

== Lichtbogenfehler ==
[[Datei:DMM 67351 Erdschlussspule B.jpg|mini|Erste Erdschlussspule von Waldemar Petersen von 1917]]

Die Erdschlusskompensation kann auch dazu dienen, [[Störlichtbogen|Lichtbogen]]<nowiki/>fehler gegen Erde ohne Spannungsunterbrechung zu löschen.

Lichtbogenfehler können beispielsweise durch Schmutz, [[Feuchtigkeit]], Gegenstände oder [[Überspannung (Elektrotechnik)|Überspannung]]s<nowiki/>ereignisse entstehen und richten wegen der Hitzeentwicklung große Schäden an, wenn sie nicht verlöschen. Der Lichtbogen verlöscht bei großem Strom nicht von selbst, weil durch die Hitze ständig neue [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträger]] generiert werden.

Durch eine Erdschlusskompensation wird der Lichtbogenstrom begrenzt oder er kann selbstständig erlöschen. Aus dieser Eigenschaft resultiert die Bezeichnung Erdschluss''lösch''spule.

== Alternative Verfahren ==
Auf [[Spannungsebene]]n mit [[Höchstspannung]] ab 220 kV aufwärts, in einigen Fällen auch schon bei 110 kV, kann die Petersen-Spule wegen des verbleibenden Erdschlussreststroms, bestehend aus ohmschem [[Wirkstrom|Wirkanteil]] und der Verstimmung, nicht mehr eingesetzt werden. Weiter ist hierbei wegen der im Erdschlussfall auftretenden Spannungserhöhung in den gesunden Leitern eine erhöhte Isolierung nicht wirtschaftlich.

In oberen Netzebenen wird daher der [[Transformator]]<nowiki/>sternpunkt starr geerdet (SSPE). Im Fehlerfall wird dann durch den [[Netzschutz]] die Leitung innerhalb von 100 ms abgeschaltet.

Ein Lichtbogenfehler wie bei einem Erdschluss erlischt dann in der spannungslosen Pause von etwa 400 ms. Eine [[Automatische Wiedereinschaltung]] (AWE) sorgt für eine Wiedereinschaltung der Freileitung nach dem Lichtbogenfehler.

Liegt ein metallischer Kurzschluss vor, so kommt es zur definitiven Ausschaltung der Leitung (erfolglose AWE), und vom [[Distanzschutzrelais]] kann automatisch die Position der Fehlerstelle an der Leitung bestimmt werden.

Die Versorgungssicherheit wird im Bereich der oberen Spannungsebenen und in [[Maschennetz (Stromversorgung)|vermascht]] aufgebauten [[Verbundnetz]]en durch Redundanz in Form der [[N-1-Regel]] sichergestellt. Diese besagt vereinfacht, dass zu jeder Zeit ein elektrisches [[Betriebsmittel (Elektrotechnik)|Betriebsmittel]], wie Transformator oder Leitung, ausfallen darf, ohne dass es zu einer Überlastung eines anderen Betriebsmittels oder zu einer Unterbrechung der Energieversorgung kommen darf.

== Beispiele ==
Das gemeinsame<ref>[[Galvanische Kopplung]] zwischen DB- und ÖBB-Netz bei [[Murnau am Staffelsee|Murnau]]/[[Kochel am See]] ([[Walchenseekraftwerk]])–[[Zirl]] und [[Traunstein]]–[[Straßwalchen|Steindorf]].</ref> 16,7-[[Hertz (Einheit)|Hz]]-110-kV-Bahnstromnetz von [[Liste von Bahnstromanlagen in Deutschland|DB]] und [[Liste von Bahnstromanlagen in Österreich|ÖBB]], 1995 mit dem Netz der ehemaligen [[DDR]] [[Wiedervereinigung Deutschlands|wiedervereinigt]], ist nach<ref>Walter Schossig: {{Webarchiv |url=http://www.walter-schossig.de/Deutsch/Literatur/Aufsatze/SD_PDF_6090.pdf |text=''40-jährige Unterbrechung beendet : 10 Jahre elektrische Wiedervereinigung Deutschlands''. |wayback=20071008103508}} (PDF) In: ''EW'', Jg. 104, 2005, Heft 21–22, S. 80–83 – "Mit dem Verbund des österreichischen Bahnnetzes stellt das 110-kV-Netz DB/ÖBB aufgrund der und der flächenmäßigen Ausdehnung das größte, gelöscht betriebene Hochspannungsnetz der Welt dar."</ref> mit einer [[Stromkreis]]<nowiki/>länge von 19.100 km das längen- und flächenmäßig größte gelöscht betriebene Hochspannungsnetz der Welt.

Andere Quellen nennen eine Länge von 7900 oder 7959 km für Deutschland und etwa 2100 km für Österreich.

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=Réne Flosdorff, Günther Hilgarth
|Titel=Elektrische Energieverteilung
|Auflage=8.
|Verlag=Teubner
|Datum=2003
|ISBN=3-519-26424-2}}
* {{Literatur
|Autor=Clemens Obkircher
|Titel=Ausbaugrenzen gelöscht betriebener Netze
|Verlag=Dissertation, Technische Universität Graz
|Datum=2008
|Online=[http://www.ifea.tugraz.at/sources/pdf/DISS_Obkircher.pdf ifea.tugraz.at]
|Format=PDF
|KBytes=1200}}
* R. Willheim: ''Das Erdschlußproblem in Hochspannungsnetzen''. Verlag von Julius Springer, Berlin 1936.
* Leitfaden zum Einsatz von Schutzsystemen in elektrischen Netzen. VDE-FNN / VEÖ, Ausg. September 2009, [http://www.vde.de/de/infocenter/seiten/details.aspx?eslshopitemid=0a2decea-9c27-4541-aa57-6b75845f7602 vde.de] und Anhang für die Schweiz. VSE/AES. Ausgabe vom 17. November 2011 {{Webarchiv | url=http://www.strom.ch/uploads/media/Leitfaden_Schutzsysteme_Anhang_CH_01.pdf | wayback=20150226083627 | text=strom.ch}} (PDF).

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektrische Energietechnik]]

Erdschlusskompensation - Versionsgeschichte

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