Einführung in elektrische Fehler

Elektrische Netze, Maschinen und Anlagen sind im Betrieb oft verschiedenen Fehlerarten ausgesetzt. Wenn eine Störung auftritt, können sich die charakteristischen Werte (z. B. die Impedanz) der Maschinen von den bestehenden Werten auf andere Werte ändern, bis die Störung behoben ist.

Es gibt viele Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten von Störungen im Stromversorgungsnetz, einschließlich Beleuchtung, Wind, auf Leitungen fallende Bäume, Geräteausfall usw.

Elektrische Störungen

Eine Störung in einem Stromversorgungssystem kann definiert werden als , jeder anormale Zustand des Systems, der einen elektrischen Ausfall der Geräte, wie z.B. , Transformatoren, Generatoren, Sammelschienen, etc.

Die Fehlerentstehung umfasst auch Isolationsfehler und Leiterbahnfehler, die zu Kurzschlüssen und Unterbrechungen von Leitern führen.

Unter normalen oder sicheren Betriebsbedingungen arbeiten die elektrischen Geräte in einem Stromnetz mit normalen Spannungs- und Stromwerten. Sobald ein Fehler in einem Stromkreis oder Gerät auftritt, weichen die Spannungs- und Stromwerte von ihren Nennwerten ab.

Die Fehler in einem Stromnetz verursachen Überstrom, Unterspannung, Ungleichgewicht der Phasen, umgekehrte Leistung und hohe Spannungsstöße. Dies führt zur Unterbrechung des normalen Betriebs des Netzes, zum Ausfall von Geräten, zu Bränden usw.

Gemeinsam werden die Netze mit Schutzeinrichtungen wie Leistungsschaltern und Relais geschützt, um den Betriebsausfall aufgrund elektrischer Störungen zu begrenzen.

Fehlerarten

Elektrische Fehler in dreiphasigen Stromnetzen werden hauptsächlich in zwei Arten eingeteilt, nämlich offene Fehler und Kurzschlussfehler. Außerdem können diese Fehler symmetrisch oder unsymmetrisch sein. Lassen Sie uns diese Fehler im Detail besprechen.

Offene Stromkreisfehler

Diese Fehler entstehen durch den Ausfall eines oder mehrerer Leiter. Die nachstehende Abbildung veranschaulicht die offenen Stromkreisfehler für eine, zwei und drei Phasen (oder Leiter) im offenen Zustand.

Zu den häufigsten Ursachen dieser Fehler gehören gemeinsame Ausfälle von Kabeln und Freileitungen sowie der Ausfall einer oder mehrerer Phasen des Leistungsschalters und auch das Schmelzen einer Sicherung oder eines Leiters in einer oder mehreren Phasen.

Offene Stromkreisfehler werden auch als Serienfehler bezeichnet. Es handelt sich dabei um unsymmetrische oder unsymmetrische Fehler mit Ausnahme von dreiphasigen offenen Fehlern.

Betrachten wir, dass eine Übertragungsleitung vor dem Auftreten eines offenen Stromkreisfehlers mit einer ausgeglichenen Last arbeitet. Wenn eine Phase schmilzt, wird die tatsächliche Belastung des Generators verringert, was zu einer höheren Beschleunigung des Generators führt, so dass er mit einer etwas höheren Drehzahl als der Synchrondrehzahl läuft. Diese Überdrehzahl verursacht Überspannungen in anderen Übertragungsleitungen.

Auf diese Weise können ein- und zweiphasige offene Zustände die Unausgeglichenheit der Spannungen und Ströme des Stromnetzes erzeugen, die große Schäden an den Anlagen verursachen.

Ursachen

Gerissener Leiter und Fehlfunktion des Leistungsschalters in einer oder mehreren Phasen.

Auswirkungen

• Nicht ordnungsgemäßer Betrieb des Netzes
• Gefahr für Personal und Tiere
• Überschreiten der Spannungen in bestimmten Teilen des Netzes über die normalen Werte hinaus, was zu Isolationsfehlern und zur Entstehung von Kurzschlussfehlern führt.

Obwohl Unterbrechungsfehler länger toleriert werden können als Kurzschlussfehler, müssen diese so früh wie möglich beseitigt werden, um den größeren Schaden zu verringern.

Kurzschlussfehler

Ein Kurzschluss kann als eine abnormale Verbindung mit sehr niedriger Impedanz zwischen zwei Punkten unterschiedlichen Potentials definiert werden, die absichtlich oder versehentlich hergestellt wird.

Dies sind die häufigsten und schwerwiegendsten Fehler, die zum Fluss abnorm hoher Ströme durch die Geräte oder Übertragungsleitungen führen. Wenn diese Fehler auch nur für eine kurze Zeit andauern, führt dies zu erheblichen Schäden an den Geräten.

Kurzschlussfehler werden auch als Nebenschlussfehler bezeichnet. Diese Fehler werden durch den Ausfall der Isolierung zwischen den Phasenleitern oder zwischen Erde und Phasenleitern oder beidem verursacht.

Die verschiedenen möglichen Kurzschlussfehlerbedingungen umfassen drei Phasen gegen Erde, drei Phasen frei von Erde, Phase gegen Phase, eine Phase gegen Erde, zwei Phasen gegen Erde und Phase gegen Phase plus eine Phase gegen Erde, wie in der Abbildung dargestellt.

Der dreiphasige Fehler frei von Erde und der dreiphasige Fehler gegen Erde sind ausgeglichene oder symmetrische Kurzschlussfehler, während die übrigen Fehler unsymmetrische Fehler sind.

Ursachen

Sie können auf interne oder externe Effekte zurückzuführen sein

• Zu den internen Effekten gehören der Ausfall von Übertragungsleitungen oder Geräten, die Alterung der Isolierung, die Verschlechterung der Isolierung von Generatoren, Transformatoren und anderen elektrischen Geräten, unsachgemäße Installationen und unzureichende Konstruktion.
• Zu den externen Effekten gehören die Überlastung von Geräten, das Versagen der Isolierung aufgrund von Überspannungen und mechanische Schäden durch die Öffentlichkeit.

Auswirkungen

• Fehler können zu Bränden und Explosionen in Anlagen wie Transformatoren und Leistungsschaltern führen.
• Anormale Ströme führen zu einer Überhitzung der Anlagen, was wiederum die Lebensdauer ihrer Isolierung verkürzt.
• Die Betriebsspannungen des Netzes können ihre zulässigen Werte unter- oder überschreiten, was schädliche Auswirkungen auf die vom Stromnetz erbrachten Leistungen hat.
• Der Leistungsfluss wird stark eingeschränkt oder sogar vollständig blockiert, solange der Kurzschlussfehler andauert.

Symmetrische und unsymmetrische Fehler

Wie bereits erwähnt, werden Fehler hauptsächlich in offene und Kurzschlussfehler unterteilt, und auch diese können symmetrisch oder unsymmetrisch sein.

Symmetrische Fehler

Ein symmetrischer Fehler führt zu symmetrischen Fehlerströmen, die um 1200 gegeneinander verschoben sind. Der symmetrische Fehler wird auch als symmetrischer Fehler bezeichnet. Dieser Fehler tritt auf, wenn alle drei Phasen gleichzeitig kurzgeschlossen werden.

Diese Fehler treten in der Praxis im Vergleich zu unsymmetrischen Fehlern selten auf. Zwei Arten von symmetrischen Fehlern sind Leitung-zu-Leitung-zu-Leitung (L-L-L) und Leitung-zu-Leitung-zu-Leitung-zu-Erde (L-L-L-G), wie in der Abbildung unten dargestellt.

Das ungefähre Auftreten von symmetrischen Fehlern liegt im Bereich von 2 bis 5 % der gesamten Systemfehler. Wenn diese Fehler jedoch auftreten, verursachen sie sehr schwere Schäden an den Anlagen, auch wenn das System im Gleichgewicht bleibt.

Die Analyse dieser Fehler ist für die Auswahl des Auslösevermögens der Leistungsschalter, die Auswahl von Phasenrelais und anderen Schutzschaltgeräten erforderlich. Diese Fehler werden pro Phase mit Hilfe der Busimpedanzmatrix oder des Thevenins-Theorems analysiert.

Unsymmetrische Fehler

Die häufigsten Fehler, die im Stromnetz auftreten, sind unsymmetrische Fehler. Diese Art von Fehlern führt zu unsymmetrischen Fehlerströmen (mit unterschiedlichen Beträgen und ungleicher Phasenverschiebung). Diese Fehler werden auch als unsymmetrische Fehler bezeichnet, da sie unsymmetrische Ströme im System verursachen.

Nach der obigen Diskussion umfassen unsymmetrische Fehler sowohl offene Stromkreisfehler (ein- und zweiphasiger offener Zustand) als auch Kurzschlussfehler (außer L-L-L-G und L-L-L).

Die nachstehende Abbildung zeigt die drei Arten von symmetrischen Fehlern, die aufgrund von Kurzschlussbedingungen auftreten, nämlich Phasen- oder Leitungserdschluss (L-G), Phase-Phase-Fehler (L-L) und Doppel-Leitungserdschluss (L-L-G).

Ein einzelner Leitungserdschluss (LG) ist einer der häufigsten Fehler, und die Erfahrung zeigt, dass 70-80 Prozent der Fehler, die in einem Stromnetz auftreten, diesem Typ angehören. Dabei entsteht ein Kurzschluss zwischen der Leitung und der Erde. Diese Fehler sind im Vergleich zu anderen Fehlern weniger schwerwiegend.

Ein Leitungsfehler tritt auf, wenn ein stromführender Leiter mit einem anderen stromführenden Leiter in Kontakt kommt. Starke Winde sind die Hauptursache für diesen Fehler, bei dem sich schwingende Freileitungen berühren können. Dies sind weniger schwere Fehler, und die Häufigkeit liegt zwischen 15 und 20 %.

Bei doppelten Leitungserdungsfehlern kommen zwei Leitungen miteinander und mit der Erde in Berührung. Es handelt sich hierbei um schwere Fehler, deren Auftreten im Vergleich zu den gesamten Systemfehlern etwa 10 % beträgt.

Unsymmetrische Fehler werden mit Hilfe von Methoden der unsymmetrischen Komponenten analysiert, um die Spannungen und Ströme in allen Teilen des Systems zu bestimmen. Die Analyse dieser Fehler ist im Vergleich zu symmetrischen Fehlern schwieriger.

Diese Analyse ist notwendig, um die Größe eines Leistungsschalters für den größten Kurzschlussstrom zu bestimmen. Der größere Strom tritt in der Regel entweder bei L-G- oder L-L-Fehlern auf.

Schutzeinrichtungen gegen Fehler

Wenn der Fehler in irgendeinem Teil des Systems auftritt, muss er in sehr kurzer Zeit behoben werden, um größere Schäden an Geräten und Personal zu vermeiden und auch um eine Unterbrechung der Stromversorgung für die Kunden zu verhindern.

Das Fehlerbehebungssystem verwendet verschiedene Schutzvorrichtungen wie Relais und Leistungsschalter, um den Fehler zu erkennen und zu beheben.
Einige dieser Fehlerbehebungs- oder Fehlerbegrenzungsvorrichtungen sind unten aufgeführt.

Sicherung

Sie öffnet den Stromkreis, wenn ein Fehler im System auftritt. Sie besteht aus einem dünnen Kupferdraht, der von einem Glas oder einem Gehäuse mit zwei Metallkontakten umgeben ist. Der hohe Fehlerstrom lässt die Temperatur des Drahtes ansteigen, so dass er schmilzt. Eine Sicherung erfordert jedes Mal den manuellen Austausch des Drahtes, wenn sie durchbrennt.

Sicherung

Leistungsschalter

Es ist die gebräuchlichste Schutzvorrichtung, die den Stromkreis unter normalen Betriebsbedingungen entweder manuell oder durch Fernsteuerung unterbrechen oder schließen kann.

Es gibt verschiedene Arten von Leistungsschaltern, die je nach Betriebsspannung erhältlich sind, einschließlich Druckluft-, Öl-, Vakuum- und SF6-Leistungsschaltern. Weitere Informationen zu Leistungsschaltern finden Sie unter dem beigefügten Link.

Lesen Sie: Verschiedene Arten von Leistungsschaltern

Schutzrelais

Dies sind die Geräte zur Fehlererkennung. Diese Geräte erkennen den Fehler und lösen den Leistungsschalter aus, um den fehlerhaften Stromkreis zu isolieren. Ein Relais besteht aus einer Magnetspule und Kontakten (Öffner und Schließer). Der Fehlerstrom erregt die Spule und diese erzeugt das Feld, wodurch die Kontakte betätigt werden.

Zu den Arten von Schutzrelais gehören

• Magnitudenrelais
• Impedanzrelais
• Richtungsrelais
• Pilotrelais
• Differenzialrelais

Lesen:Klassifizierung von Relais

Blitzableiter

Überspannungen im Stromnetz werden durch Blitzeinschläge in Übertragungsleitungen und Anlagen verursacht. Dies verursacht hohe Spannungen und Ströme im Netz. Diese Blitzeinschläge werden durch das Anbringen von Blitzableitern an den Übertragungseinrichtungen reduziert.

Bildbeiträge:

1)Elektrische Fehler: forschung-stromnetze.info

2)Sicherung: hayley-group.co.uk

3)Leistungsschalter: oez.com

4)Relais: epub1.rockwellautomation.com