Safety assessments in the case of high-current earth faults in networks with low-impedance neutral point treatment and with network coupling

Der von der Energiewende-bedingte Verteilnetzausbau mit Kabelstrecken beeinflusst den Umgang mit der Sternpunktbehandlung. Neben klassischen Umstellungsmaßnahmen sind neue Lösungen zur Kopplung von Netzen mit unterschiedlicher Sternpunktpunkterdung zu diskutieren. Schwerpunkt stellt jeweils die Auslegung von Erdungsanlagen in Kombination mit einem geeigneten Schutzkonzept zur Einhaltung der Personensicherheit dar. Auf Basis der DIN EN 50522 ist ein mögliches personengefährdendes Potential zu bewerten, welches aus der Stromverteilung an der Fehlerstelle resultiert. In der Praxis wird dabei rechnerisch die zulässige Erdungsimpedanz über den relevanten Teilstrom (dargestellt über den Reduktionsfaktor) und dem, aus dem Schutzkonzept resultierenden, Grenzwert für die Berührungsspannung vorgegeben und messtechnisch geprüft. Vorrangig in Mittelspannungsnetzen mit niederohmiger Sternpunkterdung bestehen Unsicherheiten in der korrekten Interpretation der Norm respektive der Wahl und Beurteilung geeigneter Parameter. Die Dissertation konzentriert sich auf die Schwerpunkte Bestimmung des Reduktionsfaktors in einer inhomogenen, offen betriebenen Ringstruktur von Mittelspannungsnetzen, sowie Diskussion möglicher Modelle und der Wirkungsweise heutiger Messverfahren von Erdungsimpedanzen. Aufbauend auf theoretischen Modell-Analysen wurde eine Methodik zur Auswertung beider Parameter u. a. durch Aufnahme einer Stromverteilung in einem Erdkurzschlussversuch entwickelt und erstmals in einer Netzgruppe durchgeführt. Die Herausforderung bestand darin, Lösungen zum eindeutigen messtechnischen Nachweis beider Parameter infolge von Überlagerungseffekten zu entwickeln. Mithilfe der Versuchsergebnisse konnten bestehende Berechnungs- und Messverfahren sowie unterschiedlichen Modelle zur Interpretation der Erdungsimpedanz bewertet und Handlungsempfehlungen abgeleitet werden. Reduktionsfaktor und Erdungsimpedanz erfahren verschiedene Interpretationen in der Praxis. Daher widmete sich die Dissertation der Analyse des Modells der DIN EN 50522 und schlägt aufgrund der Herausforderungen in der Praxis eine Erweiterung zur eindeutigen Definition vor. Erstmalig konnten anhand des Versuchs die Modellansätze von Berechnungsverfahren für den Reduktionsfaktor geprüft und bestätigt werden. Am Beispiel des VPE-Kabels konnte mit einem Sicherheitsaufschlag ein Planungswert vorgeschlagen werden. Auf Basis des Versuchs und der heutigen Messverfahren wurde diskutiert, dass die Erdungsimpedanz infolge der unterschiedlichen Einbeziehung von Kettenleitern verschiedene Werte annehmen kann. Aufgrund des Zusammenhangs mit dem Reduktionsfaktor resultieren für die Bewertung der Berührungsspannung Kombinationspaare, die nach dem Modell der DIN EN 50522 oder Modifizierungen in der Berechnung ausgelegt und mittels klassischer Messung bewertet werden können. Die Dissertation liefert damit einen Diskussionsbeitrag, wie sich die Auslegung von Erdungsanlagen durch geeignete Verfahren weiterentwickeln kann.The grid expansions caused by the German Renewable Energies Act (EEG) have an impact on the neutral point treatment of grids due to the addition of power cables instead of overhead lines. Besides conversion measures new solutions for the coupling of networks with different neutral earthing have to be discussed. The focus of the dimensioning of grids with high fault currents is on the rating of the grounding systems in combination with an appropriate selective protection concept to meet personal safety requirements. The concept of calculation and measurement of the grounding impedance is based on the DIN EN 50522. Especially in medium-voltage networks, uncertainties occur within the planning process regarding the appropriate choice of parameters according to the right interpretation of the German standard DIN EN 50522. Hence, this thesis focusses on the following core areas Development of computational procedures for the determination of reduction factors in inhomogeneous and open ring systems of a medium-voltage network; Discussion of models and present measurement standard methods for earthing impedances. To answer the questions, a methodology for the evaluation of data gathered in a short-circuit to earth trial was developed and actually tested in a real existing network for the first time in the German-speaking countries. Especially in the trial an explicit separation of both parameters is essential for a proper interpretation of the results. The Thesis concentrates on the overlapping effect and elaborates possible solution concepts for the parameters metrological evidence. The results of the trial have been compared with calculation methods, measurement methods and existing models of the earthing impedances. The scientific discoveries of this Thesis have been compared with the requirements of the German standard DIN EN 50522 to derive recommendations for the practical application. Reduction factor and earthing impedance are interpreted differently. For this reason, the dissertation analysis the overhead line model of the DIN EN 50522 and proposes to an enhanced model to define discussed practical challenges explicit. Theoretical and practical analyses of the reduction factor further qualify already developed calculation methods and suggest corresponding safety margins for VPE-cables. The comparison of the trial and standard methods indicates that different earthing impedances, caused by the chain conductor, are possible. The interpretation of the earthing impedance has an immediate impact on the reduction factor determination. Within the trial, different combinations of reduction factors with earthing impedances were investigated for the valuation of safety requirements. By means of the evaluation of the short-circuit to earth trials within this Thesis an approach is shown, how the dimensioning of grounding systems with consideration of appropriate measuring and calculation procedures can be developed further