Wenn Ingenieure konsultiert werden, könnten sie Relais, Leistungsschalter oder Stromwandler (CTs) erwähnen, um zu diskutieren, wie der Schutz gegen Erdschluss durchgeführt wird. Die tatsächliche Entscheidung über die Stärke des Fehlers und ob die gesamte Anlage abgeschaltet wird oder nur ein Zuleitung erfolgt, wird jedoch von einem Widerstand getroffen. Der Neutral-Erdungswiderstand (NER) gilt als eines der kritischsten Komponenten im Zusammenhang mit Mittelspannungs (MV) Systemen, jedoch gibt es wenig Informationen darüber für Personen außerhalb der Elektrotechnik. Dieser Artikel behandelt, was NER ist, wie es funktioniert, seine Teile, wie man NERs auswählt und wie viel es kostet.
Schnelle Antwort: NER/NGR oder Neutral-Erdungswiderstand bedeutet einen Widerstand, der den Neutralleiter des Generators oder Transformators mit der Erde verbindet. Dieses Gerät soll den einphasigen Kurzschluss-Erdschlussstrom innerhalb von akzeptablen und handhabbaren Grenzen einschränken, d.h. im Bereich von Dutzenden oder Hunderten von Ampere anstatt Tausenden.
Was ist ein Neutral-Erdungswiderstand?
Ein Neutral-Erdungswiderstand ist genau das, was es klingt: ein Widerstand, der zwischen dem Neutralpunkt eines Generators oder Transformators und der Erde in jenen Systemen verbunden ist, die neutrale Leiter (sternförmig verbundene Wicklungen) haben. Es ist ein Element, das in den Stromkreis eingefügt wird, um den Erdschlussstromfluss zu begrenzen, wenn eine der Phasen auf die Erde gelangt. Die Menge des begrenzten Stroms ist groß genug, damit das Relais darauf reagiert, und klein genug, um keine Stromkabel zu beschädigen oder Menschen zu gefährden.
Der Neutral-Erdungswiderstand nimmt eine Zwischenposition im Vergleich zu zwei Extremen ein, nämlich fest geerdeten Systemen (wo Fehlerströme durch den Erdschluss Tausende von Amperes erreichen können) und ungeerdeten Systemen (ohne den absichtlich geerdeten Neutralleiter und daher unsichtbaren Erdschluss). Ein Neutral-Erdungswiderstand ermöglicht es, den Fluss des Erdschlussstroms zu kontrollieren, erkennbare Fehler und Überspannungstransienten zu detektieren.
Das umfassendere Erdungsbild – warum und wie Transformator-Neutralleiter geerdet sind – wird in unseren Grundlagen der Transformator-Erdung Artikel behandelt; der NER ist die Komponente, die eine spezifische Erdungsphilosophie zum Funktionieren bringt.
Wie es funktioniert
Betrachten Sie die Situation, wenn es einen Fehler von Phase C zur Erde in einem Transformator gibt, der in Y-Formation verbunden ist. Der Pfad des Fehlerstroms besteht aus: dem Fehlerpunkt, der Erde, NER, Neutralleiter des Transformators und der Phase C Wicklung. Es gibt einen Widerstand im NER und gemäß dem Ohm'schen Gesetz ist die Lösung offensichtlich.
Gemäß der entsprechenden Formel (tatsächlich IEEE Std 32): R = Vln / (√3 × If), wobei Vln die Systemleitungsspannungen zwischen den Phasen darstellt und If den gewünschten Wert des Erdschlussstroms bezeichnet. Mit anderen Worten, wenn wir für die Berechnung den Fall des 6kV-Systems mit dem resistiven Anschluss mit einem Widerstand von 10 Ohm betrachten, sinkt der Fehlerstrom von 1000 A in einem effektiv geerdeten System auf etwa 346 A, was immer noch ausreicht, um das Relais auszulösen, aber niedrig genug ist, um Kabel, Schaltanlagen und den Fehlerbereich trotz der Schäden wiederherzustellen.
Während eines Fehlerereignisses geschehen drei Dinge gleichzeitig. Der Strom wird durch den Widerstand begrenzt, die Spannungen werden durch die geeignete NER-Einheit bestimmt, die es dem Schutzrelais ermöglicht, den Fehler ordnungsgemäß zu erkennen, und die Fehlerenergie wird in Form von Wärme im Widerstand dissipiert, was die Tatsache beweist, dass NER nur für kurze Zeit bewertet sind, jedoch nicht für den Dauerbetrieb.
Arten von NER
NERs werden je nach der Menge des Fehlerstroms, den sie zulassen, klassifiziert, und die Wahl des NER-Typs wird von der Schutzphilosophie und nicht von den Kosten bestimmt:
| Typ | Fehlerstrom | Verhalten bei Fehler | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| Niedrigwiderstands-NER (LRG) | 100-1.000A (einige Designs bis 2.500A) | Relais löst schnell aus; Zuleitung isoliert | MV-Versorgungs- und Industrienetze, Generatorerdung |
| Hochwiderstands-NER (HRG) | ≤10A | Kein Auslösen; nur Alarm; System läuft weiter | Kontinuierliche Prozessanlagen, bei denen ein Stillstand schlimmer ist als ein Fehler |
| Dauerhaft verbunden | — | Immer im Stromkreis | Umspannwerke und empfindliche industrielle Netzwerke |
| Temporär verbunden / tragbar | — | Bei Fehlern eingeschaltet oder für Tests verwendet | Inbetriebnahme, Wartung, Feldarbeit |
Bei der Entscheidung zwischen LRG und HRG ist die zu beantwortende Frage, ob ein Stillstand schlimmer ist als ein Fehler. Wenn eine Versorgungszuleitung eine kurze Unterbrechung verkraften kann, wird sie sich für LRG entscheiden, das schnell und selektiv ist. Wenn eine Chemiefabrik mit Aktivitäten beschäftigt ist, bei denen ein ungeplanter Stillstand zu Materialverfestigung führen könnte, wird HRG gewählt, um den Fehler zu erkennen, während die Anlage sich auf einen geordneten Stillstand vorbereitet. Für die Schutzkoordination rund um diese Entscheidungen zeigt unser Grundlagen des Erdfehler-Schutzes Artikel, wie der Widerstandswert und die Relais-Einstellungen zusammenarbeiten.
Komponenten und Konstruktion
Ein modernes NER-System besteht aus mehr als nur einem Widerstandselement, das in einem Gehäuse verpackt ist. Hier ist, woraus eine typische Einheit besteht:
- Die resistiven Elemente: Edelstahl (304/316/316L) Gitter für die meisten Fälle, Nickel-Chromlegierung (Cr20Ni80) für herausfordernde Bereiche oder Eisen-Chrom-Aluminium (FeCrAl) für wirtschaftliche Designs. Edelstahl-Elemente sind in der Lage, unter kurzfristigen Bedingungen bei nicht mehr als 760ºC (IEEE 32) und ≤385ºC im Dauerbetrieb zu arbeiten.
- Isolationssystem: Das System muss die Spannungsanforderungen erfüllen und sowohl bei der Durchschlagfestigkeit der Netzfrequenz als auch beim Basisimpulsniveau (BIL) in Bezug auf die Netzwerkanforderungen wirksam sein (zum Beispiel sollte ein NER von 10 kV 42 kV bei Netzfrequenz und 75 kV Impuls standhalten können).
- Gehäuse: IP20/IP23 für Innenräume und IP54/IP55 mit lamellierter Belüftung für den Außenbereich.
- Überwachungsgeräte: einschließlich eines Stromwandlers zur Messung des Fehlerstroms, eines Isolators oder Vakuumkontakters zum Trennen des NER und eines NGR-Überwachungsgeräts mit Widerstand im offenen Stromkreis, Temperatur PT100 und Ereignisrekordern.
Wenn Sie ein NER kaufen, ist der Stromwandler im Inneren ein kleines, aber kritisches Teil — es ist das, was das Relais liest, und das Produktportfolio des Stromwandlers erklärt die CT-Familie und ihre Bewertungen.
Das Symbol und die Schaltposition
In einadrigen Schaltplänen wird der Neutralerdungswiderstand (NER) durch die Widerstandsnote (entweder Rechteck oder Zickzack) dargestellt, die einen Anschluss mit dem Neutralpunkt entweder des Transformators oder des Generators und den anderen Anschluss mit dem Erdungssymbol (der dreilinig dreieckige Form) verbindet. In diesen Fällen, wenn der Neutralpunkt nicht vorhanden ist (Delta-Verbindung), wird ein Erdtransformator verwendet, um den Neutralpunkt zu schaffen; danach wird der NER mit diesem Neutralpunkt verbunden. In jedem Fall ist der Widerstand immer zwischen dem Neutralpunkt und der Erde verbunden und niemals in Reihe mit den Phasenleitern.
Wenn man sich Zeichnungen von Transformatorprojekten oder Generatoren ansieht, kann der NER im Neutralerdungsdiagramm zusammen mit dem Neutralstromwandler (CT), dem Erdungsschalter und dem Schutz der Neutralbusbar gefunden werden, was das Erdungskonzept sofort beweist.
Wie man einen NER dimensioniert und auswählt
Die Wahl der richtigen Einheit ist ein sechsstufiger Prozess, bei dem das Auslassen einer Stufe entweder die Sicherheit gefährden oder zu hohen Kosten führen kann:
- Nennspannung — die Spannung, die vom Erdpunkt zur Phase im System (Vln) gemessen wird, sowie die Impulsfestigkeit, die den Anforderungen der Installation entspricht.
- Zielwert für den Fehlerstrom (If) muss höher sein als der kapazitive Ladestrom des Systems (um Lichtbogen oder Resonanzüberspannung zu vermeiden), jedoch niedriger als die Grenzen der thermischen Kapazität von Kabeln und Geräten, während er immer noch erheblich über der Relaisaktivierung liegt (nicht weniger als 10A).
- Widerstandswert = R = Vln / (√3 × If).
- Zeitbewertung = 10s-30s für LRG, kontinuierlich bei HRG und führt zur Bestimmung des thermischen Designs und der I²t-Energiebewertung (z. B. in der Lage, 400 kA²s bei 10kA/0,4s standzuhalten).
- Material der Elemente = Edelstahl für allgemeine Anwendungen, Nickel-Chromlegierungen für den Einsatz in Küstenregionen.
- Gehäuse und Überwachung = ob es sich um Innen- oder Außenanwendungen handelt und den Wert der integrierten CT- und Überwachungseinheiten (IP-Schutzgrad).
Darüber hinaus gibt es eine praktische Empfehlung von IEEE 32 bezüglich der Nutzung der kontinuierlichen Bewertung eines gesunden Systems = 5%-10% des Nennstroms für Installationen, die ständig verbunden sind. Und wenn Sie das Gerät auswählen, geben Sie immer die Dauer an: “10 Sekunden Bewertung, 400A” ist ein völlig anderes Produkt als “kontinuierlich, 10A” – ein Beispiel für einen Spezifikationsfehler. Für Hilfe bei der Umwandlung einer Systemstudie in eine Komponentenspezifikation, kontaktieren Sie unser Ingenieurteam mit Ihrer Spannung, Erdungsphilosophie und Schutz Einstellungen.
Vorteile und Vergleich zu anderen Erdungssystemen
Was sind die Vorteile der Verwendung von NER anstelle eines festen Erdungssystems oder eines nicht geerdeten Systems?
| Erdungsmethode | Fehlerstrom | Fehlererkennung | Überspannungsregelung | Kontinuität |
|---|---|---|---|---|
| Fest geerdet | Sehr hoch (1.000er A) | Ausgezeichnet | Gut | Schaltet bei Fehler |
| NER (LRG) | 100-1.000A | Ausgezeichnet | Gut (Bogenunterdrückung) | Schaltet bei Fehler, selektiv |
| NER (HRG) | ≤10A | Alarmbasiert | Ausgezeichnet | Läuft weiter |
| Ungeschützt | Keine (erster Fehler) | Schlecht | Schlecht — Lichtbogenüberspannungen | Läuft, aber gefährlich |
Der Hauptvorteil der Verwendung von NER ist die Sicherheit (die maximale Berührungsspannung beträgt weniger als 50V gemäß IEC 60479), Schutz vor Schäden an Geräten (es wird keine Überspannung im Kilovoltbereich geben), Begrenzung von Schäden, wenn der Fehler auftritt (der Fehlerstrom wird begrenzt), selektiver Schutz (das Relais wird ohne unnötige Auslösung arbeiten) und Stabilität des Systems (die nicht fehlerhaften Phasen haben Spannungen, die bis zu 10% der Nennspannung entsprechen, was bedeutet, dass über 90% des Systems betrieben wird). In Fällen, in denen Ausfallzeiten für das Unternehmen nicht akzeptabel sind, ist die Verwendung von NER der Unterschied zwischen ungeplanten Stillständen und kontrollierten Alarmereignissen.
Preisspannen
Die Preise für NER hängen vom Spannungsgrad, der Strombewertung und der Zeitbewertung sowie von allen erforderlichen Zubehörteilen ab.
| Konfiguration | Typischer Preis |
|---|---|
| Niederspannungs-HRG-Einheit (klein, innen) | $1,500-5,000 |
| Mittelspannungs-NER, 10s Bewertung, einfaches Gehäuse | $3,000-12,000 |
| Mittelspannungs-NER mit CT + Überwachungseinheit | $8,000-20,000 |
| Hochspezifizierte Einheit (35kV-Klasse, NiCr-Elemente, außen IP55, vollständige Überwachung) | $15,000-30,000+ |
Außerdem fallen Installationskosten an, wie die Beauftragung eines lizenzierten Teams, Kabelabschlüsse und Inbetriebnahmeprüfungen, die insgesamt etwa 10%-25% zu Ihren Gesamtkosten hinzufügen werden. Darüber hinaus wird der Kauf des Widerstands und des Relais aus einer einzigen Quelle die Kompatibilität der Teile in Ihrem System gewährleisten.
FAQ
Was ist der Unterschied zwischen Erdung und Neutralwiderstand?
Erdung stellt die übliche Praxis dar, Verbindungen zur Sicherheit herzustellen, indem der Neutralpunkt, die Rahmen und Gehäuse des Systems verbunden werden. Andererseits ist der Neutralwiderstand die Methode, bei der ein Widerstand zwischen dem Neutralleiter und der Erde verwendet wird, um den Erdfehlerstrom zu begrenzen. Widerstands-Erdung ist eine der Arten der Erdungstheorie, während andere feste Erdung, Impedanz-Erdung und nicht geerdete Systeme umfassen.
Wie berechnet man den Neutral-Erdungswiderstand?
Die Berechnung muss mit der folgenden Formel R=Vln/(√3 × If) durchgeführt werden, wobei Vln die Spannung zwischen zwei Phasen einer Stromversorgung ist und If der ausgewählte Erdfehlerstrom ist. Der ausgewählte Erdfehlerstrom sollte größer sein als der kapazitive Strom des Systems und nicht größer als die Grenzen des Kabels und der Ausrüstung und erheblich größer als der Strom, der vom Relais erfasst wird. Danach sollte die I²t-Energiegrenze der Einheit mit der Länge des Fehlers übereinstimmen.
Warum messe ich 230V zwischen Neutralleiter und Erde?
Die Spannung zwischen Neutralleiter und Erde sollte im ordnungsgemäßen Betriebszustand gleich null sein, aufgrund der Verbindung des Neutralleiters mit der Erde. Der Wert von 230 Volt, der über einen längeren Zeitraum gesehen wird, deutet auf einen Verlust oder einen hohen Widerstand der Verbindung zwischen Neutralleiter und Erde hin oder auf einen fehlenden Neutralleiter in einem Mehrdrahtkreis oder einen getrennten Neutralleiter in einem ordnungsgemäß geerdeten System. All diese Situationen sollten von einem qualifizierten Elektriker oder Ingenieur überprüft werden.
Was ist der Zweck der Neutral-Erdung?
Die Neutral-Erdung ermöglicht die Verknüpfung der Spannung des Systems mit einem Referenzpunkt, sodass Spannungen zwischen Phasen und Erde vorhergesagt und Fehler erkannt werden können.
Referenzen
- OMO — Detaillierter Leitfaden zur Technologie von Neutral-Erdungswiderständen
- DiGi Electronics — Leitfaden zu Neutral-Erdungswiderständen
- Orion Resistors — Berechnung von Neutral-Erdungswiderständen (6kV-35kV)
- Captech — Was ist ein Neutral-Erdungswiderstand?
- IEEE Std 32 — Anforderungen, Terminologie und Prüfverfahren für Neutral-Erdungsgeräte
Fazit
Der Neutralerdungswiderstand ist das unauffällige Gerät, das über das Schicksal eines Erdschlusses entscheidet und bestimmt, ob dies ein handhabbares und erkennbares Ereignis oder ein Lichtbogen- oder Totalausfall der Anlage sein wird. Das Wesen des Neutralerdungswiderstands kann kurz anhand des Ohmschen Gesetzes beschrieben werden — R = Vln / (√3 × If). Auch das Prinzip der Neutralerdung wird auf zwei Arten erreicht. Die erste Methode ist das Niedrigwiderstandserdungssystem, das bei 100-1.000 A auslöst, während die zweite Methode das Hochwiderstandssystem ist, das unter 10 A arbeitet und den Benutzer alarmiert, aber den Prozess nicht stoppt. Insgesamt müssen sechs Parameter berücksichtigt werden, wenn ein sicherer und effizienter Neutralerdungswiderstand ausgewählt wird: Spannung, Fehlerstrom, Widerstand, Zeitbewertung, Material des Bauteils und Gehäusematerial; wenn einer der Parameter falsch ist, wird das Sicherheitsgerät zu einer Brandgefahr. Der Preis für einen Neutralerdungswiderstand liegt bei etwa $1.500 für ein kleines Niederspannungsgerät und über $30.000 für ein vollständig überwachtetes 35kV-System, was ihn zu einer der kostengünstigsten Formen der Versicherung für ein elektrisches Energiesystem macht, das wertvolle Generatoren und Transformatoren retten und das Problem eines Unfalls lösen könnte, der sie zerstört hätte.