NGRM

Drehzahlvariable Antriebe und die Ortung von pulsierenden Erdschlüssen

Frequenzumrichter und integrierter Erdschlussschutz

Antriebe mit Umrichtern haben oft eine integrierte Erdschlussschutzfunktion. In den meisten Fällen ist dieser Schutz jedoch mit hochohmig geerdeten (HRG) Systemen nicht kompatibel. Der Schutz ist oft nicht auf einen Wert unterhalb des Durchlassstromes des Neutralleiter-Erdungswiderstands (NGR) einstellbar.

Wenn dies der Fall ist, und die Erdschlusserkennung eine Anforderung des Systementwurfs ist, ist ein zusätzliches Erdschlussschutzgerät, typischerweise ein Differenzstrom-Überwachungsgerät, zu verwenden.

Standort der Umrichter für den Erdschlussschutz der Frequenzumrichter

Niederspannungsantriebe mit Umrichtern (bis 600 V) verfügen typischerweise über eine einfache 6-pulsige Gleichrichter-Eingangsstufe, die einen Gleichstrombus erzeugt, von dem aus eine Wechselrichterstufe einen Ausgang mit gesteuerter Frequenz und Spannung erzeugt.  Dieser Ausgang wird zur Steuerung der Drehzahl des angeschlossenen Motors und der angetriebenen Last verwendet, um die Prozesskontrolle zu gewährleisten.

Ein Null-Sequenz-Umrichter (ZSCT), der an ein Differenzstrom-Überwachungsgerät angeschlossen ist, kann verwendet werden, um einen Erdschluss im Antrieb, in der Verkabelung und im Motor zu erkennen. Die Schutzzone befindet sich nach dem Umrichter (Lastseite). Bei der Installation an der Steuerzentrale des Versorgungsmotors (Position 1 auf der Abbildung) werden auch Erdschlüsse im Motor und im Kabel zwischen dem Motor und dem Antrieb erkannt.

Diese Position ermöglicht die größte Schutzzone. Bei der Installation am Antriebseingang (Position 2) umfasst die Schutzzone auch den Antrieb. Bei der Installation an der Lastseite des Antriebs (Position 3) werden Erdschlüsse im Motor und im Kabel zwischen dem Motor und dem Antrieb erkannt.

AC/DC-Erdschlusserkennung für Umrichter

Drehzahlvariable Antriebe beinhalten Halbleiterkomponenten wie Dioden und Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und verfügen über einen Gleichstrom (DC)-Busabschnitt. Ein Erdschluss in einem dieser Elemente ist ein DC-Erdschluss.  Manchmal werden Frequenzumrichter mit sehr niedrigen Drehzahlen und damit einer niedrigen Ausgangsfrequenz betrieben, die auch die Grundfrequenz eines Erdschlusses ist.  

Typische Differenzstrom-Erdschluss-Überwachungsgeräte können keine niederfrequenten oder DC-Erdschlüsse erkennen, denn diese liegen außerhalb des messbaren Bereichs, unter 20 oder 30 Hz. Ein System mit Umrichtern sollte Erdschluss-Erkennungsgeräte umfassen, die die Fehlererkennung bei niederfrequenten und DC-Erdschlüssen ermöglichen. Diese Funktion lässt sich mithilfe spezieller Differenzstrom-Relais mit speziellen Umrichtern realisieren. 

Die Wirkung der Oberschwingungen der Frequenzumrichter auf den Erdschlussschutz

Drehzahlvariable Antriebe verwenden Halbleiterkomponenten zum Gleichrichten und Umrichten von Spannung und Strom. Um einen AC-Ausgang zu erzeugen, wird die interne DC-Spannung schnell umgeschaltet. Das Ergebnis sind Komponenten mit hochfrequenter Spannung, die den Strom durch die verteilte Systemkapazität an die Erde leiten. Dieser Strom ist jedoch nicht das Ergebnis eines Erdschlusses.  

Einfache breitbandempfindliche Erdschluss-Erkennungsgeräte werden durch diese hochfrequenten Signale getäuscht und können fälschlicherweise nicht vorhandene Erdschlüsse anzeigen, wenn sie nicht auf einen hohen Wert eingestellt sind. Dies lässt sich durch den Einsatz von Differenzstrom-Überwachungsgeräten mit Tief- oder Bandpassfiltern, die das hochfrequente Rauschen ignorieren, leicht vermeiden.

Was ist ein pulsierendes Erdschluss-Ortungssystem?

In einem hochohmig geerdeten (HRG) Niederspannungs-Stromsystem (typischerweise 600 V oder weniger) wird der Erdschlussstrom auf einen Wert begrenzt, der niedrig genug ist, damit das System nicht sofort abgeschaltet werden muss.

Bei der Konfiguration als pulsierendes System werden Erdschlüsse mithilfe eines tragbaren und aufsteckbaren Strommessgeräts geortet.  Wenn das Strommessgerät vor der Fehlerquelle angebracht wird, wird vom Strommessgerät Fehlerstrom angezeigt.  Wenn das Strommessgerät nach der Fehlerquelle angebracht wird, kann vom Messgerät Leckstrom angezeigt werden.  Um zwischen diesen Messungen zu unterscheiden, wird die Impulsschaltung aktiviert und der Erdschlussstrom, der sich bei der Beobachtung des Strommessgeräts leicht vom Ladestrom unterscheiden lässt, „pulsiert“.

Komponenten wie das Neutralleiter-Erdungswiderstands-Überwachungsgerät NGRM700 mit Impulssteuerungsfunktion und ein vollständiges HRG-System mit Impulssteuerung und Strommessgerät sind von Bender erhältlich.

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