DE19837933A1 - Verfahren zur phasenrichtigen Erfassung eines Erdschlusses in einem mehrphasigen Drehstromnetz - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Energienetzes mit hochohmig geerdetem Sternpunkt zur schnellen Ermittlung einer einen Erdschluß speisenden Phase dadurch gekennzeichnet, daß nach Überschreiten eines Grenzwertes für den Strom oder die Spannung am Transformatorsternpunkt die Phasenlage des Stromes oder der Spannung am Transformatorsternpunkt mit der Phasenlage des Stromes oder der Spannung der einzelnen Phasen des Energienetzes verglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen, phasenrichtigen Erfassung eines Erdschlusses von Hochstromverbrauchern in einem mehrphasigen Drehstromnetz mit hochohmig geerdetem Sternpunkt.

Hochreines polykristallines Silizium (Polysilizium) als Ausgangsmaterial für die Herstellung von elektronischen Bauteilen und Solarzellen, gewinnt man in der Regel durch thermische Zersetzung oder Wasserstoffreduktion eines Siliziumquellengases. In der Regel werden dabei Chlorsilane, wie beispielsweise Trichlorsilan als Siliziumquellengas verwendet. Die thermische Zersetzung von Trichlorsilan unter Beteiligung von reduzierendem Wasserstoff mit nachfolgender Abscheidung von hochreinem Silizium an dünnen Siliziumstäben, den sogenannten Seelen, ist unter dem Namen "Siemens-Prozeß" bekannt. Nach diesem Prozeß wird Polysilizium weltweit in Polysilizium Abscheideanlage produziert. Die Regelung der Stromzufuhr erfolgt dabei vorzugsweise über Thyristorsteller.

Zu einem Erdschluß kommt es bei der Abscheidung von Polysilizium vor allem dann, wenn eine der Seelen umfällt. Dabei besteht die große Gefahr, daß in der Folge des einen umgefallenen Polysiliziumstabes weitere Stäbe ebenfalls umfallen. Wenn der umgefallene Stab die Außenwand des Abscheidereaktors berührt, kommt es zum Stromfluß über die Wand der Abscheideanlage. Wenn ein zweiter Stab ebenfalls die Außenwand berührt, kommt es zu einem Kurzschluß mit so hohen Strömen, daß innerhalb kürzester Zeit die Außenwand des Abscheidereaktors schmilzt. Ein solches Aufschmelzen der Außenwand muß auf alle Fälle verhindert werden, da zum einen Kühlwasser in das ca. 1100°C heiße Innere des Reaktors gelangen würde, was letztendlich zu einer Explosion führen würde. Andererseits würden beim Aufschmelzen der Wand die bereits genannten explosiven und aggressiven Gase ins Freie gelangen.

All dies muß unbedingt verhindert werden und macht ein sehr schnelles Abschalten des jeweiligen Reaktors erforderlich.

Wenn jeweils ein Reaktor pro Phase eines mehrphasigen Drehstromnetzes betrieben wird, ist es zudem erforderlich, innerhalb dieses sehr kurzen Zeitraumes auch die dem Erdschluß zugehörige Phase zu bestimmen. Andernfalls käme es bei jeder Störung eines Reaktors zu einer Betriebsunterbrechung und damit zu Produktionsausfällen an samtlichen im Drehstromnetz befindlichen Reaktoren.

Zur Erfassung eines Erdschlusses ist es bisher üblich, den Summenstrom je Phase mittels Summenstromwandler zu erfassen (z. B. Fehlerstromschutzschalter in der Installationstechnik) oder die Wechselspannung mit einer Gleichspannung zu überlagern und mit einem Isolationsüberwachungsgerät den Isolationswiderstand zu erfassen. Wegen der großen Betriebsströme (bis zu ca. 8.000 A) und der sehr kleinen Erdschlußströme (z. B. 0,5 A oder kleiner) ist die bisherige Technik der Summenstrommessung aufgrund der zu hohen Meßungenauigkeiten nicht in der Lage, den kleinen Differenzstrom (Erdschlußstrom) zu messen. Auch die Zuordnung zu einem Reaktor ist damit nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Überwachung eines elektrischen Energienetzes mit hochohmig geerdetem Sternpunkt ermöglicht um im Falle eines Erdschlußes die den Erdschluß speisend Phase sehr schnell zu ermitteln.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß nach Überschreiten eines Grenzwertes für den Strom oder die Spannung am Transformatorsternpunkt die Phasenlage des Stromes oder der Spannung am Transformatorsternpunkt mit der Phasenlage des Stromes oder der Spannung der einzelnen Phasen des Energienetzes verglichen wird.

Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Korrelation zwischen Sternpunktstrom bzw., über einen strombegrenzenden Widerstand, der Sternpunktspannung des Systems und der Phasenspannung um die Zuordnung zu treffen, welche Phase den Erdschlußstrom speist.

Die Phase, deren Phasenlage mit der Phasenlage des Transformatorsternpunkts übereinstimmt, weist einen Erdschluß auf.

Die Phasenlage des Stromes am Transformatorsternpunkt wird vorzugsweise dadurch ermittelt, daß ein Stromwandler in den Stromkreis des Sternpunktes zum Erdungspotential eingebaut wird.

Die Phasenlage des Stromes der einzelnen Phasen wird vorzugsweise dadurch ermittelt, daß ein Stromwandler in die jeweilige Phase eingebaut wird.

Die Phasenlage der Spannung am Transformatorsternpunkt wird vorzugsweise dadurch ermittelt, daß ein Spannungswandler die Spannung über den festen hochohmigen Erdungswiderstand mißt.

Die Phasenlage der Spannung der einzelnen Phasen wird vorzugsweise dadurch ermittelt, daß ein Spannungswandler die Spannung vor den Reaktoren mißt.

Auswertung und Vergleich der Signale der Phasen mit dem Signal des Sternpunktwiderstands (Erdschlußstrom) erfolgt vorzugsweise mittels einer an sich bekannten elektrischen Auswertung.

Beispielsweise geschieht dies dadurch, daß die Phasenspannungen potentialgetrennt und in phasengleiche Rechtecksignale umgewandelt einem Controller zugeführt werden. Der Sternpunktstrom wird phasenrichtig erfaßt und über einen Widerstand, beispielsweise einen Bürdenwiderstand dem Controller zugeführt. Die logische Verknüpfung wird von einer Software abgearbeitet, die beispielsweise als ROM-Programm in einem PIC-Controller abgelegt ist.

Falls der Sternpunktstrom größer ist als ein am Controller einstellbarer Grenzwert (Comparatorwert), so wird der zeitliche Verlauf des vom Sternpunkt kommenden Signals mit dem zeitlichen Verlauf der von den Phasen kommenden Spannungssignale verglichen. Der zeitliche Verlauf des Spannungssignals der Phase mit Erdschluß stimmt mit dem zeitlichen Verlauf des Spannungssignals des Sternpunktes überein. Der Comparatorwert hat vorzugsweise eine Größe von 10 mA bis 5000 mA. Im Falle der Überwachung von Polysilizium Abscheideanlagen wird die Phase, bei der der zeitliche Verlauf des Spannungssignals mit dem zeitlichen Verlauf des Spannungssignals des Sternpunktes übereinstimmt sofort abgeschaltet. Die Abschaltung erfolgt vorzugsweise ebenfalls durch den Controller. Dies geschieht innnerhalb eines Zeitraums zwischen 20 und 300 msec., in der Regel innerhalb von 30 msec. Es sind jedoch prinzipiell auch andere Regelmaßnahmen je nach Erfordernis der überwachten Hochstromverbraucher möglich.

Das Verfahren ermöglicht beispielsweise die Erfassung eines Erdschlußstromes in einer elektrischen Mehrphasenanlage mit hohen Betriebsströmen mit hochohmig geerdetem Sternpunkt. Unter hohen Betriebsströmen sind vorzugsweise Ströme im Bereich von 1000 bis 150 000 A zu verstehen.

Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Überwachung eines elektrischen Energienetzes in welchem Hochstromverbraucher mittels einer Spannungs- und/oder Stromregelung wie z. B. mittels eines Thyristorstellers geregelt werden.

So ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren erstmals einen Betrieb mehrerer Polysiliziumabscheidanlagen an einem Transformator.

Beispielhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren in Fig. 1 dargestellt. Die Polyabscheidereaktoren (1-3) werden von einem Drehstromtransformator (4) mit nach geschaltetem Thyristorsteller (5-7) elektrisch versorgt. Die Polysiliziumstäbe im Inneren der Reaktoren (1-3) werden elektrisch durch direkten Stromdurchfluß beheizt. Die Thyristorsteller (5-7) regeln Spannung und Strom der Reaktoren (1-3) in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Durchmesser der Polysiliziumstäbe. Bei einem Erdschluß eines Polysiliziumstabes z. B. infolge des Bruchs eines Polysiliziumstabes mit anschließender Reaktorwandkontak­ tierung, fließt durch den Erdungswiderstand (8) ein begrenzter Erdschlußstrom zum Sternpunkt des Drehstromtrafos zurück. Dieser Erdschlußstrom wird, im erfindungsgemäßen Verfahren durch den Stromwandler (9) gemessen und seine Phasenlage mit der Phasenlage jeder der drei Phasen die die Reaktoren (1-3) versorgen im Controller (10) verglichen und ausgewertet. Die Phase deren Phasenlage mit der Phasenlage des Erdschlußstromes übereinstimmt hat einen Erdschluß und wird durch den zugehörigen Tyristorsteller (hier Thyristorsteller (7)) abgeschaltet.

Fig. 2 zeigt ein Korrelationsdiagramm, wobei die Kurven 1, 2 und 3 den an den Phasen 1 bis 3 des obigen Anwendungsbeispiels gemessene Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt und Kurve 4 den Spannungsabfall am Stromwandler des Sternpunktwiderstandes ((9) aus Fig. 1) zeigt.

Form und Lage der Spannung an Reaktor 3 stimmt mit Form und Lage des Spanungsabfalls am Stromwandler des Sternpunktwiderstandes überein. Daraus folgt, daß die Reaktor 3 speisende Phase einen Erdschluß zeigt und abgeschaltet wird.

Prinzipiell eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für dreiphasige Drehstromnetze sondern für beliebige mehrphasige Drehstromnetze.

Claims (5)

1. Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Energienetzes mit hochohmig geerdetem Sternpunkt zur schnellen Ermittlung einer einen Erdschluß speisenden Phase dadurch gekennzeichnet, daß nach Überschreiten eines Grenzwertes für den Strom oder die Spannung am Transformatorsternpunkt die Phasenlage des Stromes oder der Spannung am Transformatorsternpunkt mit der Phasenlage des Stromes oder der Spannung der einzelnen Phasen dem Energienetzes verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage des Stromes am Transformatorsternpunkt dadurch ermittelt wird, daß ein Stromwandler in den Stromkreis des Sternpunktes zum Erdungspotential eingebaut ist und die Phasenlage des Stromes der einzelnen Phasen dadurch ermittelt wird, daß ein Stromwandler in die jeweilige Phase eingebaut ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der Spannung am Transformatorsternpunkt dadurch ermittelt wird, daß ein Spannungswandler die Spannung über den festen hochohmigen Erdungswiderstand mißt und die Phasenlage der Spannung der einzelnen Phasen dadurch ermittelt wird, daß ein Spannungswandler die Spannung vor den Reaktoren mißt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich der Signale der Phasen mit dem Signal des Sternpunktwiderstands (Fehlerstrom) mittels einer an sich bekannten elektrischen Auswertung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Auswertung dadurch erfolgt, daß die Phasenspannungen potentialgetrennt und in phasengleiche Rechtecksignale umgewandelt einem Controller zugeführt werden und der Sternpunktstrom phasenrichtig erfaßt wird und über einen Widerstand dem Controller zugeführt wird.