DE10146294C1

DE10146294C1 - Abstimmung einer Erdschlusslöschspule auch während des Erdschlusses

Info

Publication number: DE10146294C1
Application number: DE2001146294
Authority: DE
Inventors: Gerhard Druml; Anfreas Kugi
Original assignee: EDC GmbH
Current assignee: Sprecher Automation At GmbH
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2021-09-20

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der aktuellen "Kompensation" eines gelöschten Netzes und Nachstellen der Petersen-Spule auch während eines einpoligen niederohmigen Erdschlusses, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: DOLLAR A - Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an einer Messstelle A1; DOLLAR A - Berechnung der symmetrischen Komponenten für den Zeitpunkt t1; DOLLAR A - Änderung der Nullimpedanz; DOLLAR A - erneutes Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an der Messstelle A1; DOLLAR A - Berechnung der symmetrischen Komponenten für den Zeitpunkt t2; DOLLAR A - Aufstellen der Gleichungen entsprechend dem Bild 5; DOLLAR A - Lösen der Gleichungen getrennt nach Real- und Imaginärteil mit dem Ergebnis des Stromes über die Fehlerstelle und den Übergangswiderstand Rf; DOLLAR A - Berechnung des kapazitiven Nullstromes des Netzes aus lo und dem Strom über die Fehlerstelle; DOLLAR A - Ermittlung der notwendigen Einstellung der P-Spule, um diesen kapazitiven Strom zu kompensieren; DOLLAR A - Verstellen der Petersen-Spule auf die gewünschte Position.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Abstimmung der Erdschlusslöschspule, die nach sei nem Erfinder auch als Petersen-Spule bzw. P-Spule bezeichnet wird, auch während des einpoligen Erdschlusses in Drehstromnetzen durch Messung der Leiterströme und der Lei ter-Erde-Spannung am Anschlusspunkt der Erdschlusslöschspule an das Drehstromnetz.

Verfahren zur Abstimmung einer Erdschlusslöschspule auf Resonanz oder auf einen ge wünschten Kompensationswert sind derzeit nur für gesunde Netze bekannt. Einige Verfah ren, die nach dem Resonanzverfahren arbeiten benötigen hierzu eine ausreichende Verla gerungsspannung U ₀ z. B. EZR2 der Firma Spezielektra.

Die anderen Verfahren, wie z. B. nach WO 86/03350 bzw. US 5 559 439 arbeiten nach ei nem reduzierten Schaltbild, sodass die Abstimmung der Erdschlusslöschspule im gesunden Netz für kleine Verlagerungsspannungen erfolgreich ist. Beim Verfahren nach dem Patent US 5 559 439 wird die Nullimpedanz des Netzes inklusive der Erdschlusslöschspule im ge sunden Zustand gemessen. Durch die differenzielle Messung ist die Unsymmetrie des Net zes parallel zum Resonanzkreis geschaltet. Solange die Unsymmetrie sehr hochohmig ist, ist der Fehler durch die Unsymmetrie vernachlässigbar. Eine Ermittlung der Abstimmung ist dadurch allerdings nur im gesunden Netz und nur bis zu einer Verlagerungsspannung von ca. 10% durchführbar.

Ähnliches gilt für das Verfahren nach Patent WO 86/03350, bei welchem davon ausgegan gen wird, dass die größte Verlagerungsspannung im Resonanzpunkt ist. Dabei wird sowohl eine übliche unsymmetrische Belastung als auch die Innenimpedanz des Transformators vernachlässigt. Durch diese Vernachlässigung ist eine Abstimmung nur im gesunden Netz, solange die Impedanz der Unsymmetrie wesentlich höher ist als die Trafoimpedanz, mög lich. Im Falle eines niederohmigen Erdschlusses sind diese Vereinfachungen aber nicht mehr zulässig.

In der Patentschrift DE 195 25 417 C2 ist eine Kombination aus einer stufig geschaltenen Erdschlusslöschspule in Verbindung mit einem Hilfstrafo aufgeführt. Diese Kombination er laubt durch die Erzeugung eines "Kompensationsstromes" sowohl eine Kompensation des Blindanteiles als auch des üblicherweise verbleibenden ohmschen Wirkstromes über die Fehlerstelle. Die Einstellung des "Kompensationsstromes" erfolgt unter Anwendung bekann ter Verfahren zur Berechnung der notwendigen Parameter im "gesunden Netz". Es wird nur die Möglichkeit der vollkommen Kompensation an der Fehlerstelle beschrieben, nicht jedoch wie der "Kompensationsstrom" aus den verfügbaren Messungen im Umspannwerk im Falle eines Erdschlusses eingestellt wird. Eine notwendige Nachregelung des "Kompensations stromes" infolge von Abschaltung von Netzteilen während eines Erdschlusses ist nicht be schrieben.

In der Patentschrift US 5 699 219 A ist eine mit Thyristoren bzw. GTO's stufig schnell schaltbare Erdschlusslöschspule beschrieben. Bei dem beschriebenen Verfahren wird an genommen, dass bei einem niederohmigen Erdschluss die Verlagerungsspannung U ₀ und der Nullstrom I ₀ im Umspannwerk in Phase sind. Dabei wird die Längsimpedanz der Leitung bis zur Fehlerstelle und der Laststrom vernachlässigt. Es kann leicht nachgewiesen werden, dass dieses Verfahren nur für niederohmige Erdschlüsse auf kurzen Leitungen ohne Last strom funktioniert. Bei längeren Leitungen und großen Lastströmen über diese Leitung er folgt eine Kopplung vom Laststrom auf die Nullspannung. Wird auf ein Phasenminimum ge regelt, so wird ein Zusatzstrom über die Fehlerstelle in der Größe des Laststromes erzeugt, der diese Kopplung kompensiert. Dies bedeutet, dass der Strom über die Fehlerstelle bei üblichen Leitungslängen und Lastströmen durch diese Regelung vergrößert wird. Auch für die Annahme, dass die Verlagerungsspannung bei niederohmigen Fehlern bei idealer Kom pensation am größten ist, wird der Einfluss der Leitungslängsimpedanz und den aus dem Laststrom in das Nullsystem eingekoppelten Spannungsanteil vernachlässigt. Auch dieses Verfahren führt bei den üblichen Leitungslängen und Lastströmen zu einer Vergrößerung des Stromes an der Fehlerstelle.

In der Patentschrift DE 195 14 698 C1 wurde die Aufstellung eines Schaltbildes für symmet rische Komponenten für den Fehlerort zwecks Abschätzung der Fehlerentfernung für ein starr geerdetes Netz mit Speisung von zwei Punkten aufgezeigt. Allerdings wurde für die Berechnung angenommen, dass sich der Strom über die Fehlerstelle gleichphasig auf zwei Ströme aufteilt, die über die jeweilige Nullimpedanz der Speisepunkte fließt. Auf die fehler hafte Leitung bezogen, ist dies aber nur für einen Punkt zwischen den beiden Speisestellen zutreffend. Die Situation wird für gelöschte Netze mit einphasiger Speisung, wie in Bild 2 gezeigt noch verschlechtert.

Die heutige Praxis zur Eingrenzung eines einpoligen Erdschlusses ist abhängig von der Netzstruktur. Können Leitungsabgänge zu Ringen zusammengeschaltet werden bzw. wenn sie bereits zu Ringen geschaltet sind, so erfolgt die Fehlereingrenzung meist durch Trennen des Ringes auf unterschiedlichen Stellen am Ring und Beobachtung auf welchen Abgang die Anzeige des Erdschlussfehlers wandert. Durch dieses einfache aber zeitaufwendige Suchverfahren kann das erdschlussbehaftete Leitungssegment eingegrenzt werden.

Sind die Leitungsabgänge jedoch als "Stichleitungen" geschaltet, bzw. wenn diese Lei tungsabgänge nicht mehr zu einem Ring geschaltet werden können, so funktioniert das oben beschriebene Eingrenzungsverfahren nicht mehr. In diesem Fall müssen die Leitungen ent lang des Stiches abgeschaltet werden. Durch das Abschalten von Leitungssegmenten wird jedoch die zu löschende Leitungskapazität verändert. Dadurch wird der Strom über die Feh lerstelle verändert und kann vorgegebene Grenzwerte überschreiten. Meist wird unter ande rem die Löschgrenze nach VDE 228 überschritten. Zusätzlich können die erhöhten Ströme ein überschreiten der zulässigen Schritt- und Berührspannungen in der Umgebung der Feh lerstelle bewirken.

Aus diesen Gründen sollte eine Änderung der Leitungslänge, vor allem während eines an stehenden Erdschlusses, so schnell wie möglich erkannt und die Erdschlusslöschspule so schnell wie möglich nachgestimmt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die bekannten Verfahren können eine Abstimmung der Erdschlusslöschspule nur während des gesunden Netzbetriebes durchführen. Eine Bestimmung des notwendigen Abstimm punktes während eines Erdschlusses werden ausgeschlossen. Die Verstellung der Erd schlusslöschspule wird während des Erdschlusses blockiert.

Mit dem neuen Verfahren ist aber auch während des Erdschlusses eine Berechnung der aktuellen Verstimmung möglich, wodurch auch eine Verstellung der Erdschlusslöschspule auf den gewünschten Abstimmpunkt während des Erdschlusses ermöglicht wird. Als Neben effekt erhält man eine Abschätzung des Fehlerwiderstandes an der Fehlerstelle, des Stro mes über die Fehlerstelle und eine grobe Schätzung der Fehlerentfernung.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Bestimmung der aktuellen "Kompensation" eines ge löschten Netzes und Nachstellen der Erdschlusslöschspule auch während eines einpoligen niederohmigen Erdschlusses gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Messen der drei Leiter-Erde-Spannungen U _1E, U _2E, U _3E und der drei Leiterströme I _L1, I _L2 und I _L3 an einer Messstelle A₁ zu einem ersten Zeitpunkt t₁.
- Berechnung der symmetrischen Komponenten U ₁, U ₂, U ₀, I ₁, I ₂, I ₀ für den ersten Zeitpunkt t₁ nach bekannten Verfahren aus den Leiter-Erde-Spannungen U _1E, U _2E, U _3E und den Lei terströmen I _L1, I _L2, I _L3
- Änderung der Nullimpedanz Z _P/3 um dZP/3.
- Erneutes Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an der Mess stelle A₁ zu einem zweiten Zeitpunkt t₂.
- Berechnung der symmetrischen Komponenten U ₁, U ₂, U ₀, I ₁, I ₂, I ₀ für den zweiten Zeit punkt t₂ nach bekannten Verfahren.
- Aufstellen der Gleichungen für den Zeitpunkt t₁, wobei die Unbekannten nach Real- und Imaginärteil aufgetrennt werden.
- Aufstellen der Gleichungen für den Zeitpunkt t₂
- Lösen der Gleichungen (1) bis (6) getrennt nach Real- und Imaginärteil mit dem Ergebnis des Stromes über die Fehlerstelle I _F und den Übergangswiderstand R_F
- Berechnung des kapazitiven Nullstromes des Netzes I _CE aus I ₀ und dem Strom über die Fehlerstelle I _F.
- Ermittlung der notwendigen Einstellung der Erdschlusslöschspule um diesen kapazitiven Strom zu kompensieren
- Verstellen der Erdschlusslöschspule auf die gewünschte Position

Im folgenden wird die Erfindung anhand der folgenden Schaltbilder beispielhaft näher be schrieben:

Bild 1 ein gelöschtes Drehstromnetz mit zwei Abgängen und einem Regler mit der Mess stelle A1 zur Abstimmung der Erdschlusslöschspule;

Bild 2 Darstellung des obigen Netzes mit Hilfe der Symmetrischen Komponenten.

Bild 3 Reduktion des Bildes 2 auf die für die Regelung wesentlichen Komponenten

Bild 4 Reduktion des Bildes 3 durch Berücksichtigen des Restnetzes.

Bild 5 Ersatzschaltung für die Bestimmung des aktuellen Stromes über die Fehlerstelle I _F und dem Wert des Fehlerwiderstandes R_F.

Im Bild 1 ist ein Drehstromnetz mit zwei Abgänge dargestellt. Die Einspeisung erfolgt über einen Transformator. Die Änderung der Nullimpedanz dZ _P/3 kann über den Sternpunkt des Einspeisetransformators oder mit Hilfe eines Sternpunktbildners erfolgen. Ebenso kann eine Änderung der Nullimpedanz durch eine andere bekannte dreiphasige oder einphasige An schaltung erfolgen. Die Änderung der Nullimpedanz kann auch einphasig z. B. durch Zu schalten eines Widerstandes oder einer Kapazität direkt am Sternpunkt oder mit Hilfe eines Transformators erfolgen. Eine Änderung der Nullimpedanz ist auch durch eine kleine Ver stimmung der Erdschlusslöschspule möglich oder mit Hilfe einer "Stromeinspeisung" erfol gen.

Die Darstellung erfolgte für ein gelöschtes Netz, das Verfahren ist aber auch für andere Sternpunktsbehandlungen gültig, wie z. B. hochohmig geerdete Netze, niederohmig geerde te Netze, KNOSPE.

Das Verfahren dient zur Bestimmung des aktuellen Stromes über die Fehlerstelle und somit zur Ermittlung der notwendigen Verstellung der Erdschlusslöschspule während des Erd schlusses. Das Verfahren ist auch für sehr hochohmige Fehler geeignet. Die Messung kann jederzeit wiederholt werden.

Im Bild 2 ist das Ergebnis der Umformung des oben beschriebene Netzes mit Hilfe der "Symmetrischen Komponenten" dargestellt. Die Umformung erfolgt nach den bekannten Re geln und wird hier nicht beschrieben. Im Bild ist die Kopplung der Systeme durch den Erd schluss und den Übergangswiderstand R_F bereits eingezeichnet.

Für die weitern Betrachtungen im Bild 3 wird das Restnetz auf die wesentlichen Komponen ten reduziert. Um den relevanten Stromverlauf anschaulicher darzustellen werden die Kom ponentensysteme zusätzlich ineinander geschachtelt dargestellt.

Für die weiteren Betrachtungen werden für das Bild 4 die folgenden Vereinfachungen getrof fen

- Die Kapazitäten im Abgang gegen Erde im Mit- und Gegensystem werden der Last zuge ordnet. Das Restnetz wird zu C_1RL und Z _1RL zusammengefasst.
- Beim Übergang vom Bild 3 auf Bild 4 wird das Restnetz im Mit- und Gegensystem der Last zugeordnet.
- Der Faktor x ist die Distanz vom Regler bis zur Erdschlussstelle. Die Längsimpedanzen werden mit Hilfe der Leitungsbeträge Z'_L berücksichtigt. Da mehrere Abgänge an der Sammelschiene vorhanden sind, wird ein Mittelwert der verwendeten Leitungen für die Schätzung der Fehlerentfernung angenommen.
- Durch die übliche Symmetrie der Leitungen sind die Längsimpedanzen der Leitungsbe träge im Mit- und Gegensystem identisch angenommen.
- Die verteilten Nullkapazitäten des erdschlussbehafteten Abganges und des Restnetzes werden beim Übergang von Bild 3 auf Bild 4 zu einer Kapazität C₀ zusammengefasst.
- Die Impedanz der Last ist üblicherweise höherohmiger als die Kurzschlussimpedanz des Transformators. Üblicherweise wird von der Erzeugung E ₁ bis zum Verbraucher nur ein Spannungsabfall in der Größenordnung von 10% zugelassen. Die Impedanz der Last ist dann mindestens um den Faktor 10 größer als die Kurzschlussimpedanz des Transfor mators.

Im Regler werden die drei Spannungen U _1E, U _2E und U _3E gegen Erde und die drei Leiter ströme I _L1, I _L2 und I _L3 gemessen. Aus diesen können nach den bekannten Verfahren die symmetrischen Komponenten U ₁, U ₂, U ₀ sowie I ₁ I ₂ und I ₀ berechnet werden. Die Nullspan nung U ₀ und der Nullstrom I ₀ können alternativ auch mit Hilfe der bekannten Verfahren auch direkt gemessen werden.

Im Bild 5 ist die Ersatzschaltung zum Aufstellen der Gleichungen für die beiden Zeitpunkte t₁ und t₂ aufgeführt. Die Zeitpunkte t₁ und t₂ liegen nur einige Sekunden auseinander, da die Einschwingvorgänge im Bereich von einigen Perioden abgeklungen sind.

Der Vorteil des Verfahrens sind:

- Die Messung kann jederzeit wiederholt und auf Plausibilität überprüft werden.
- Die Messung kann auch nach Netzumschaltungen zur Überprüfung der Verstimmung durchgeführt werden.
- Es können auch über mehrere Messungen statistische Mittelwerte durchgeführt werden, um kleine Störeinflüsse durch Laständerungen zu reduzieren.
- Der nicht zu vernachlässigende Einfluss der Impedanz des Trafos bei niederohmigen Erdschlüssen wird berücksichtigt. Erst dadurch wird ein Regelung während des Erd schlusses möglich.
- Der störende Einfluss der Gegenspannung E _g bei unsymmetrischen Belastungen wird kompensiert.

Die normalerweise unbekannten Größe der Quellimpedanz des Trafos Z _1Tr kann entweder aus der differentiellen Messung des Mitsystems oder aus der differentiellen Messung des Gegensystems nach der folgenden Formel ermittelt werden.

Mit den differentiellen Werten für das Mitsystem:

bzw. für das Gegensystem:

Entsprechend Bild 5 können für den Zeitpunkt t₁ die folgenden drei Gleichungen aufgestellt werden, wobei die zu berechnenden Komponenten nach Real- und Imaginärteil aufgeteilt werden:

bzw. für den Zeitpunkt t₂:

Legende

U

₁

, U ₂

, U ₀

, I ₁

, I ₂

, I ₀

: Symmetrische Komponenten
E _g

: Gegenspannung durch unsymmetrische Belastung
I _F

: Strom über die Fehlerstelle
_{_R}

: Real-Teil
_{_I}

: Imaginär-Teil
x: Fehlerentfernung gemessen ab Reglereinbauort
k: Verhältnis von Mitimpedanz zu Nullimpedanz der Leitung
R_F

: Widerstand der Fehlerstelle
Z

'_1L

: Gemittelter Impedanzbelag der Leitung im Mitsystem
Z ₃

: Restnetz parallel zur Impedanz der Leitung von der Fehler stelle bis zur Last + Impedanz der Last
Z _1Tr

: Ersatzimpedanz des Transformators im Komponentensystem

Wesentlich ist, dass der Übergangswiderstand R_F an der Fehlerstelle als ohmscher Wider stand betrachtet werden kann.

Werden die Gleichungen (9) bis (14) getrennt nach Realteil und Imaginärteil betrachtet, so erhält man zwölf Gleichungen für zwölf Unbekannte. Diese können nun mit den bekannten Verfahren der Algebra symbolisch oder numerisch gelöst werden.

Als Ergebnis der Berechnung erhält man:
x: Entfernung bis zur Fehlerstelle
R_F: Widerstand der Fehlerstelle
E_{g_R+}i.E_{g_I}: Gegenspannung
Z_{3_R+}i.Z_{3_I}: Impedanz der Leitung von der Fehlerstelle bis zur Last + Impedanz der Last
I_{F_R_(t1)+}i.I_{F_I_(t1)}: Strom über die Fehlerstelle zum Zeitpunkt t₁
I_{F_R_(t2)+}i.I_{F_I_(t2)}: Strom über die Fehlerstelle zum Zeitpunkt t₂
Z_{1Tr_R+}i.Z_{1Tr_I}: Ersatzimpedanz des Transformators

Aus diesen Werten kann nun der kapazitiver Anteil des Nullstromes berechnet werden:

I _CE = I ₀ - I _F (14)

Die Erdschlusslöschspule kann nun entsprechend diesem zu kompensierenden Strom I _CE und der gewünschten Kompensation eingestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der aktuellen "Kompensation" eines gelöschten Netzes und Nachstellen der Erdschlusslöschspule auch während eines einpoligen niederohmigen Erd schlusses gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Messen der drei Leiter-Erde-Spannungen U _1E, U _2E, U _3E und der drei Leiterströme I _L1, I _L2 und I _L3 an einer Messstelle A₁ zu einem ersten Zeitpunkt t₁.
- Berechnung der symmetrischen Komponenten U ₁, U ₂, U ₀, I ₁, I ₂, I ₀ für den ersten Zeitpunkt t₁ aus den Leiter-Erde-Spannungen U _1E, U _2E, U _3E und den Leiterströmen I _L1, I _L2, I _L3
- Änderung der Nullimpedanz Z _P/3 um dZP/3.
- Erneutes Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an der Mess stelle A₁ zu einem zweiten Zeitpunkt t₂.
- Berechnung der symmetrischen Komponenten U ₁, U ₂, U ₀, I ₁, I ₂, I ₀ für den zweiten Zeit punkt t₂ aus den Leiter-Erde-Spannungen U _1E, U _2E, U _3E und den Leiterströmen I _L1, I _L2, I _L3.
- Aufstellen der Gleichungen für den Zeitpunkt t₁, wobei die Unbekannten nach Real- und Imaginärteil aufgetrennt werden.
- Aufstellen der Gleichungen für den Zeitpunkt t₂ wobei
E _g die Gegenspannung durch unsymmetrische Belastung,
I _F der Strom über die Fehlerstelle,
_{_R} der Real-Teil,
_{_I} der Imaginär-Teil
x die Fehlerentfernung gemessen ab Reglereinbauort,
k das Verhältnis von Mitimpedanz zu Nullimpedanz der Leitung,
R_F der Widerstand der Fehlerstelle,
Z'_1L der Gemittelte Impedanzbelag der Leitung im Mitsystem,
Z ₃ das Restnetz parallel zur Impedanz der Leitung von der Fehlerstelle bis zur Last + Impedanz der Last,
Z _1Tr die Ersatzimpedanz des Transformators im Komponentensystem,

sind.

- Lösen dieser Gleichungen (1) bis (6) getrennt nach Real- und Imaginärteil mit dem Er gebnis des Stromes über die Fehlerstelle I _F und den Übergangswiderstand R_F Berechnung des kapazitiven Nullstromes des Netzes I _CE aus I ₀ und dem Strom über die Fehlerstelle I _F nach der Formel:
I _CE = I ₀ - I _F (7)
- Ermittlung der notwendigen Einstellung der Erdschlusslöschspule um diesen kapazitiven Strom zu kompensieren
- Verstellen der Erdschlusslöschspule auf die gewünschte Position

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Nullimpedanz im Sternpunkt des Speise-Transformators erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Nullimpedanz durch Verstimmung einer Erdschlusslöschspule er folgt.

4. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit den gewonnenen Daten die Berechnung des Übergangswiderstandes R_F, die Be rechnung des Stromes über die Fehlerstelle I _F und eine Abschätzung der Fehlerentfernung vom Regler bis zur Fehlerstelle erfolgt.