-
Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines erdschlußbehafteten
Leitungs- oder Kabelabschnittes eines Wechselstrom-Ho chspannungsnetzes Von den
in Hochspannungskabel- oder Freileitungsnetzen auftretenden Störungen gehört der
Erdschluß zu den unangenehmsten, Erscheinungen. Während bei Kurzschlüssen oder Doppelerdschlüssen
durch verhältnismäßig einfach aufzubauende Auslöser eine sofortige selektive Abschaltung
erreicht werden kann, sind die Verhältnisse bei einphasigem Erdschluß erheblich
schwieriger. Zumal ein solcher Erdschluß z. B. durch Intermittieren des Fehlerlichtbogens
(Gefahr des zweiphasigen Erdschlusses) zu Störungen größten Ausmaßes führen kann,
ist es von größter Wichtigkeit, den Erdschluß so schnell wie möglich aufzufinden
und die fehlerhafte Stelle abzuschalten.
-
Es sind bereits Geräte bekannt, die es gestatten. erdschlußbehaftete
Strecken ausfindig zu machen.
-
Diese Geräte weisen Richtungsrelais auf, deren Einbau einen erheblichen
Aufwand erfordert. Für die Richtungsmessung wird nämlich die dem jeweiligen Erdschlußstrom
zugeordnete Spannung benötigt, so daß für jeden Kabelabgang drei Spezialstromwandler
in Summenschaltung oder ein höchstwertiger Summen; wandler zusätzlich eingebaut
werden müssen und außerdem die Erdschlußspannung von einem Wandler mit fünf Schenkeln
oder von einer aus drei Einphasenwandlern bestehen4en Wandlergruppe herangeführt
werden Inuß. Der Einbau dieser Wandler erfordert für die allermeisten Schaltzellen
größere Abmessungen und damit höhere Kosten, so daß solche Meldeanlagen sich nur
in großen UmspannwerIten oder in Kraftwerken lohnen. Für kleine Anlagen, wie sie
beispielsweise in städtischen, Mittelspannungsverteilungsnetzen in großer Zahl vorhanden
sind, kann der Einbau wegen der hohen Kosten nicht in Betracht kommen. Gerade in
derartigen Stützpunkten von Versorgungsn.etzen sowie in Netznmspannstellen und Hochspannungsabnehmeranlagen
fehlt bisher die Möglichkeit, schnell und einfach die erdschluB-behafteten Kabelstrecken
mit Sicherheit erfassen zu können.
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zun: Ermitteln eines
erdschlußbehafteten Leitungs- oder Kabelabschuittes eines Wechselstrom-Hochspannungsnetzes,
insbesondere eines in einem Phasenstrang erdschlußbehafteten Abschnittes eines Drehstromnetzes,
durch Prüfen der in den einzelnen Leitungs-oder Kabelabschnitten fließenden, durch
den Erdschluß bedingten Ströme mittels Summenstromwandler. Ihr liegt die Aufgabe
zugrunde, ein Meßverfahren zu schaffen, das es ermöglicht, mit verhältnismäßig billigen
und leicht zu bedienenden Geräten, die gewünschtenfalls leicht und einfach von einer
Meßstelle zur anderen getragen werden können, einen vorhandenen Erdschluß in kurzer
Zeit eingrenzen und feststellen zu können. Während die
bisher bekannten Melde- und
Meßeinrichtungen für die Richtungsmessung außer dem in den Kabeln bzw.
-
Netzteilen fließenden, durch den Erdschluß bedingten Strom auch noch
die Erdschlußspannung benötigen, geht die Erfindung von dem Gedanken aus, daß es
für die Ermittlung der kranken Leitungsstrecke bei einem Erdschluß genügt, lediglich
die in den einzelnen Kabeln fließenden erdschlußbedingten Ströme zu priifen und
in bezug auf ihre Richtung miteinander zu vergleichen. Sie beruht ferner auf der
Erkenntnis, daß für das Vergleichen der Richtungen der in den einzelnen Kabeln fließenden
Ströme eine beliebige frequenzgleiche Spannung benutzt werden kann, die keine teueren
Spezialwandler erfordert.
-
Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, daß an den Knotenpunkten
bzw. Verzweigungsstellen des Netzes die Summenströme der einzelnen Leitungs-oder
Ka,belstrecken in bezug auf ihre gegenseitige Phasenlage nacheinander gemessen werden,
indem die Wandlerspannungen einzeln nacheinander mit der Phasenlage einer einem
beliebigen Niederspannungsnetz gleicher Frequenz entnommenen Spannung verglichen
werden, und daß an den Verzweigungsstellen als Kriterium für den zur Erdschlußstelle
hinführenden Leitungs- bzw. Kabelstrang jene Summenstromrichtung dient, die mit
ihrer Polarität in den Ergebnissen der Vergleichsmessungen nur einmal vorkommt.
Für das Vergleichen der Phasenlagen wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung ein Meßinstrument mit Mittelnullpunkt benutzt
und beim
ersten Vergleich einer Wandlerspannung mit der Niederspannung gleicher Frequenz
eine in die Zuleitungen einer der Spannungen zum Meßinstrument geschaltete Vorrichtung
zum Verändern der Phasenlage dieser Spannung auf günstigen Ausschlag des Meßinstrumentes
eingestelIt und für die Prüfung der weiteren Wandlerspannungen der gleichen Verzweigungsstelle
in dieser Einstellung belassen.
-
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung
des neuen Verfahrens.
-
Da nach dem erfindungsgemäßen Verfahren darauf verzichtet wird, durch
Ermittlung der Erdschlußspannung und der in Phase dazu liegenden Komponente des
erdschlußbedingten Stromes die Richtung des Energieflusses zu bestimmen, wird gemäß
der Erfindung für die Bildung der dem erdschlußbedingten Strom entsprechenden Spannung
ein Ringwandler oberhalb der Anschluß stelle der Erdleitung um den Hals des zu prüfenden
Kabels gelegt. Vorteilhaft wird ein Ringwandler mit einem zurückklappbaren Joch
benutzt, der nacheinander um die Hälse der zu prüfenden Kabel gelegt werden kann.
-
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung können auch kleine erdschlußbedingte
Ströme gut ablesbar erfaßt werden, wenn ein gittergesteuerter Verstärker für die
Wandlerspannung vorgesehen wird, in den eine Vorrichtung zum Andern der Phasenlage
der verstärkten Spannung eingebaut ist. Als besonders empfindliches Meßinstrument
wird vorteilhaft ein Galvanometer benutzt. Bei Verwendung eines Galvanometers werden
die beiden Spannungen je über einen Transformator an einen Modulator angeschlossen
und das Galvanometer mit Mittelnullpunkt zwischen Mittenanzapfungen der Transformatorausgangswicklungen
geschaltet.
-
Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert.
-
Fig. 1 zeigt ein Spannungsdiagramm eines Drehstromnetzes, bei dem
eine Phase einen Erdschluß aufweist; Fig. 2 gibt ein Spannungs-Strom-Diagramm für
die kapazitiven Erdschlußströme wieder; Fig. 3 veranschaulicht einen Kabelanschluß,
bei dem um den Kabelhals ein Ringwandler gelegt ist; Fig. 4 stellt perspektivisch
einen Ringwandler mit zurückklappbarem Joch dar; Fig. 5 zeigt ein Schaltschema eines
mit einem gittergesteuerten Verstärker ausgerüsteten Meßgerätes; Fig. 6 gibt schematisch
einen Teil eines Hochspannungskabelnetzes wieder, bei dem ein Erdschluß vorhanden
ist.
-
Bei Drehstromnetzen stellen die Netzkapazitäten im normalen Betrieb
eine symmetrische Belastung für die Phasen dar. Sobald jedoch in einer Phase ein
Erdschluß auftritt, wird diese Symmetrie gestört. In Fig. 1 ist angenommen, daß
bei der Phase T ein Erdschluß vorhanden ist. Infolgedessen weisen nunmehr die Phasen
R und S gegenüber Erde eine Spannung UER bzw. UES auf, also Spannungen, die in ihrer
Größe der verketteten Phasenspannung entsprechen und zueinander unter einem Phasenwinkel
von nur 600 liegen. Diese beiden Spannungen haben, wie Fig. 2 zeigt, kapazitive
Ströme JcR bzw. Jcs zur Folge. Die beiden Ströme JCR und Jcs fließen von der Speisestelle
aus durch die gesunden Leitungen R und S in die einzelnen Netzteile, sodann über
Erde zu der Erdschlußstelle und von da ans über die kranke Phase T wieder zur Speisestelle.
In der
kranken Phase T fließt daher ein kapazitiver Strom JCO, der die geometrische
Summe der beiden Ströme JCR und Jcs darstellt. Der Strom JCO ist der der Nullspannung
U0 zugeordnete kapazitive Strom.
-
Bei dem in Fig. 6 dargestellten, Hochspannnngskabelnetz sind an eine
Verteilungsstelle I, die zugleich Speisestelle ist, fünf Kabel I, bis I5 angeschlossen.
-
Das Kabel 1, führt zu einer Verzweigungsstelle II, in der außer dem
ankommenden Kabel II1 drei weitere Kabel 112 bis 114 vorhanden sind. Das Kabel 114
führt zu einer weiteren Verzweigungsstelle III, in der es als Kabel 1114 ankommt.
Von den drei weiteren Kabeln IIIi bis 1113 dieser Verteilungsstelle führt das Kabel
1111 zu der Verteilungsstelle IV, in der die einzelnen Kabel in gleicher Weise bezeichnet
sind.
-
Das Kabel 1V3 führt zu einer Abnehmerstelle V, von der aus das Kabel
V2 zu einer weiteren Stelle VI führt, an der das Kabelnetz durch einen Kuppelschalter
mit einer anderen Versorgungsstelle gekuppelt werden kann.
-
In dem Schema der Fig. 6 ist angenommen, daß in dem Verbindungskabel
zwischen den Stellen IV und V ein Erdschluß E in der Phase T vorhanden ist.
-
Unter diesen Umständen fließen in den gesunden Netzleitern R und S
die erwähnten kapazitiven Ströme, die sich auf sämtliche Verzweigungen des Netzes
gleichmäßig verteilen und über Erde bzw. über die Kabelummantelungen zu der Erdschlußstelle
E fließen. Von dieser Stelle aus fließen die beiden kapazitiven SummenströmeJcR
und Jcs durch den kranken Netzleiter T zur Speisestelle zurück; sie bilden hier
den Strom JCO In Fig. 6 ist durch eingetragene Pfeile veranschaulicht, wie die kapazitiven
Ströme im Augenblick des Maximums von Jco in den einzelnen Netzleitern gerichtet
sind.
-
Wie aus dem Schema der Fig. 6 ohne weiteres zu ersehen ist, fließen
in die einzelnen Kabel der Verzweigungsstelle I Ladeströme, deren Stärke sich aus
der Kapazität der an die betreffenden Kabel angeschlossenen Netzteile ergibt. Nur
das Kabel I1 führt außer den Ladeströmen der gesunden Netzleiter auch noch in dem
kranken Leiter T den Gesamtrückstrom sämtlicher Ladeströme. Wird daher ein Ringwandler
nacheinander um die einzelnen Kabelhälse gelegt, so ergibt sich bei dem Kabeln,
ein sehr großer Ausschlag des angeschlossenen Meßinstrumentes, während der Ausschlag
des Instrumentes bei den übrigen Kabeln I2 bis Is nur verhältnismäßig klein ist.
Außerdem aber weisen die von dem Ringwandler gelieferten Spannungen entsprechend
der verschiedenartigen Richtung der erfaßten Ströme bei dem Kabel I1 einerseits
und den Kabeln 12 bis I5 andererseits zueinander entgegengesetzte Phasenlage auf.
Durch Feststellung der unterschiedlichen Stromrichtung ergibt sich nach dem Verfahren
gemäß der Erfindung, daß das Kabeln, zu der Erdschlußstelle hinführt.
-
Entsprechend liegen auch die Verhältnisse in der Verteilungsstelle
II. Auch hier ergeben sich verschieden große Ausschläge des Meßinstrumentes für
die verschiedenen Kabel, wobei die Kabel II1 und 114 große Ausschläge und die Kabel
112 und 113 kleine Ausschläge liefern. Auch hier weist ein Kabel, nämlich das Kabel
114, eine zu den Strömen der übrigen Kabel entgegengesetzte Richtung des Wandlerstromes
auf, so daß durch Ermittlung dieses Richtungsunterschiedes festgestellt werden kann,
daß das Kabel 114 zu der Erdschlußstelle hinführt.
-
Bei der Prüfung der Kabel der Verzweigungsstelle III ergibt sich
für das Kabel III1 eine zu den übrigen
Kabeln dieser Verzweigungsstelle
entgegengesetzte Stromrichtung, so daß auch hier festgestellt werden kann, daß das
Kabel III, zu der Erdschlußstelle hinführt. Entsprechend liefert die Prüfung der
Kabel in der Abzweigstelle IV das Ergebnis, daß das Kabel JV3 zu der Erdschlußstelle
E hinführt.
-
In jeder der Verteilungsstellen I bis IV ergab sich für das zur Erdschlußstefle
E binführende Kabel jeweils ein besonders großer Ausschlag des Meßinstrumentes.
Wird nun in der Verteilungsstelle V eine Prüfung der beiden Kabel V1 und V2 vorgenommen,
so tritt am Meßinstrument nur ein äußerst kleiner Ausschlag ein, da nur die Ladeströme
der gesunden Leiter R und S, die der Kapazität der von der Station V zur Kuppelstelle
VI führenden Leitungsstrecke entsprechen, von dem Ringwandler erfaßt werden. Aus
der Tatsache, daß hier kein Kabel mit großer Stromstärke feststellbar ist, ergibt
sich, daß die Abnehmeranlage V bereits hinter dem Erdschluß E liegt. Falls der Erdschluß
E nicht zwischen den Stationen IV und V, sonrdern in dem zu der Kuppelstelle VI
führenden Kabel vorhanden wäre, würde sich beim Prüfen der Kabel in der Abnehmeranlage
V ergeben, daß beide Kabel einen großen Ausschlag des Meßinstrumentes liefern, wobei
die Stromrichtung jedoch bei beiden Kabeln verschieden ist.
-
Aus dieser Tatsache könnte dann gefolgert werden, daß die Erdschlußstelle
in dlem von der Station V weiterführenden Kabel liegt.
-
Wie das erläuterte Beispiel des Kabelnetzes nach Fig. 6 zeigt, kann
dadurch, daß die in den einzelnen Kabeln fließenden erdschlußbedingten Ströme in
bezug auf ihre Phasenlage zueinander geprüft werden, mit Sicherheit die mit dem
Erdschluß behaftete Leitungsstrecke ermittelt werden. Die Lage des Erdschlusses
in dem ermittelten Kabel kann sodann durch bekannte Meßverfahren auf 1 bis 2 m genau
festgestellt werden, so daß die erforderlichen Aufgrabungen nur an der Fehlerstelle
selbst vorgenommen zu werden brauchen.
-
Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung können für
die einzelnen Kabelanschlüsse Ringwandler, die keinen zusätzlichen Platz erfordern,
fest eingebaut werden. In Fig. 3 ist ein solcher Ringwandler bei einem Kabelendverschluß
schematisch dargestellt. Vorteilhafter ist es jedoch, einen Ringwandler mit zurückklappbarem
Joch zu verwenden, der dann als einziger Wandler nacheinander um die Hälse der verschiedenen
Kabel gelegt werden kann.
-
Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Wandlers ist in Fig. 4 dargestellt.
Auf einem Rohr 1 aus Isoliermaterial, von dem Fig. 4 nur den oberen Teil zeigt,
ist ein Ringwandler 2 befestigt, der ein zurückklappbares Joch 3 aufweist. Durch
ein nicht dargestelltes Gestänge. das in dem Rohr 1 angeordnet ist, kann das Joch
3 mittels eines Lenkers 4 herunter in seine Arbeitslage oder aufwärts geklappt werden.
Durch das Rohr 1 können auch die Anschlußleitungen für die Wandlerspulen hindurchgeführt
sein, die zweckmäßig zu Kontakten einer Steckvorrichtung geführt sind.
-
Ein solcher Wandler kann zusammen mit einem trag-I,aren Meßgerät leicht
und bequem zu den verschiedenen Netzknotenpunkten bzw. Verteilungsstellen mitgenommen
werden, um unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung die den Erdschluß aufweisende
Leitungsstrecke zu ermitteln.
-
Die Schaltung eines tragbaren Meßgerätes nach der Erfindung ist in
Fig. 5 dargestellt. Die Leitungen des Ringwandlers nach Fig. 4 werden an einen beispielsweise
aus drei Widerständen bestehenden Spannungs-
teiler 5 angeschlossen, der dazu dient,
eine mittels eines Umschalters 6 wählbare Gitterspannung auf die Röhre 7 des Verstärkers
zu geben. Der Anodenstrom der Röhre 7 steuert über einen Transformator 8 die Gitterspa,nnung
einer zweiten Verstärkerröhre 9. Dabei ist zwischen den Transformator 8 und das
Gitter dieser Röhre eine Phasendrehvorrichtung 10 geschaltet, die in bekannter Weise
aus zwei Kondensatoren und zwei gemeinsam verstellbaren Regelwiderständen besteht.
Der Anodenstrom für die Verstärkerröhren 7 und 9 wird von einem Vollweggleichrichter
11 geliefert, der an die eine Sekundärwicklung eines Transformators 12 angeschlossen
ist. Die Primärwicklung des Transformators 12 kann mittels Steckkontakte an eine
beliebige Niederspannungssteckdose angeschlossen werden.
-
Die durch die Röhren 7 und 9 verstärkte und mittels der Phasen,drehrichtung
10 in ihrer Phasenlage veränderte Wandlerspannung wird über einen Transformator
13 auf einen Modulatorl4 gegeben, der in bekannter Weise aus Gleichrichtern besteht.
Diesem Modulator wird ferner eine zu der Wandlerspannung frequenzgleiche Wechselspannung
zugeführt, die von der zweiten Sekundärwicklung des Transformators 12 geliefert
wird. Mittels eines doppelpoligen Umschalters 15 kann dilese Spannung wahlweise
umgekehrt werden. Die beiden an den Modulator 14 angeschlossenen Wicklungen der
Transformatoren 12 und 13 weisen Mittenanzapfungen auf, an die ein hochempfindliches
Galvanometer 16 angeschloss,en ist, dessen Skala den Nullpunkt in der Mitte aufweist.
-
Der Modulator 14 wirkt in bekannter Weise so, daß sich dann, wenn
die beiden ihm zugeführten Spannungen eine Phasenverschiebung von 900 zueinander
aufweisen, am Galvanometer 16 kein Ausschlag ergibt. Soll nun der Erdschlußstrom
eines Kabels geprüft werden, so wird der Ringwandler nach Fig. 4 um den Hals des
betreffenden Kabels gelegt und sodann mittels des Umschalters 15 und der Phasendrehvorrichtung
10 die Meßvorrichtung so eingestellt, daß sich ein möglichst großer Ausschlag des
Galvanometers 16 ergibt. Sodann wird der Ringwandler um den Hals des nächsten zu
prüfenden Kabels gelegt.
-
Der Schalter 15 und die Phasendrehvorrichtung 10 bleiben in der vorher
als günstig ermittelten Lage eingestellt. Durch Ablesung des Galvanometers 16 kann
nun sofort festgestellt werden, ob der Erdschluß strom des zweiten Kabels gleiche
oder entgegengesetzte Richtung zu dem Erdschlußstrom des ersten Kabels hat und ob
dieser Strom eine größere oder kleinere Stärke hat. In gleicher Weise kann auch
die Richtung und Stärke der in den weiteren Kabeln fließenden Erdschlußströme festgestellt
werden. Beim Anlegen des Ringwandlers nach Fig. 4 muß natürlich darauf geachtet
werden, daß dieser die Hälse der zü prüfenden Kabel stets in gleicher Weise umschließt.
-
Die Durchführung der Erfindung ist keineswegs auf die Verwendung
eines Ringwandlers mit zurückklappbarem Joch und eines tragbaren Meßgerätes beschränkt.
Die Vorteile der Erfindung werden nämlich in gleicher Weise auch erzielt, wenn bei
einer Netzverzweigungsstelle eine Meßeinrichtung und für jedes Kabel ein Ringwandler
fest eingebaut wird. Dieser Einbau empfiehlt sich in größeren Schaltanlagen, in
denen meistens bereits summarische Erdschlußmelderelais vorhanden sind. Da in solchen
Fällen auch die Erdschlußspannung U0 zur Verfügung steht, kann auf die Phasendrehvorrichtung
in dem Meßgerät verzichtet werden, wenn dii Spannung U0 für den Vergleich der Phasenlagen
benutzt wird.
-
Beim Ansprechen eines Erdschlußmelderelais wird bei einer solchen
Anlage dann automatisch ein Drehwähler in Betrieb gesetzt, der die einzelnen Ringwandler
nacheinander abtastet. Ein in den Galvanometerkreis zusätzlich eingeschaltetes polarisiertes
Relais spricht in diesem Falle bei Umkehrung der Stromrichtung, wie sie eintritt,
wenn der Ringwandler des zur Erdschlußstelle führenden Kabels abgetastet wird, an
und schaltet iiber ein Hilfsrelais eine Anzeigevorrichtung, z. B. ein Leuchtfeld
ein, das dem betreffenden Kabel zugeordnet ist. Es kann dann sofort der Name oder
die Nummer des betreffenden Kabels abgelesen werden. Die Anzeigen mehrerer solcher
Stationen können gewünschtenfalls durch Fernübertragung an einer zentralen Stelle
sichtbar gemacht werden und so sofort einen Überblick iiber die ungefähre Lage des
Erdschlusses geben.
-
In Umspannstationen mit Kabeln verschieden hoher Spannung kann eine
einzige Meßeinrichtung für sämtliche Kabel der Station benutzt werden. Beim Ansprechen
irgendeines Erdschluß relais läuft dann der Wähler der Meßeinrichtung über seine
gesamte Kontaktbahn und geht wieder in die Ausgangsstellung zurück. Dabei werden
sämtliche Kabel der verschiedenen Netze nacheinander überprüft, und es bleibt schließlich
das Leuchtfeld des erdschlußbehafteten Kabels eingeschaltet, bis die fehlerhafte
Leitung abgeschaltet wird. Wenn in einem zweiten System ein Erdschluß auftritt,
beginnt der Wähler erneut anzulaufen, um auch diesen zweiten Erdschluß bzw. das
zu ihm führende Kabel festzustellen. Der selbsttätig ablaufende Prüfvorgang dauert
jeweils nur wenige Sekunden, so daß unmittelbar nach dem Ansprechen des Erdschlußmelderelais
bereits angezeigt wird, welches der zahlreichen abgehenden Kabel zu dem kranken
Netzteil hinführt.
-
Das Verfahren nach der Erfindung und die ortsfest eingebauten und
die tragbaren Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens ermöglichen es, einen
Erdschluß sehr schnell und zuverlässig einzugrenzen und so nur die fehlerhafte Strecke
abzuschalten, so daß Störungen durch Abschaltung auf einen nur kleinen Netzteil
beschränkt werden können. Das Verfahren ist sowohl bei Strahlen- als auch bei Maschennetzen
anwendbar.