DE19732103C2

DE19732103C2 - Verfahren zur Anzeige der Richtung von Erdschlußströmen und Kurzschlüssen in Mittelspannungsnetzen

Info

Publication number: DE19732103C2
Application number: DE19732103A
Authority: DE
Inventors: Hans Ludwig Schuck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2017-07-26
Also published as: DE19732103A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anzeige der Richtung eines Erdschlußstromes in Mittelspannungs- Drehstromnetzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Da Kurzschlüsse in der Regel als Erdschlüsse beginnen, wird indirekt auch die Richtung eines Kurzschlusses angezeigt. Das Verfahren benötigt weder herkömmliche Strom- noch Spannungswandler und kann deshalb auch in Netzstationen eingesetzt werden. Erdschlußströme treten in Netzen mit hochohmig geerdeten Sternpunkt auf, wenn die Isolation eines Leiters gegen geerdete Teile durchbrochen wurde. Dabei handelt es sich um Ableitströme der Isolation der gesunden Leiter, die im Erdschlußfall über die Fehlerstelle zur Klemme des speisenden Umspanners zurückfließen., weil diese Ströme - im Gegensatz zum ungestörten Betrieb - nicht mehr symmetrisch sind. Sie sind überwiegend kapazitiv mit einem relativ kleinen ohmschen Anteil.

Für die selektive Anzeige von Isolationsfehlern in Netzen mit zweiseitig gespeisten Leitungen genügt nicht die Feststellung eines Erd- oder Kurzschlußstromes. Erst die Anzeige der Stromrichtung läßt sie als fehlerhafte Leitung erkennen. Eine besondere Problematik ist in erdschlußkompensierten Netzen gegeben, wo der kapazitive Erdschlußstrom von dem etwa gleichgroßen induktiven Strom einer Erdschlußspule kompensiert wird und deshalb nur ein Reststrom für eine Richtungserkennung zur Verfügung steht. Eine andere Problematik besteht darin, daß für eine Selektion der erdschlußbetroffenen Leitung eine Anzeige an ihren beiden Enden erfolgen muß. In den meisten Fällen ist aber mindestens eine Seite eine Netzstation, in der Mittelspannungs- Strom- und Spannungswandler in der Regel nicht zur Verfügung stehen.

Bekannt sind Meßverfahren für eine Erdschluß-Richtungsanzeige, die Strom- und Spannungswandler benötigen. Zu erwähnen sind in diesem Zusammenhang wattmetrische Erdschlußrichtungsrelais und die Anforderungen an die hierfür einzusetzenden Strom- und Spannungswandler nach einem Aufsatz von H. Kraeft: "Strom und Spannungswandler für die Erdschlußortung" (Elektroanzeiger 74, 27. Jg. Heft 3, S. 39- 44). Sie messen die Wattleistung als Produkt aus der geometrischen Summe der drei Leiterströme und der Verlagerungsspannung. Nachteilig ist bei den bekannten Verfahren, daß der Strom und die Spannungen auch amplitudengetreu umgewandelt werden müssen und deshalb herkömmliche Strom- und Spannungswandler benötigt werden. Damit wird das Verfahren so aufwendig, daß es in Netzstationen nicht eingesetzt wird.

Bei dem am häufigsten angewendeten Verfahren wird die betroffene Leitung durch Um- oder Abschaltungen ermittelt. Diese erfordern viel Zeit und belasten bei jeder Schalthandlung das Netz mit transienten Überspannungen, sodaß es sehr oft zu Kurz- oder Doppelerdschlüssen kommt.

Dadurch wird das Ziel einer planmäßigen Abschaltung ohne Unterbrechung der Versorgung oft nicht erreicht. Ziel der Erfindung ist, die Richtung eines Erdschlusses ohne Verwendung von herkömmlichen Strom- und Spannungswandlern anzuzeigen, damit auch eine Anzeige in Netzstationen erfolgen kann. Dann sind Schalthandlungen zur Lokalisierung der fehlerhaften Leitung nicht mehr erforderlich.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, bei dem der Phasenwinkel des Erdschlußstromes eines Leitungsabgangs mit den 3 Phasenwinkeln der Spannungen des örtlichen Niederspannungsnetzes in eine Beziehung gesetzt wird. Dies geschieht durch einen Zeitvergleich der Nulldurchgänge der sinusförmigen Strom- und Spannungsverläufe mit einem elektro nischen Gerät, dem ein winkelgetreues 50 Hz-Signal des Erdschlußstromes und 3 Span nungen des örtlichen Niederspannungsnetzes zugeführt werden. Die Erdschlußströme in Hin- und Rückrichtung differieren um 180 Winkelgrade, die 3 Phasenspannungen dagegen um jeweils 120 Grad. Deshalb haben die Ströme in Hin-Richtung eine andere Winkelbeziehung zu den Spannungen als die in Rückrichtung. Dieser Umstand erlaubt die Feststellung der Stromrichtung ohne Messung einer Amplitude.

Ein besonderes Merkmal des Verfahrens ist, daß der Strom mit allen 3 Spannungen verglichen wird. Die Erdschlußströme der in 3 Leitern möglichen Erdschlüsse sind - wie die 3 Spannun gen - um jeweils 120 Grad versetzt und haben deshalb zu den Spannungen die gleiche Winkelbeziehung. Eine Zuordnung bestimmter Ströme zu bestimmten Spannungen erfolgt nicht, die Drehrichtung des Anschlusses ist jedoch zu beachten. Im folgenden wird von rechtsdrehenden Spannungszeigern ausgegangen.

Die Erfindung wird anhand von Bildern und Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Gerätes,

Fig. 2 Zeigerdiagramme zur Auswahl zwecks Optimierung der Winkellage,

Fig. 3 das Vektorbild im Erdschlußfall,

Fig. 4 der dazugehörige Verlauf der Strom und Spannungskurven.

Fig. 1: Das Gerät besteht aus einem Umbaugeber 1 für das Stromsignal und einer Elektronik 2. Der Umbaugeber besteht im Wesentlichen aus einem ringförmigen Eisenjoch, das um die 3 Leiter im Endverschlußbereich eines Kabels 3 gelegt wird. In ihm pulsiert das magnetische Feld des als Unsymmetrie- oder Summenstrom auftretenden Erdschluß-(rest)stroms. Der Umbaugeber wandelt diesen Magnetfluß durch Induktion in ein winkelgetreues elektrisches 50 Hz-Stromsignal, das einem Impulsgeber 4 zugeführt wird. Andere Impulsgeber 5 und 5a haben einen Drehstromanschluß an das örtliche Niederspannungsnetz 6. Beim Nulldurchgang des transienten Verlaufs dieser 3 Spannungen und des Stromsignals wird jeweils ein elektrischer Impuls erzeugt, der wahlweise entweder als Steuer- oder als Signalimpuls einem Schaltkreis 7 und 7a zugeführt wird. In der Darstellung wird angenommen, daß zwecks Impulserzeugung eine Eiweggleichrichtung der Wechselströme vorgenommen wird. Die Steuerimpulse des Stromsignals oder die 3 Steuerimpulse der Spannungen initiieren in dem Schaltkreis die Öffnung eines bzw. dreier Zeitfenster mit einer bestimmten Länge von z. B. 4 Millisekunden. Die Signalimpulse der jeweils anderen Größe(n) passieren den Schaltkreis, wenn sie während der Öffnung eines Zeitfensters eintreffen. Sie bilden dann ein mit 50 Hz pulsierendes Gleichstrom signal, das das Vorliegen einer positiven Stromrichtung indiziert 8. Findet keiner der Impulse ein Zeitfenster, entsteht auch kein Gleichstromsignal, d. h. es liegt keine positive Stromrichtung vor. Bei den Nulldurchgängen kann grundsätzlich und einheitlich zwischen dem in positiver oder dem in negativer Richtung gewählt werden. Im folgenden wird von einem Nulldurchgang in positiver Richtung ausgegangen. Winkelfehler des Umbaugebers können durch Unterlagerung des 50 Hz-Stromsignals mit einem Gleichstromglied 9 korrigiert werden, weil dadurch seine Sinuskurve gegenüber der Nulllinie der Spannungen gehoben oder gesenkt wird. Damit erfolgt eine Zeitverschiebung des schräg verlaufenden Nulldurchgangs. Ist der Winkelfehler amplitudenabhängig, soll auch das Gleichstromglied von der Amplitude gesteuert bzw. aus ihr gebildet werden. Diese Methode kann auch zur Feinabstimmung der Lage eines Nulldurchgangs eingesetzt werden.

In der Praxis treten bei Erdschlußeintritt und verschiedenen anderen Anlässen höherfrequente Einschwingvorgänge auf, deren Unsymmetriestrom eliminiert werden muß. Deshalb soll das 50 Hz-Stromsignal einen Tiefpaßfilter 10 passieren bzw. erst bei Erkennen eines 50 Hz-Vorgangs ausgewertet werden. Verformungen der Sinuskurven durch die üblicherweise auftretenden Oberwellen sind unkritisch, weil die Kurven nur im engeren Bereich der Nulllinie ausgewertet werden.

Fig. 2: Um für alle vorkommenden Phasenwinkel der Erdschlußströme den erfindungsgemäßen Winkelvergleich mit der Spannung durchführen zu können, muß die Lage der Spannungszeiger in der Weise optimiert werden, daß das Zeitfenster und sein Abstand zu den zu sperrenden Signalimpulsen bei Stromrückrichtung möglichst groß ist. Die sechs Leiter und Leiter- Leiterspannungen des Niederspannungsnetzes ermöglichen die Wahl zwischen 4 Zeiger diagrammen. Daraus ergeben sich Einstellmöglichkeiten für die Spannungszeiger in 30 Grad- Schritten. Bild 1 stellt die übliche Schaltgruppe Dy 5 des Netztransformators dar, der lange Zeiger Ic den bezogenen Winkel eines kapazitiven Erdschlußstromes.

Ein weiterer Optimierungsschritt ist die Wahl, ob die Steuerimpulse für das Zeitfenster von den Nulldurchgängen der Spannungen oder dem des Stromsignals erzeugt werden.

Fig. 3: Im Zeigerdiagramm verlaufen die Stromvektoren I_E aller Erdschlüsse zwischen zwei parallelen Geraden. Die Gerade 11 stellt den unkompensierten Erdschlußstrom dar, die andere 12 verläuft hierzu im Abstand des Vektors für den Wattreststrom I_R 13. Die Zeiger der möglichen Erdschlußströme bewegen sich in den Segmenten 14, 15 und 16. Das Segment 14 schließt den Bereich der Überkompensation von +ΔI_E < 0,8 × I_R bei erdschlußkompensierten Netzen, das Segment 15 den Bereich der Unterkompensation von -ΔI_E < 0,58 × I_R bei erdschlußkompensierten Netzen und solchen mit isolierten Sternpunkt ein. Das Segment 16 füllt die Lücke zwischen den Segmenten 14 und 15 im Bereich der genauen Spulenabstimmung von -ΔI_E = 0,42 × I_R bis +ΔI_E = 0,68 × I_R. Als Ergebnis einer Optimierung wird das Zeitfenster 17 durch das Stromsignal geöffnet. Für die Segmente 14 und 15 wird das Zeigerdiagramm Bild 2 (Fig. 2) 18, für das Segment 16 das Zeigerdiagramm Bild 1 19 gewählt. Die Segmente stellen auch eine Mindestgröße für das Zeitfensters dar. Die Zeiger bewegen sich im Bereich von etwa 60 Winkelgraden, wobei stets ein Spannungszeiger im Bereich des Zeitfensters bleibt. Das bedeutet, daß der Signalimpuls dieser Spannung das Signal für eine positive Stromrichtung bildet. Die Segmente der Erdschlußströme in der Gegenrichtung 20 sind um 180 Grad gedreht. Da sich kein Spannungszeiger darin befindet, wird auch kein Signal für eine positive Stromrichtung gebildet. Die Länge des Zeitfensters wird so gewählt, daß der Spannungszeiger bei positiver Stromrichtung sicher darin, bei negativer Stromrichtung sicher außerhalb liegt. Im vorliegenden Fall beträgt die Länge 4 Millisekunden ~72 Winkelgrade.

Fig. 4: Im Kurvendiagramm sind die Spannungskurven des Zeigerdiagramms Bild 2 18 und der Stromzeiger in Hin- und Rückrichtung 21 und 22 (Fig. 3) dargestellt. Sie entsprechen der Einstellung der Erdschlußspule gemäß der technischen Empfehlung für eine leichte Überkompensation bei erdschlußkompensierten Netzen. Beim Nulldurchgang der Stromkurven 23 und 24 wird das Zeitfenster 17 für 4 Millisekunden geöffnet. Die Nulldurchgänge der Spannungskurven 25 erzeugen Signalimpulse 26 und 27, von denen in jeder Periode einer 27 das Zeitfenster passiert und damit ein Gleichstromsignal im 50 Hz-Takt bildet. Alle anderen Signalimpulse 26 und besonders die der Strom-Gegenrichtung (24) finden kein Zeitfenster und bilden deshalb auch kein Signal.

Wenn die Anzeige möglichst schnell erfolgen soll, um auch die Richtung eines gleich darauf folgenden Kurzschlusses anzuzeigen, kann bereits der 1. oder 2. Signalimpuls, der das Zeitfenster passiert, eine Anzeige bewirken.

Claims

1. Verfahren zur Anzeige der Richtung von Erdschlußströmen in Mittelspannungs- Drehstromnetzen, bei dem der Erdschlußstrom mit einem ein ringförmiges Eisenjoch aufwei senden Umbauwandler erfaßt wird, gekennzeichnet dadurch,
daß der Umbauwandler ein winkelgetreues 50 Hz-Signal des Erdschlußstromes erzeugt,
daß mittels eines Vergleichs der Phasenwinkel von Erdschlußstrom und Spannung die Erd schlußrichtung festgestellt wird dadurch,
daß für den Vergleich die örtlichen Spannungen des Niederspannungsnetzes ver wendet werden,
daß die Spannungen des örtlichen Niederspannungsnetzes in ihrem Nulldurchgang einen positiven Impuls mittels eines Impulsgebers erzeugen,
daß das winkelgetreue Signal des Erdschlußsstromes in seinem Nulldurchgang einen positiven Impuls mittels eines Impulsgebers erzeugt,
daß entweder die Impulse, die aus den Spannungen erzeugt werden oder die Impul se, die aus dem Signal des Erdschlußstromes erzeugt werden, mittels eines Schalt kreises ein Zeitfenster von etwa 4 ms Dauer öffnen,
daß, falls die Impulse die von der anderen elektrischen Größe erzeugt werden, als die Impulse die das Zeitfenster öffnen, in das Zeitfenster fallen, diese positiven Impulse ein mit 50 Hz pulsierendes Gleichstromsignal bilden, das eine positive Erdschluß stromrichtung anzeigt
und falls keine Impulse in das Zeitfenster fallen, die negative Erdschlußstromrichtung vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenwinkel der Spannungen des örtlichen Niederspannungsnetzes in 30-Grad- Schritten eingestellt werden können.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Winkelkorrektur des 50 Hz-Signals des Erdschlußstromes durch eine Gleichstrom unterlagerung vorgenommen werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß auch die Richtung von Kurzschlüssen angezeigt wird, die sich aus einem Erdschluß entwickelt haben.