DE19757573A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Anzeigen der Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechselspannungsnetzen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Anzeigen der Richtung eines Energieflusses in elektrischen WechselspannungsnetzenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anzei
gen der Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wech
selspannungsnetzen, insbesondere in Mittelspannungsnetzen mit
Ring- oder Parallelstruktur, bei dem der Strom eines Netzlei
ters induktiv abgegriffen wird, bei dem die Spannung dessel
ben Netzleiters kapazitiv abgegriffen wird, bei dem eine Aus
wertung der Phasenlagen des Leiterstroms und der Leiterspan
nung durchgeführt wird und dementsprechend Richtungsanzeiger
beaufschlagt werden.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-A-31 26 045 be
kannt. Für die Auswertung der Phasenlagen des Leiterstroms
und der Leiterspannung wird eine IC-Schaltung eingesetzt.
Diese besitzt ein Gatter, an das der Sensor für die Spannung
des Netzleiters angeschlossen ist. Das Gatter ist mit einem
Oszillator beaufschlagt, der bei eingeschaltetem Netz von der
Netzfrequenz synchronisiert wird. Der Oszillator liefert ein
Rechtecksignal, dessen Phase der Phasenlage der gemessenen
Spannung entspricht, so daß dieses Rechtecksignal zur Dedek
tion der Energierichtung im Kurzschlußfall herangezogen wer
den kann. Die Phase des ermittelten Rechtecksignals ent
spricht jedoch lediglich der Phasenlage der gemessenen Span
nung, ist dieser also nicht gleich. Das resultiert aus der
Ausbildung des Sensors und dessen Beschaltung bis zum Gatter.
Des weiteren ist das Verfahren nur abhängig von der Netzfre
quenz durchzuführen, so daß für unterschiedliche Netzfrequen
zen Geräte mit unterschiedlichen Auslegungen verwendet werden
müssen. Auf dem Leiter sind transiente Vorgänge vorhanden,
ausgelöst zum Beispiel durch Schaltungen oder Lastschwankun
gen im Netz. Diese transienten Vorgänge bzw. die ihnen
entsprechenden Strom- und Spannungsschwankungen klingen nach
vorbestimmbarer Zeit ab. In einem Kurzschlußfall steht nun
die Synchronisierung durch die Netzfrequenz wegen des Zusam
menbruchs der Spannung nicht mehr zur Verfügung, so daß auf
der Basis eines möglicherweise fehlerhaft ermittelten Recht
ecksignals bzw. einer möglicherweise fehlerhaft ermittelten
Phase weitergerechnet werden muß. Es kann zu erheblichen
Berechnungsfehlern kommen, die eine zuverlässige Richtungs
anzeige nicht mehr gestatten.
Die Bestimmung der Richtung eines Energieflusses in
elektrischen Wechselspannungsnetzen, insbesondere in Ring- oder
Parallelnetzen beruht darauf, daß Strom und Spannung
phasenverschoben verlaufen können. Definitionsgemäß verlaufen
sie im Generator gegenphasig und im Verbraucher gleichphasig.
Bei mehreren Generatoren und/oder Verbrauchern kann sich die
Situation ergeben, daß die Energie je nach Einspeisung durch
die Generatoren und je nach Belastung durch die Verbraucher
an einer bestimmten Stelle des Netzes in die eine Richtung
oder in die andere Richtung fließt. Wechselt die Belastung
durch die Verbraucher und/oder die Einspeisung durch die Ge
neratoren, so kann an einer bestimmten Stelle eine Richtungs
umkehr des Energieflusses erfolgen. Das ist besonders dann
möglich, wenn ein Kurzschluß auftritt, der den Stromfluß do
miniert und die Netzspannung zusammenbrechen lassen kann.
Eine weitere Rolle bei der Bestimmung der Richtung eines
Energieflusses im Netz spielt die Art der Belastung eines Ge
nerators durch den Verbraucher und/oder durch das Netz
selbst. Bei ohmscher Belastung erfolgt keine Phasenverschie
bung zwischen der Spannung und dem Strom. Bei induktiver Be
lastung, also bei Belastung durch eine Spule, eilt der Strom
der Spannung nach und es ergibt sich eine entsprechende nach
eilende Phasenlage. Bei einer kapazitiven Belastung des Gene
rators, zum Beispiel durch einen Kondensator, eilt der Strom
der Spannung voraus und es ergibt sich eine entsprechend vor
eilende Phasenlage. Derartige Phasenverschiebungen betragen
maximal 90 Winkelgrad. In der Praxis stellt sich jedoch in
folge gemischter Belastungen kaum eine Phasenverschiebung von
mehr als 60 Winkelgrad ein, so daß für eine Halbperiode ein
auswertbarer Bereich von ca. 60 Winkelgrad verbleibt. In die
sem Bereich ist eine Messung der Phasenlagen von Strom und
Spannung möglich. Es ist dies insbesondere der Maximums
bereich der Sinusform. Mißt man die Phasenlage des Stroms im
Augenblick der höchsten Spannung, also ca. 90 Winkelgrad nach
ihrem Nulldurchgang, so ergibt sich sowohl für einen Strom
infolge kapazitiver Last, wie auch für einen Strom infolge
induktiver Last jeweils ein positiver Wert oder ein negativer
Wert. Der Fall, daß ein Strom bei kapazitiver Last einen
positiven Wert hat und der Strom einer induktiven Last einen
negativen Wert, tritt nicht auf, wie auch umgekehrt nicht. Es
kann daher durch Messung der Phasenlage des Stroms an der
Meßstelle mit Bezug zur Phasenlage der Spannung an der Meß
stelle festgestellt werden, daß die Stromwerte unabhängig von
ihrer Phasenlage zur Spannung entweder im positiven Bereich
oder im negativen Bereich liegen. Im ersten Fall fließt die
Energie nach "links", im zweiten Fall nach "rechts". Bei
Gleichphasigkeit von Strom und Spannung ergibt sich also eine
Anzeige "links", bei Gegenphasigkeit eine Anzeige "rechts".
Dem bekanten Verfahren gegenüber liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, dieses so zu verbessern, daß die Art der
Ankopplung des kapazitiven Abgriffs keinen Einfluß auf das
Meßergebnis hat und insbesondere nicht frequenzabhängig ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Auswertung
der Phasenlagen mit einem oszillatorgesteuerten Zähler eines
Rechners erfolgt, der die Periodendauer und die Dauer positi
ver Spannungseingangspulse ermittelt, die mit der Leiterspan
nung im Rechner erzeugt werden, der dementsprechend den tat
sächlichen Nulldurchgang berechnet, der der Phasenlagenaus
wertung zugrunde gelegt wird.
Die Erfindung geht davon aus, daß die kapazitive Erfas
sung der Spannung zu einem Ergebnis führt, bei dem die ermit
telte Größe nicht genau dieselbe Phasenlage haben kann, wie
die abgegriffene Spannung. Die dem kapazitiven Abgriff die
nende Elektrode bildet mit der übrigen Schaltung des einge
setzten Geräts eine Kapazität Ci. Es besteht eine Kapazität Ca
zwischen dem überwachten Leiter und der Elektronik sowie eine
Kapazität Ce der Elektrode gegen Erdpotential. Die vorge
nannten Kapazitäten bilden einen kapazitiven Spannungsteiler,
der aus der Serienschaltung dieser drei Kapazitäten gebildet
wird. Die Wirkung des Spannungsteilers ist von der Bauform
des Geräts und von den örtlichen Gegebenheiten abhängig, so
daß am Spannungseingang des Meßgeräts nicht immer die gleiche
Spannungsamplitude wirksam ist. Infolge dessen werden von dem
Rechner bzw. einer sensorgekoppelten Auswertungseinrichtung
des Rechners Spannungseingangsimpulse erzeugt, also Recht
ecksignale, die die sinusförmige Spannung des Leiters nach
bilden. Die Frequenz der Spannungseingangsimpulse entspricht
exakt der Netzfrequenz. Ein Spannungseingangsimpuls ist
jedoch nicht symmetrisch, das heißt die Dauer des positiven
Spannungseingangsimpulses ist kürzer, als die Zeit zwischen
zwei Pulsen. Außerdem wird die Kapazität Ci noch durch den
Eingangswiderstand des Spannungseingangs des Rechners bela
stet, so daß der vorgenannte Spannungsteiler nicht mehr als
rein kapazitiv zu betrachten ist. Infolge dessen ist der Pha
senwinkel zwischen der Leiterspannung und dem Spannungsein
gangspuls, auch wegen der nicht reproduzierbaren Kapazitäten
Ce und Ca, stark vom Einsatzort des Geräts abhängig. Mit Hilfe
eines oszillatorgesteuerten Zählers vermag der Rechner je
doch die Dauer eines positiven Spannungseingangspulses zu
ermitteln, wie auch die Periodendauer, zum Beispiel anhand
des Zeitabstandes zwischen den Anstiegsflanken zweier aufein
ander folgender Spannungseingangspulse. Mit Hilfe dieser
Größen ist der Rechner in der Lage, den tatsächlichen Null
durchgang zu berechnen, der dann der Phasenlagenauswertung
zugrunde gelegt wird. Die Berechnung des Phasenwinkels zwi
schen der Leiterspannung und dem aufgrund der Meßschaltung
phasenverschobenen Spannungseingangspuls ermöglicht also eine
exakte Berechnung des tatsächlichen Nulldurchgangs und damit
der exakten Phasenlage der Leiterspannung. Diese berechnete
Phasenlage kann dann der Auswertung der Phasenlagen der Lei
terspannung und des Leiterstroms zugrunde gelegt werden. Da
bei versteht es sich, daß statt der Berechnung des Nulldurch
gangs auch eine Berechnung eines anderen kennzeichnenden
Punkts im Verlauf einer Schwingungsperiode der Spannung er
folgen kann, beispielsweise des Maximums. Die Genauigkeit der
Berechnung hängt jeweils nur von der Oszillatorfrequenz und
der Frequenzgenauigkeit ab. Als Oszillatoren zur Steuerung
des Zählers können Schwingquarze eingesetzt werden, so daß
die Zeitmessung mit einer hohen Auflösung und großer Genau
igkeit durchzuführen ist. Der Zähler ist unabhängig von ande
ren Aktivitäten des Geräts. Er kann für jede Schwingungsperi
ode neu geladen werden, so daß auf diese Weise eine ständige
Synchronisation des Meßergebnisses mit der Netzfrequenz er
folgt.
Zur Berechnung des Nulldurchgangs kann so verfahren wer
den, daß der tatsächliche Nulldurchgang unter Berücksichti
gung der Zeitdifferenz berechnet wird, die sich aus der Dauer
eines Spannungseingangsimpulses und einer Periodendauer nach
folgender Beziehung ergibt:
TOFF = 1/2 (1/2 tper - tn)
Die vorbeschriebenen Verfahren setzen voraus, daß die
Leiterspannung für eine Auswertung stets vorhanden ist. Unter
dieser Voraussetzung lassen sich die vorbeschriebenen Verfah
ren dazu benutzen, die Anzeige der Richtung des Energieflus
ses auch im Normalbetrieb des Netzes anzuzeigen. Im Störungs
fall ist das jedoch nicht gewährleistet. Beispielsweise im
Kurzschlußfall bricht die Leiterspannung bis auf einen Rest
betrag zusammen, der durch den geringen Kurzschlußwiderstand
bestimmt ist, oder die Leiterspannung unterliegt einer Kurz
schlußschnellabschaltung. In diesem Fall kann das Verfahren
so durchgeführt werden, daß der Rechner eine periodische Er
mittlung von Spannungseingangspulsen überwacht und den Zäh
ler, wenn ein Spannungseingangsimpuls nicht vorliegt, nach
Erreichen eines Schwellwerts zur Überwachung einer weiteren
Spannungsperiode auf einen der zuletzt ermittelten Zeitdiffe
renz entsprechenden Wert zurückstellt. Der Rechner erkennt
infolge dessen das Nichtvorliegen von Spannungseingangspulsen
und ist daher grundsätzlich in der Lage, sofort zu reagieren.
Hierzu dient die Rückstellung des Zählers auf einen Wert der
zuletzt ermittelten Zeitdifferenz, so daß der Zähler sofort
erneut versucht, die Leiterspannung abzubilden. Bereits zu
diesem Zeitpunkt des Ausfalls der Leiterspannung zum Beispiel
infolge eines Kurzschlusses kann der Zählerstand zur weiteren
Reproduktion des Phasenwinkels der Leiterspannung dienen.
Vorteilhafterweise wird jedoch so verfahren, daß das Zu
rückstellen des Zählers eine vorbestimmte Periodenzahl lang
wiederholt erfolgt, wobei die Zeit so vorbestimmt wird, daß
transiente Vorgänge auf dem abgegriffenen Leiter abklingen.
Eine Feststellung der Richtung eines Energieflusses wird also
der vorbestimmten Zeit entsprechend hinausgeschoben, so daß
während dieser Zeit abklingende transiente Vorgänge die Rich
tungsfeststellung nicht verfälschen können.
Mit Hilfe des Zählers wird die Phasenlage der Leiter
spannung kontinuierlich abgebildet, und zwar unabhängig von
den sonstigen Aktivitäten des Rechners. Infolge dessen kann
die Anzeige der Richtung des Energieflusses auch bei Normal
betrieb erfolgen, was den Gebrauchswert des Verfahrens bzw.
des Anzeigegeräts erheblich erhöht. Die Anzeige kann zu einer
on-line Überwachung in einer Warte herangezogen werden.
Da der Rechner vom oszillatorgesteuerten Zähler nur wäh
rend der Dauer des Vorhandenseins positiver Spannungsein
gangspulse beaufschlagt ist, vermag er zwischen zwei solchen
Pulsen anderes zu berechnen. Das Verfahren wird daher derart
weitergebildet, daß der Rechner in der Zeit zwischen zwei
Spannungseingangspulsen mit Hilfe eines vom Leiterstrom ab
hängigen Meßwerts einen Vergleich der Phasenlagen des Leiter
stroms und der Leiterspannung durchführt und einen Richtungs
anzeiger entsprechend beaufschlagt.
Insbesondere für das vorgenannte Verfahren ist es vor
teilhaft, wenn der Rechner den Vergleich der Phasenlagen des
Leiterstroms und der Leiterspannung unter Berücksichtigung
des L/R-Verhältsnisses einer beim induktiven Stromabgriff
eingesetzten Sensorspule durchführt. Dieses L/R-Verhältnis
der für den Leiterstromabgriff verwendeten Sensorspule be
stimmt eine feste Verzögerungszeit zwischen dem Leiterstrom
und der Ausgangsspannung der Spule, wenn man zum Beispiel die
Nulldurchgänge betrachtet. Diese feste Verzögerungszeit kann
durch den Rechner mit einem Korrekturwert berücksichtigt
werden, so daß die Phasenlage des Leiterstroms in Bezug auf
die Phasenlage der Leiterspannung so genau bestimmt werden
kann, daß die Phasenverschiebung der Ausgangsspannung der
Spule gegenüber dem Leiterstrom genügend genau berücksichtigt
wird. Infolge dessen erfolgt der Stromabgriff entsprechend
toleranzgenau, wobei die Toleranz entsprechend dem L/R-Ver
hältnis berücksichtigt werden kann.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Anzeigegerät für
die Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechsel
spannungsnetzen, insbesondere in Mittelspannungsnetzen mit
Ring- oder Parallelstruktur, mit einem als Spule ausgebilde
ten Sensor für den Strom eines Netzleiters, mit einem Sensor
für die Spannung desselben Netzleiters, mit einer sensorge
koppelten Auswertungseinrichtung für die Phasenlagen des Lei
terstroms und der Leiterspannung, mit von der Auswertungsein
richtung gesteuerten Richtungsanzeigern, und mit einer in das
Gerät integrierten, dessen Stromverbraucher speisenden Strom
versorgungseinrichtung.
Ein Anzeigegerät mit den vorgenannten Merkmalen ist aus
der DE-A-31 26 045 bekannt.
Ein derartiges Anzeigegerät soll möglichst unabhängig
von Anschlußmöglichkeiten sein, die an seinem Einsatzort sehr
unterschiedlich bzw. überhaupt nicht vorhanden sein können.
Bei dem bekanten Anzeigegerät ist infolge dessen zu seiner
Energieversorgung eine Batterie eingebaut, von der die Hilfs
energie der Geräteeinrichtungen bezogen wird. Wegen der zeit
lich begrenzten Haltbarkeit der Batterie muß diese ihrer Be
lastung entsprechend häufig ausgewechselt werden.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Anzeigegerät mit den eingangs genannten Merkmalen so zu
verbessern, daß seine Energieversorgung kontinuierlich aus
dem überwachten Netz erfolgt, so daß der Einsatz einer Batte
rie und deren periodische Auswechslung überflüssig sind. Zu
gleich soll das Anzeigegerät aber so ausgebildet werden, daß
eine nicht annehmbare Verfälschung des Abgriffs des Stroms
durch die Sensorspule vermieden wird.
Die vorstehende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die
Auswertungseinrichtung und die Stromversorgungseinrichtung
gemeinsam an die Sensorspule angeschlossen sind, und daß die
Stromversorgungseinrichtung einen aufladbaren Akkumulator
aufweist.
Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß die Auswer
tungseinrichtung und die Stromversorgungsrichtung gemeinsam
an die Sensorspule angeschlossen sind. Die Sensorspule dient
infolge dessen zugleich ihrem eigentlichen Zweck, nämlich den
Leiterstrom zu überwachen, wie auch dem Zusatzzweck, Energie
für die Stromversorgungseinrichtung zu liefern. Da der Lei
terstrom nicht konstant ist, besitzt die Stromversorgungsein
richtung einen aufladbaren Akkumulator, der die Hilfsenergie
für das Anzeigegerät zu Zeiten ausreichender Netzenergie sam
melt und die gesammelte Energie den Einrichtungen des Anzei
gegeräts zur Verfügung stellt, wenn die Netzenergie nicht
ausreicht, den Akkumulator zu laden oder das Gerät zu
versorgen, zum Beispiel weil ein Störungsfall auf der Leitung
vorliegt.
Es ist zweckmäßig, daß Gerät so weiterzubilden, daß die
Auswertungseinrichtung einen Rechner aufweist, der mit einem
Direkteingang an die Sensorspule dort angeschlossen ist, wo
auch die Versorgungseinrichtung angeschlossen ist. Infolge
der Direktverbindung zwischen dem Stromeingang und der Sen
sorspule werden Dioden und Kondensatoren vermieden, die die
Phasenlage des erfaßten Stromsignals negativ beeinflussen
könnten.
Der vorbeschriebene Direkteingang des Rechners dient der
Erkennung der Richtung des Energieflusses bei normalem Be
triebszustand des Netzes. Für den Fall eines Kurzschlusses
kann das Gerät so ausgebildet werden, daß der Rechner einen
weiteren, mit einem vorgeschalteten einstellbaren Widerstand
versehenen Eingang an die Sensorspule angeschlossen ist. Der
vorgeschaltete Widerstand dient als Spannungsteiler und ist
beispielsweise als Trimmpotentiometer ausgebildet. Der Span
nungsteiler dient der Einstellung zur Erkennung eines Kurz
schlußfalls. Wenn der vom einstellbaren Widerstand gelieferte
Strom nicht größer ist, als ein am Rechner eingestellter An
sprechstrom, liegt kein Kurzschlußfall vor. Erst wenn der An
sprechstrom überschritten wird, erkennt der Rechner auf Kurz
schluß, so daß eine entsprechende Kurzschlußrichtungsanzeige
erfolgt.
Das Gerät kann so ausgebildet werden, daß der Rechner
einen schwingquarzgesteuerten Zähler hat, der vor Erreichen
einer vorbestimmten Zählrate in seinen Anfangszählbereich
rückstellbar ist. Die vorbestimmte Zählrate kann entsprechend
der oben beschriebenen vorbestimmten Zeit gewählt werden, die
erforderlich ist, damit transiente Vorgänge auf dem abgegrif
fenen Leiter abklingen können.
Eine Ausgestaltung des Gerätes wird dadurch erreicht,
daß die Stromversorgungseinrichtung einen Überladeschutz für
den Akkumulator aufweist. Mit Hilfe des Überladeschutzes wird
die Dauerfunktionsfähigkeit des Akkumulators gewährleistet,
auch für den Fall, daß die Sensorspule für die Aufladung zu
große Energiemengen bereitstellt.
Zweckmäßig ist es, wenn der Überladeschutz eine mit
steiler Kennlinie versehene Leuchtdiode aufweist, die dem
Akkumulator über einen Entladeschutzwiderstand parallel ge
schaltet ist. Eine solche Leuchtdiode läßt sich dahingehend
dimensionieren, daß ihre Ansprechschwelle oberhalb der Be
triebsspannung des Akkumulators liegt. Dieser vermag sich
daher nicht über diese Leuchtdiode zu entladen. Die Stroment
nahme der Leuchtdiode aus dem Akkumulator ist zu gering. Der
Strombedarf der Leuchtdiode kann in der Regel auch aus dem
Netz zur Verfügung gestellt werden. Das andauernde Leuchten
dieser Leuchtdiode meldet einem Kontrolleur des Geräts, daß
die Versorgungseinrichtung ordnungsgemäß funktioniert.
Des weiteren kann das Gerät so ausgebildet werden, daß
dem Überladeschutz ein Überlastschutz parallel vorgeschaltet
ist. Hierdurch wird verhindert, daß die Stromversorgungsein
richtung vom Leiter her beschädigt wird, zum Beispiel durch
vom Leiterstrom induzierte Spannungsspitzen. Eine weitere
vorteilhafte Ausgestaltung des Geräts liegt dann vor, wenn
der Akkumulator eine die Betriebsspannung des Rechners unter
schreitende Spannung hat, und wenn der Akkumulator über eine
Aufwärtsregelung an den Rechner angeschlossen ist. Infolge
dessen können Akkumulatoren mit niedriger Nennspannung einge
setzt werden und die Aufwärtsregelung kann im Sinne einer
Konstanthaltung der Betriebsspannung erfolgen, was für den
zuverlässigen Betrieb des Rechners von Bedeutung ist.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge
stellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Anzeige
geräts,
Fig. 2a, b Strom- und Spannungsverläufe eines Stromab
griffs des Geräts der Fig. 1,
Fig. 3a-3c Strom- und Spannungsverläufe eines Spannungs
abgriffs des Geräts der Fig. 1, und
Fig. 4 eine der Fig. 2a entsprechende Darstellung für
den Kurzschlußfall.
In Fig. 1 ist ein zu überwachender Leiter eines elektri
schen Wechselspannungsnetzes mit 10 bezeichnet. Dieser Netz
leiter 10 hat einen vergleichsweise großen Querschnitt und
ist von einem Bügel 40 umgriffen, mit dem ein allgemein mit
26 bezeichnetes Gerät mechanisch befestigt ist. Der Bügel 40
ist beispielsweise ein Streifen aus Transformatorenblech und
bildet eine magnetische Brücke für einen Kern 27 einer Sen
sorspule 14. Deren Wicklung bzw. Leiterquerschnitte und An
schlüsse sind nicht im einzelnen dargestellt. Es ist ledig
lich erkennbar, daß sie innerhalb eines Gerätegehäuses 28 an
geordnet und ihr Kern 27 mit dem Bügel 40 an den Stellen 29
verschraubt ist. Innerhalb des Gerätegehäuses 28 ist des wei
teren sämtliche weitere Hardware des Geräts auf Platinen 30
angeordnet. Ein kapazitiver Sensor 15 ist als Blechstreifen
ausgebildet. Der Richtungsanzeige dienen zwei Richtungsanzei
ger 11, 12, beispielsweise Leuchtdioden, von denen die eine im
Anzeigefall einen Energiefluß in einer ersten Richtung und
die zweite einen Energiefluß in einer zweiten Richtung an
zeigt. Bei praktischer Ausgestaltung des Geräts werden die
Richtungsanzeiger 11, 12 nicht in der Darstellungsebene ange
ordnet, sondern senkrecht dazu, also in Leiterrichtung hin
tereinander. Dadurch wird die Richtungsanzeige auch optisch
besser veranschaulicht.
Die Sensorspule 14 ist über ein Spulenabgriff 14' an
eine Gleichrichterbrückenschaltung 31 angeschlossen. Von die
ser Gleichrichterbrückenschaltung 31 wird eine Stromversor
gungseinrichtung 16 mit Gleichspannung versorgt.
Außerdem ist der Stromabgriff 14' an einen Direkteingang
18 eines Rechners 13 angeschlossen. Die Verbindungsleitung
18' zu diesem Direkteingang 18 weist außer einem nicht darge
stellten Schutzwiderstand keine Kondensatoren und keine Dio
den auf, vielmehr sind die im Rechner 13 vorhandene, im ein
zelnen nicht dargestellte Auswertungseinrichtung, und die
Stromversorgungseinrichtung 16 über den Anschlußpunkt 31' der
Brückenschaltung 31 gemeinsam an den Abgriff 14' bzw. an die
Sensorspule 14 angeschlossen.
Die Stromversorgungseinrichtung weist als Speicherele
ment für die Hilfsenergie der Einrichtungen des Anzeigegeräts
einen Akkumulator 17 auf, der beispielsweise eine Betriebs
spannung von 1,5 Volt hat. Dem Akkumulator 17 zur Brücken
schaltung 31 hin vorgeschaltet ist ein Überladeschutz 21.
Dieser besteht im wesentlichen aus einer Leuchtdiode 23.
Diese Leuchtdiode 23 ist eingangsseitig über einen Entla
deschutzwiderstand 22 an den Akkumulator 17 angeschlossen und
besitzt eingangsseitig zur Brückenschaltung 31 hin einen
Schutzwiderstand 32. Die Leuchtdiode 23 ist beispielsweise
als GaAlAs-LED ausbebildet, die eine Ansprechspannung von 1,7
Volt hat, so daß sich der Akkumulator 17 nicht über sie ent
laden kann. Ihr Stromverbrauch ist sehr gering und sie signa
lisiert den Normalzustand der Stromversorgungseinrichtung.
Dem Überladeschutz 21 parallel vorgeschaltet ist ein
Überlastschutz 24 in Gestalt einer Z-Diode, um schädliche
Auswirkungen von Ladestromspitzen auf die nachgeordneten Bau
teile der Stromversorgungseinrichtung 16 zu vermeiden.
Dem Akkumulator 17 parallel geschaltet ist eine Auf
wärtsregelung 25, die in herkömmlicher Weise dafür sorgt, daß
eine erhöhte Betriebsspannung von zum Beispiel 3 Volt zur
Verfügung gestellt wird. Die Regelung sorgt dafür, daß diese
Betriebsspannung konstant ist. Das ist erforderlich, um den
Rechner 13 mit einer für seinen Betrieb konstanten Betriebs
spannung zu versorgen.
Der Rechner 13 ist an den Sensor 15 mit einem Spannungs
abgriff 15' angeschlossen, der mit einem Spannungseingang 34
einer Richtungserkennung 33 des Rechners 13 verbunden ist.
Der Spannungseingang 34 ist durch zwei Schutzdioden 35 gegen
Überspannung gesichert. Diese Beschaltung der Spannungsein
gangsschaltung 34' und die eingangs erwähnten Kapazitäten Ci,
Ca und Ce bewirken, daß das am Spannungseingang 34 vorhandene
Signal gegenüber der Leiterspannung phasenverschoben ist. In
folgedessen ist der Rechner mit einer Einrichtung 38 zur Be
rechnung des tatsächlichen Nulldurchgangs unter Einsatz einer
Synchronisationseinrichtung 36 mit einem nicht dargestellten
Zähler versehen. Dieser Zähler ist von einem Schwingquarz 37
gesteuert, zum Beispiel mit einer Frequenz von etwa 33 kHz.
Des weiteren ist der Rechner 13 mit einem Eingang 20
versehen, dem ein Widerstand 19 vorgeschaltet ist. Der Wider
stand 19 wird von der Leitung 18' des Direkteingangs 18 be
aufschlagt. Er wird so eingestellt, daß ein Schwellwert ein
gestellt werden kann, bei dessen Überschreitung eine Kurz
schlußdetektion erfolgt. Dementsprechend beaufschlagt der
Rechner 13 Anzeigeausgänge 11', 12' zur Beaufschlagung der
Richtungsanzeiger 11, 12 im Kurzschlußfall derart, daß also
entweder der Richtungsanzeiger 11 oder der Richtungsanzeiger
12 leuchtet, je nach der Richtung des Energieflusses im Kurz
schlußfall. Eine entsprechende Beaufschlagung bei Normalbe
trieb des Anzeigegeräts bzw. des überwachten Netzes kann mit
Hilfe des Direkteingangs 18 erreicht werden.
Es versteht sich, daß das vorbeschriebene Gerät auch zur
Fernanzeige benutzt werden kann, indem die Leuchtungssignale
der Richtungsanzeiger 11, 12 abgegriffen werden, zum Beispiel
mit einem Lichtleiterkabel. Statt dessen können aber auch
Funksignale versendet werden, welche den Zustand der Rich
tungsanzeiger signalisieren, beispielsweise mit einer vorbe
stimmten Taktrate, wobei die Richtungsanzeiger der Taktrate
entsprechend erkannt und ihr Zustand per Funk übertragen
wird. Damit ist eine dauernde on-line Überwachung des Ener
gieflusses im Leiter 10 möglich, die den Normalbetrieb und
den Kurzschlußfall einschließt.
Fig. 2 zeigt in Abb. b die Funktion IL = f(t), also
den zeitlichen Verlauf des Leiterstroms IL. Es ist ein sinus
förmiger Verlauf angenommen. Der Leiterstrom IL induziert in
der Spule 14 eine Abgriffsspannung U'L, die in Fig. 2a in ih
rem zeitlichen Verlauf dargestellt ist. Der Anschluß des
Rechners 13 mit seinem Direkteingang 18 über die Leitung 18'
an die Gleichrichtschaltung 31 bewirkt, daß lediglich
positive Halbwellen vorhanden sind, während negative Spannung
lediglich schaltungsbedingt vorhanden ist und für die
erforderlichen Berechnungen ohne Einfluß auf die Rechen
ergebnisse gehalten werden kann. Die positiven vom Leiter
strom IL induzierten Halbwellen U'1L, U'2L und U'3L haben alle
unterschiedliche Amplituden. Sie sind infolge des induktiven
Abgriffs mit der Spule 14 sämtlich etwa um 90 Winkelgrad zum
Leiterstrom IL verschoben, nämlich nacheilend. Es hat sich
aber gezeigt, daß die vom Leiterstrom IL induzierten Spannun
gen U'L sämtlich etwa denselben Durchgang durch die Zeitachse
haben, soweit sie einen für die Überwachung vorauszusetzenden
Ansprechwert UA überschreiten. Hieraus ergibt sich die Mög
lichkeit, den Rechner 13 mit einem Korrekturwert zu versor
gen, der das in Fig. 2 dargestellte Verhältnis L/R zur Grund
lage hat und die Phasenverschiebung zwischen den Leiterstrom
IL und allen möglichen für die Auswertung relevanten indu
zierten Spannungen U'L betrifft. Die Spule 14 "sieht" wegen
des Direkteingangs 18 des Rechners 13 alle abgegriffenen
Ströme des Netzleiters 10 mit derselben und damit bei der Be
rechnung durch einen Korrekturwert zu berücksichtigenden Pha
senverschiebung. Die tatsächliche Phasenlage des Leiterstroms
IL ist damit hinreichend genau zu bestimmen.
Das Anzeigegerät muß auch so ausgebildet werden, daß die
Phasenlage der Spannung UL dieses Netzleiters 10 richtig "ge
sehen" wird. Der zeitliche Verlauf der Spannung UL ist in
Fig. 3a dargestellt, und zwar sinusförmig vom Nulldurchgang
aus. Der Abgriff der Spannung UL mittels des Sensors 15
erfolgt kapazitiv, so daß also sämtliche abgegriffenen Ströme
voreilen, was Fig. 3b zeigt. Hier ist der Verlauf abgegriffe
ner Ströme I'C in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt.
I'1C zeigt eine an den Eingang 34 gelangende Halbwelle, deren
Sinuskuppe in Folge der Wirkung einer Schutzdiode 35 abge
schnitten ist. Die auf die Halbwelle I'1C folgende Halbwelle
ist durch die Wirkung der anderen Schutzdiode 35 abgeschnit
ten, so daß lediglich ein bei der nachfolgenden Berechnung
durch den Rechner 13 nicht zu berücksichtigender geringer
Strom fließt.
Fig. 3c zeigt, daß mit einer von der Leiterspannung UL
bewirkten Stromhalbwelle I'1C ein Spannungseingangspuls U1 be
wirkt wird. Eine spätere Stromhalbwelle I'2C würde einen Span
nungseingangspuls U2 bewirken, der einen entsprechenden Ab
stand von U1 hat, nämlich einen Zeitabstand tz. Der rechteck
förmige Spannungseingangspuls U1 hat eine Anstiegsflanke AF,
die dadurch bedingt ist, daß die Stromhalbwelle I'1C einen
Ansprechwert IA erreicht. Für die Zeit tN des Überschreitens
dieses Ansprechwerts IA ist der Eingangspuls U1 vorhanden.
Diese Zeit tN ist mit der Einrichtung 35 des Rechners 13 zu
ermitteln. Diese besitzt einen nicht dargestellten Zähler,
der von einem Schwingquarz 37 beaufschlagt ist. Der Zähler
zählt also schrittweise mit einer sehr hohen, durch die Sy
stemfrequenz inkrementierten Auflösung. Die Genauigkeit der
Zeitmessung hängt lediglich von der Wahl der den Zähler steu
ernden Schwingfrequenz ab. Der Rechner, dessen Zähler von
einem Ausgangspunkt an konstant durchzählt, kann die Anzahl
der Pulse feststellen, während der der Spannungseingangspuls
U1 vorhanden ist. Außerdem kann der Rechner feststellen, wann
die Anstiegsflanke AF eines zweiten Spannungseingangspulses
U2 vorhanden ist. Er ist infolge in der Lage zu berechnen,
wie groß die Periodendauer tper ist. Diese Periodendauer
entspricht exakt derjenigen der Leiterspannung UL. Aus dem
Vergleich der Fig. 3b, c ist zu ersehen, daß der tatsächliche
Nulldurchgang vom Zeitpunkt der Anstiegsflanke AF entspre
chend TOFF verschoben ist. Entsprechend ist das Ende des Span
nungseingangspulses U1 um TOFF vom tatsächlichen Nulldurchgang
verschoben. Dementsprechend berechnet sich die halbe
Periodendauer tper/2 aus der Summe von tN und 2TOFF. Hieraus
kann TOFF berechnet werden, nämlich zu:
TOFF = 1/2 (1/2 tper - tn).
Nachdem der Nulldurchgang O' des abgegriffenen Stroms
I'C berechnet wurde, liegt wegen des kapazitiven Abgriffs und
der dadurch bedingten Phasenverschiebung von 90 Winkelgrad im
Sinne einer Voreilung auch der Nulldurchgang 0 der Leiter
spannung UL fest.
Damit das Anzeigegerät als Kurzschlußrichtungsanzeiger
eingesetzt werden kann, wird mit dem einstellbaren Widerstand
19 ein Schwellwert U'A eingestellt, der überschritten werden
muß, damit das Anzeigegerät eine Richtungsanzeige im Kurz
schlußfall liefert. Im übrigen gelten für die Messung bzw.
für den Stromabgriff am Netzleiter 10 dieselben Überlegungen,
wie sie oben für den Normalbetriebsfall des Netzes dargelegt
wurden. Für die Zeitdauer tK fließt ein Kurzschlußstrom, der
vom Rechner detektiert wird und bestimmt, daß die Richtungs
anzeige eine Richtungsanzeige für einen Kurzschlußfall ist.
Infolge dessen kann nun verfahren werden, wie bei der Be
schreibung des Spannungsabgriffs oben beschrieben wurde. Es
wird eine festgelegt Anzahl von Perioden der zuletzt gemesse
nen Netzfrequenz abgewartet, also im Sinne einer Ansprech
verzögerung. Liegt danach der vom Leiterstrom IL abgegriffene
Wert immer noch über dem Ansprechwert U'A, so wird sein Pha
senwinkel zum Phasenwinkel der reproduzierten Leiterspannung
UL ermittelt und es erfolgt anschließend eine Anzeige der
Richtung des Kurzschlußenergieflusses so lange, bis eine vor
eingestellte Zeit abgelaufen ist, zum Beispiel zwei Stunden.
Claims (14)
1. Verfahren zum Anzeigen der Richtung eines Energieflusses
in elektrischen Wechselspannungsnetzen, insbesondere in
Mittelspannungsnetzen mit Ring- oder Parallelstruktur,
bei dem der Strom eines Netzleiters (10) induktiv abge
griffen wird, bei dem die Spannung desselben Netzleiters
(10) kapazitiv abgegriffen wird, bei dem eine Auswertung
der Phasenlagen des Leiterstroms (IL) und der Leiter
spannung durchgeführt wird und dementsprechend Rich
tungsanzeiger (11, 12) beaufschlagt werden, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Auswertung der Phasenlagen mit
einem oszillatorgesteuerten Zähler eines Rechners (13)
erfolgt, der die Periodendauer (tper) und die Dauer (tn)
positiver Spannungseingangspulse (U1) ermittelt, die mit
der Leiterspannung (UL) im Rechner (13) erzeugt werden,
der dementsprechend den tatsächlichen Nulldurchgang be
rechnet, der der Phasenlagenauswertung zugrunde gelegt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der tatsächliche Nulldurchgang unter Berücksichti
gung der Zeitdifferenz (TOFF) berechnet wird, die sich
aus der Dauer (tn) eines Spannungseingangsimpulses (U1)
und einer Periodendauer (tper) nach folgender Beziehung
ergibt:
TOFF = 1/2 (1/2 tper - tn)
TOFF = 1/2 (1/2 tper - tn)
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Rechner eine periodische Ermittlung
von Spannungseingangspulsen (U1) überwacht und den
Zähler, wenn ein Spannungseingangsimpuls (U1) nicht
vorliegt, nach Erreichen eines Schwellwerts zur Über
wachung einer weiteren Spannungsperiode auf einen der
zuletzt ermittelten Zeitdifferenz (TOFF) entsprechenden
Wert zurückstellt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Zurückstellen des Zählers eine vorbestimmte Pe
riodenzahl lang wiederholt erfolgt, wobei die Zeit so
vorbestimmt wird, daß transiente Vorgänge auf dem
abgegriffenen Leiter (10) abklingen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Rechner (13) in der Zeit (tz)
zwischen zwei Spannungseingangsimpulsen (U1, U2) mit Hilfe
eines vom Leiterstrom (IL) abhängigen Meßwerts einen
Vergleich der Phasenlagen des Leiterstroms (IL) und der
Leiterspannung (UL) durchführt und einen Richtungsanzei
ger (11, 12) entsprechend beaufschlagt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Rechner (13) den Vergleich der
Phasenlagen des Leiterstroms (IL) und der Leiterspannung
(UL) unter Berücksichtigung des L/R-Verhältnisses einer
beim induktiven Stromabgriff eingesetzten Sensorspule
(14) durchführt.
7. Anzeigegerät für die Richtung eines Energieflusses in
elektrischen Wechselspannungsnetzen, insbesondere in
Mittelspannungsnetzen mit Ring- oder Parallelstruktur,
mit einem als Spule (14) ausgebildeten Sensor für den
Strom (IL) eines Netzleiters (10), mit einem Sensor (15)
für die Spannung (UL) desselben Netzleiters (10), mit
einer sensorgekoppelten Auswertungseinrichtung für die
Phasenlagen des Leiterstroms (IL) und der Leiterspannung
(UL), mit von der Auswertungseinrichtung gesteuerten
Richtungsanzeigern (11, 12), und mit einer in das Gerät
integrierten, dessen Stromverbraucher speisenden Strom
versorgungseinrichtung (16), insbesondere zur Durchfüh
rung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungseinrich
tung und die Stromversorgungseinrichtung gemeinsam über
eine Gleichrichtschaltung (31) an die Sensorspule (14)
angeschlossen sind, und daß die Stromversorgungseinrich
tung (16) einen aufladbaren Akkumulator (17) aufweist.
8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswertungseinrichtung einen Rechner (13) aufweist,
der mit einem Direkteingang (18) an die Sensorspule (14)
dort angeschlossen ist, wo auch die Versorgungseinrich
tung (16) angeschlossen ist.
9. Gerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rechner (13) einen weiteren, mit einem vorge
schalteten einstellbaren Widerstand (19) versehenen Ein
gang (20) an die Sensorspule (14) angeschlossen ist.
10. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Rechner (13) einen schwingquarz
gesteuerten Zähler hat, der vor Erreichen einer vorbe
stimmten Zählrate in seinen Anfangszählbereich rück
stellbar ist.
11. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung (16)
einen Überladeschutz (21) für den Akkumulator (17) auf
weist.
12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Überladeschutz (21) eine mit steiler Kennlinie ver
sehene Leuchtdiode (23) aufweist, die dem Akkumulator
(17) über einen Entladeschutzwiderstand (22) parallel
geschaltet ist.
13. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß dem Überladeschutz (21) ein Über
lastschutz (24) parallel vorgeschaltet ist.
14. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Akkumulator (17) eine die Be
triebsspannung (3 V) des Rechners (13) unterschreitende
Spannung (1,5 V) hat, und daß der Akkumulator (17) über
eine Aufwärtsregelung (25) an den Rechner (13) ange
schlossen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997157573 DE19757573B4 (de) | 1997-12-23 | 1997-12-23 | Verfahren und Vorrichtung zum Anzeigen der Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechselspannungsnetzen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997157573 DE19757573B4 (de) | 1997-12-23 | 1997-12-23 | Verfahren und Vorrichtung zum Anzeigen der Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechselspannungsnetzen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19757573A1 true DE19757573A1 (de) | 1999-07-01 |
DE19757573B4 DE19757573B4 (de) | 2006-04-13 |
Family
ID=7853209
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1997157573 Revoked DE19757573B4 (de) | 1997-12-23 | 1997-12-23 | Verfahren und Vorrichtung zum Anzeigen der Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechselspannungsnetzen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19757573B4 (de) |
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GB2548863A (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-04 | 4Eco Ltd | Contactless system for measuring power flow direction |
Also Published As
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---|---|
DE19757573B4 (de) | 2006-04-13 |
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