DE2358955A1

DE2358955A1 - Geraet zur feststellung des auftretens von erdschluessen in einem mehrphasigen starkstromnetz

Info

Publication number: DE2358955A1
Application number: DE2358955A
Authority: DE
Inventors: Leonardo Perez-Cavero
Original assignee: General Electric Co PLC
Current assignee: General Electric Co PLC
Priority date: 1972-11-28
Filing date: 1973-11-27
Publication date: 1974-05-30
Also published as: AU6285873A; CH573673A5; GB1422346A; FR2208223B1; US3898530A; SE395331B; FR2208223A1; IN140601B

Description

Patentanwälte

Di-lDff. Vvillielin Beicliel
Btol-Ing. Wolfgang Reichel

6 Frankfurt a. M. 1
Parksiraße 13

7711

THE GENERAL ELECTRIC COMPANY LIMITED, London, England

Gerät zur Feststellung des Auftretens von Erdschlüssen in einem mehrphasigen Starkstromnetz

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Feststellen des Auftretens von Erdschlüssen in einem mehrphasigen Starkstromnetz innerhalb einer entlang dem Netz gemessenen vorgegebenen Entfernung von dem Gerät.

Einige der bekannten Geräte dieser Art überwachen die Differenz, beispielsweise die Phasen- oder Amplitudendifferenz, zwischen einem oder mehreren ausgewählten Parametern und einem sog. Polungs- oder Polarisierungsparameter.

Nach der Erfindung wird die Verwendung eines neuen Polarisierungsparameters vorgeschlagen, der die Gefahr einer fehlerhaften Arbeitsweise des Geräts beträchtlich vermindert.

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Das eingangs beschriebene Gerät ist nach der Erfindung gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Überwachen der Differenz zwischen mindestens einem ausgewählten Paramter und einem Polarisierungsparameter, der in einer vorbestimmten Beziehung zu einer Spannung steht, die bei einem Erdschluß an einer innerhalb der vorgegebenen Entfernung entlang des Netzes liegenden Stelle einen Wert hat, der gleich der NullSystemspannung an dieser Stelle ist.

Die längs der Netzleitung an der vorgegebenen Entfernung liegende Stelle wird "Reichweitenstelle¹¹ und diejenige Netzleitungsstelle, bei der das Gerät angeordnet ist, wird "Meßstelle" oder "Überwachungsstelle" genannt.

Die bei einem Erdschluß auftretende Nullsystemspannung ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:

3 '^VRES " ¹RES ^Zro'

Dabei ist:

ν S die Restspannung an der Überwachungsstelle, der Reststrom an der Überwachungsstelle und

Z die Nullsystemimpedanz des Netzes zwischen dem Gerät und der Erdschlußstelle.

Der gewünschte Polarisierungsparameter ist somit sehr leicht von Größen erhältlich, die an der Überwachungsstelle auftreten.

Bei manchen Anwendungszwecken des erfindungs gemäß en Geräts steht der Polarisierungsparameter notwendigerweise in einer vorbestimmten Beziehung zu einer Spannung, deren Wert gleich der Erdschluß-Nullsystemspannung bei einem Erdschluß an der Reichweitenstelle ist. D.h., daß Z_TQ in der oben angegebenen

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Gleichung gleich der Nullsystemimpedanz des Netzes zwischen dem Gerät und der Reichweitenstelle ist (Z^₀). Bei anderen Anwendungen kann der Polarisierungsparameter in einer vorbestimmten Beziehung zu einer Spannung stehen, die gleich der Erdschluß-Nullsystemspannung bei einem Erdschluß an irgendeiner beliebigen Stelle ist, wobei jedoch diese Stelle über die Reichweitenstelle nicht hinausgeht (d.h. z_ro έ z_L0).

Die Überwachungseinrichtung des erfindungsgemäßen Geräts enthält vorzugsweise für jede Phase des Netzes einen Phasenvergleicher. Jeder Phasenvergleicher überwacht die Phasendifferenz zwischen dem Polarisierungsparameter und einem ausgewählten Parameter der zugeordneten Netzphase.

Abweichend davon kann die Überwachungseinrichtung des erfindungsgemäßen Geräts vorzugsweise einen Phasenvergleicher mit zahlreichen Eingängen enthalten, der die Gesamtphasendifferenz zwischen dem Polarisierungsparameter und einem ausgewählten Parameter von jeder Netzphase überwacht.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen beschrieben· Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Geräts zur Feststellung des Auftretens von Erdschlüssen an jeder Phase eines dreiphasigen Starkstrom-Übertragungsnetzes, wobei das Gerät eine reaktanzartige Charakteristik darbietet,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Geräts zur Feststellung des Auftretens von Erdschlüssen in einem dreiphasigen Starkstrom-Übertragungsnetz, wobei das Gerät eine Leitwert-Reaktanz-Charakteristik darbietet,

Fig. J ein Schaltbild einer Abwandlung des in der Fig. dargestellten Geräts und *

409822/04U&

Fig. 4 ein Schartbild eines selbstpolarisierten Geräts zur Feststellung des Auftretens von Erdschlüssen in irgendeiner Phase eines dreiphasigen Starkstrom-Übertragungsnetzes, wobei das Gerät eine leitwertartige Charakteristik darbietet.

In der Fig. 1 ist ein bevorzugtes erstes Gerät zur Feststellung von Erdschlüssen beschrieben. Das Gerät enthält drei Spannungswandler VT1, VT2 und VT3, an deren Primärwicklungen die rote, gelbe bzw. blaue Phasen-Erd-Spannung V_R, Vy bzw. Vg des Netzes an der Meß- oder Überwachungsstelle liegen.

Weiterhin enthält das Gerät drei Stromwandler CT1, CT2 und CT3, deren erste Primärwicklungen jeweils von einem der drei Phasenströme 1«, Ι_γ und I„ an der Überwachungsstelle durchflossen sind und durch deren zweite Primärwicklungen der Reststrom 1^g₃ am Überwachungspunkt fließt. Jeder der Stromwandler CT1, CT2 und CT3 ist mit seiner Sekundärwicklung an eine Nachbildungsimpedanz Z,,. angeschlossen, deren auf die Sekundärseite bezogener Wert gleich dem Wert der Impedanz pro Phase des Mitsystems zwischen der Meß- oder Überwachungsstelle und der Reichweitenstelle des Geräts ist, wobei unter der Reichweitenstelle eine von der Überwachungsstelle weit entfernte Stelle zu verstehen ist, bis zu der das Gerät ausgelegt ist, um Erdschlüsse festzustellen.

Jede der Impedanzen Z,.. ist in Reihe mit der Sekundärwicklung des zugeordneten Spannungswandlers VT1, VT2 oder VT3 zwischen einen gemeinsamen Punkt N und einem zugeordneten Punkt A, B oder C. Die Windungsverhältnisse der Wicklungen der Wandler sind derart gewählt, daß zwischen den Punkten A, B, C und dem Punkt N Spannungen auftreten, die durch die folgenden Gleichungen gegeben sind:

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Vop(R) = V_R- Z_L1 (iR + KI^g) (1)

Vop(Y) -V_Y- Z_L1 (I_y + K I^g) (2)

Vop(B) = V_B - Z_L1 (I_B + K J^₃) (3)

ZZ
Dabei ist: K= (4)

^{3 Z}L1
Z_xΛ ist die auf die Sekundärseite bezogene Impedanz des

Nullsystems zwischen der Meßstelle und der Reichweitenstelle des Geräts.

Die Spannungen Vop(R), Vop(Y) und Vop(B) werden über drei Quadrierer oder Rechteckumformer 1,2 und 3 den ersten Eingängen von drei Phasenvergleichern 4, 5 und 6 zugeführt.

Die Spannungen Vop(R), Vop(Y) und Vop(B) werden über gleich große Widerstände 7 vereinigt, um eine Spannung Vx zu bilden, die über einen Phasenschieber 8 und einen Quadrierer oder Rechteckumformer 9 dem zweiten Eingang von jedem der Vergleicher 4, 5 und 6 zugeführt. Aus den Gleichungen (1), (2) und (3) ergibt sich:

Vx=VOp(R) + Vop(Y) + VOp(B)=V₁^₃ - (I^g + 3K 1^) Z^ (5)

Wenn man darin K durch den Ausdruck in der Gleichung (4) substituiert, erhält man:

Wenn der Erdschluß an der Reichweitenstelle auftritt, ist die Spannung Vx gleich 3 Vo, wobei Vo die Nullsystemspanrnung an der Erdschlußstelle ist.

Der Phasenschieber 8 ist derart ausgelegt, daß er eine Phasenverschiebung von 0r liefert.

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Der Wert von 0r beträgt normalerweise:

0 max + 0 min

(7)

Dabei ist 0_Q das Argument der Nullsystemimpedanz des Netzes. Dieses Argument oder diese Phase ändert sich in Abhängigkeit vom Zustand des Netzes zwischen einem maximalen Wert 0 max und einem minimalen Wert 0_Qmin. Andere Werte von 0r kann man in alternativen Anordnungen verwenden.

Das Ausgangssignal des Phasenschiebers stellt eine Polarisierungsspannung Vp₀J. für das Gerät dar. Ein in dem von dem Gerät zu überwachenden Netzabschnitt auftretender Erdschluß an einer Phase wird dadurch angezeigt, daß der zugeordnete Phasenvergleicher zwischen seinem ersten und zweiten Eingangssii
stellt.

gangssignal eine Phasendifferenz von mehr als + 90° fest-

Infolge der durch den Netzzustand bedingten Änderung oder Schwankung von 0 nimmt die Länge des Netzabschnitts, bis zu dem das Gerät mit einer gewissen Lichtbogenfestigkeit auf Erdschlüsse anspricht, zu oder ab, und zwar, in Abhängigkeit davon, ob 0_Q größer oder kleiner als 0_r ist. Das bedeutet, daß das Gerät eine Überreichweite oder Unterreichweite aufweisen kann. Das Ausmaß dieser Reichweitenänderung ist jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Geräten beträchtlich geringer, bei denen andere Polarisierungsparameter verwendet werden, beispielsweise der Phasenstrom oder Nullsystemstrom am Meßpunkt.

Ein weiterer Vorteil des in der Fig. 1 dargestellten Geräts besteht darin, daß es, selbst wenn das Netz hinter dem Relaispunkt nicht geerdet ist, d.h. wenn am Relaispunkt kein Nullsystemstrom auftritt, fehlerfrei arbeitet.

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In der Fig. 2 ist ein zweites bevorzugtes Gerät beschrieben, bei dem die Spannungen Vop(R), Vop(Y), Vop(B) und Vpol über zugeordnete Quadrierer oder Rechteckumformer 10 bis 13 den zugeordneten Eingangen eines mehrere Eingänge aufweisenden Koinzidenzvergleichers 14 zugeführt werden· Die Spannungen Vop(R), Vop(Y) und Vöp(B) werden vorzugsweise entsprechend dem Schema nach der Fig. 1 abgeleitet, und die Polarisierungsspannung Vpol wird vorzugsweise aus der Vereinigung der Spannungen Vop über einen Phasenschieber 15 abgeleitet, wie nach der Fig. 1. Beim Betrieb dieses Geräts wird innerhalb des überwachten Netzabschnitts ein Erdschluß an irgendeiner Phase dadurch angezeigt, daß der Vergleicher ein Ausgangssignal liefert, das anzeigt, daß die vier Eingangssignale zu dem Vergleicher eine Gesamtphasendifferenz von weniger als 180° haben. Die Verwendung der Spannung Vpol als PolarisierungsparameteF anstelle einer Spannung, die am Relaispunkt mit dem Nullsystemstrom in Phase ist, bietet die bereits im Zusammenhang mit dem in der Fig. 1 beschriebenen Gerät geschilderten Vorteile.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Gerät tritt die Schwierigkeit auf, daß es auf gewisse Erdschlüsse ansprechen kann, die hinter der Meß- oder Uberwachungsstelle auftreten können. Dieses Fehlverhalten kann dadurch vermieden werden, daß einem fünften Eingang des Vergleichers 14 eine zweite Polarisierungsspannung Vpol* zugeführt wird, die entsprechend der Darstellung nach der Fig. 3 gebildet wird. Bei der Spannung Vpol¹ handelt es sich zweckmäßigerweise um die Spannung am Eingang des Phasenschiebers 15, die dem Vergleicher über einen weiteren Quadrierer oder Rechteckumformer 16 zugeführt wird. Ein Erdschluß liegt vor, wenn die Gesamtphasendifferenz von allen fünf Eingangssignalen des Vergleichers 14 kleiner als 180° ist.

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Abweichend davon kann es sich bei der Spannung Vpol^f um eine andere Spannung handeln, die durch die folgende Gleichung gegeben ist: >.

V - T 7
^VRES ¹RES ^ro

Dabei ist R die Nullsystemimpedanz des Netzes zwischen dem Relaispunkt und einer gegenüber dem Relaispunkt um eine Strecke entfernten Stelle, die nicht größer als die Reichweitenstelle des Geräts ist.

Ein Fehlverhalten in bezug auf Erdschlüsse hinter der Meßoder Überwachungsstelle kann man auf diese Weise auch in einem Gerät verhindern, das als Kauptpolarisierungsparameter anstelle von Vpol eine Spannung verwendet, die mit dem NuIlsystemstrom an der Überwachungsstelle in Phase ist.

In der Fig. 4 ist ein viertes bevorzugtes Gerät dargestellt. Dieses Gerät enthält drei Spannungswandler VT4, VT5 und VT6, drei Stromwandler CT4, CT5 und CT6 sowie drei Nachbildungsimpedanzen Zy.., die in der gleichen Weise geschaltet sind, wie es an Hand der Fig. 1 beschrieben ist, um aus den Phasen-Erd-Spannungen V_D, V_v und V₁₃ sowie aus den Phasenströmen I_n,

ti 1 ü rl

I_v und I_x, und dem Reststrom Ι_οτΓσ die drei Spannungen Vop (R), Vop(Y) und Vop(B) zu erzeugen, die in den Gleichungen (1), (2) und (3) definiert sind.

Die drei Spannungen Vop werden über drei Quadrierer oder Rechteckumformer 17, 18 und 19 den ersten Eingängen von drei Phasenvergleichern 20, 21 und 22 zugeführt.

Die Spannungen V_R, Vg und Y,- an den Sekundärwicklungen der Spannungswandler ¥Τ4, VT5 and VT6 werden über Quadrierer oder Rechteckumformer 23, 24 und 25 den Eingängen τοη drei UND-Gliedern 26, 27 und 28 zugsführt_P die zvjq! Eingänge aufweisen.

4öS322/iH0S

Die Spannungen Vop(R), Vop(Y) und Vop(B) werden über gleich große Widerstände 29 miteinander vereint, um die in der Gleichung (6) definierte Spannung Vx zu bilden. Diese Spannung wird über einen Quadrierer oder Rechteckumformer 30 dem zweiten Eingang .von jedem der UND-Glieder 26, 27 und zugeführt. Die Ausgangssignale der UND-Glieder werden den zweiten Eingängen der Phasenvergleicher 20, 21 und 22 zugeführt.

Die Phasenspannungen (V„, Vy und V_ß) mit umgekehrter Polarität und die Spannung Vx dienen als Polarisierungsspannungen für das Gerät. Ein Erdschluß an einer Phase in dem von dem Gerät überwachten Netzabschnitt wird angezeigt, wenn der zugeordnete Phasenvergleicher zwischen seinem ersten und zweiten Eingang eine Phasendifferenz von mehr als ± 90° feststellt.

Durch die Verwendung der zweiten Polari si erungs spannung Vx wird ein Fehlverhalten des Geräts bei Erdschlüssen hinter dem Relaispunkt vermieden. Die Arbeitsweise des Geräts beruht auf der Tatsache, daß die beiden Polarisierungsspannungen und die Betriebsspannung bei Erdschlüssen hinter dem Relaispunkt niemals in der gleichen Halbebene (in einem Spannungsdiagramm) sein können.

Bei der zweiten Polarisierungsspannung kann es sich um irgendeine Spannung handeln, die durch die Gleichung (Ö) gegeben ist. Die besten Ergebnisse werden jedoch normalerweise erzielt, wenn Z und damit die Polarisierungsspannung so groß wie möglich sind, d.h., wenn Z = ^ζτ.η» ^w*^e **^ei ^^er Anordnung nach der Fig. 4.

Bei einer Abwandlung der in der Fig. 4 dargestellten Schaltungsanordnung befinden sich die UND-Glieder 26, 27 und 28 nicht im Stromkreis der Phasenspannungen V_Rf Vy und Vg, sondern im Stromkreis der Betriebsspannungen Vop(R), Vop(Y) und

^Vop(B)e *O9*22/CU0S

Es sei erwähnt, daß die prinzipielle Arbeitsweise der in
der Fig. -4 dargestellten Anordnung auch mit anderen als den gezeigten Arten von Schutzeinrichtungen erzielt werden kann. So kann man beispielsweise phasenpolarisierte Leitwert-Relais (sound-phase polarised mho relays) und Relais mit vierseitigen Charakteristiken verwenden.

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Claims

1.) Gerät zur Feststellung des Auftretens von Erdschlüssen i3i einem mehrphasigen Starkstromnetz innerhalb einer längs des Netzes gemessenen vorgegebenem Entfernung iron dem Gerät, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Überwachen der Differenz zwischen mindestens einem ausgewählten Parameter und einem Polarisierungsparameter, der in einer vorbestimmten Beziehung zu einer Spannung steht_s di© bei einem Erdschluß an einer innerhalb der vorgegebenen Entfernung entlang des Netzes liegenden Stelle einen Wert hat, der gleich der Nullsystemspannung an dieser Stelle isto

2. Gerät nach Anspruch 1_S

dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung für jede Netzphase einen Phasenvergleicher enthält und daß jeder der Phasenvergleicher die Phasendifferenz zwischen dem Polarisierungsparameter und einem ausgewählten Parameter der zugeordneten Netzphase überwacht.

3. Gerät nach Anspruch 1_?

dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung einen Phasenvergleicher mit mehreren Eingängen enthält, der die Gesamtphasendifferenz zwischen dem Polarisierungsparameter und einem ausgewählten Parameter jeder Netzphase überwacht»

40SS22/IH

4. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Parameter in bezug auf jede Phase eine zusammengesetzte Spannung der folgenden Form ist:

(z_L0 - z_L1)

L1 (¹P ⁺

wobei Vp die Phasenspannung an der Überwachungsstelle, Ip der Phasenstrom an der Überwachungsstelle,

""•RES ^^er ^^es*^s*^rom ^ ^der Überwachungsstelle,

Z_L1 die Mitsystemimpedanz pro Phase zwischen dem Überwachungspunk-t und dem Reichwei-tenpunkt,

Z₀ die Nullsystemimpedanz zwischen dem Überwachungspunkt und dem Reichweitenpunkt und

N die Anzahl der Netzphasen ist.

5. Gerät nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisierungsparameter durch Vereinigung der zusammengesetzten Spannungen jeder Phase gewonnen wird.

6. Gerät nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung, die durch Vereinigen der zusammengesetzten Spannungen gewonnen wird, um einen Betrag phasenverschoben wird, der von dem Argument der Nullsystemimpedanz des Netzes abhängt, um den Polarisierungsparameter zu erzeugen.

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