DE2608572B2 - Vorrichtung zur Überwachung der Leistungsübertragung einer Wechselstrom-Hochspannungsleitung - Google Patents
Vorrichtung zur Überwachung der Leistungsübertragung einer Wechselstrom-HochspannungsleitungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung der Leistungsübertragung einer Wechselstrom-Hochspannungsleitung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-AS 14 63 138 bekannt.
Bei der bekannten Vorrichtung werden an der Hochspannungsleitung für die Leiiungsspannung und
den Leitungsstrom charakteristische Signale abgegriffen und passiven Netzwerken zugeführt, die Ausgangssignale
erzeugen, welche verschiedene Funktionen der Augenblickwerte der Leitungsspannung und des Leitungsstromes
sowie der Phasendifferenzen zwischen Spannung und Strom sind. Durch Vergleich dieser
Ausgangssignale in Phasenwinkel-Komparatoren werden Ausgangssignale gewonnen, die für die Leitungsimpedanz
charakteristisch sind. Treten von mehreren solcher Signalgeneratoren und Phasenwinkel-Komparatoren
gelieferte Signale gleichzeitig auf, was mittels UND-Gliedern feststellbar ist, so liegen unzulässige
Impedanzverhältnisse vor, die als Störung gedeutet und zum Abschalten der Hochspannungsleitung ausgenutzt
werden.
Bei der bekannten Vorrichtung findet der Phasenvergleich in den Phasenwinkel-Komparatoren durch
Messung der Zeitdauer zwischen den Nulldurchgängen der zugeführten Signale statt. Daher erfordert der
Meßvorgang wenigstens annähernd die Zeit einer halben periode des übertragenen Wechselstromes.
Diese Ansprechzeit ist jedoch zu groß, um Maßnahmen einleiten zu können, die den bei einem Kurzschluß
auftretenden Strom in zulässigen Grenzen halten. Hierzu ist eine Fehlerfeststellung in Zeiten erforderlich,
die weniger als eine Millisekunde betragen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Überwachung der Leistungsübertragung
einer Wechselstrom-Hochspannungsleitung zu schaffen, die auf den Beginn eines Fehlerzustandes rasch
anspricht, damit die Leistungsübertragung in der fehlerhaften Leitung unterbrochen werden kann, bevor
die Fehlerströme einen nicht mehr beherrschbaren Wert annehmen. Zugleich soll gewährleistet sein, daß
verhältnismäßig geringfügige und kurzzeitige Überschreitungen des zulässigen Stromes nicht zum Abschalten
der Leitung führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Momentanwert des Leitungsstromes überwacht wird,
ist ein augenblickliches Ansprechen beim Auftreten eines Fehlerfalles gewährleistet. Andererseits wird
durch die Erzeugung eines für einen Fehlerfall charakteristischen Bezugssignals und den Vergleich des
Leitungsstromes mit diesem Bezugssignal gewährleistet, daß eine Unterbrechung des Leitungsstromes
tatsächlich nur dann stattfindet, wenn die Änderung des Leitungsstromes für eine ernsthafte Störung charakteristisch
ist, während bei einer geringfügigen und kurzzeitigen Überschreitung trotz höchster Empfindlichkeit
der Vorrichtung kein unnötiges Abschalten der Leitung stattfindet. Daher gewährleistet die erfindungsgemäße
Vorrichtung sowohl ein schnelles Ansprechen auf Fehlerzustände und eine rechtzeitige Unterbrechung
oder Begrenzung der Leistungsübertragung, ohne durch Ansprechen auf verhältnismäßig geringfügige
und kurzzeitige Überschreitungen des zulässigen Stromes unnötig ein Abschalten der Leitung zu
bewirken.
Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen der erfinciungsgemäßen Vorrichtung. So
erlauben es die durch den Anspruch 2 gekennzeichneten Maßnahmen, mehrere Leitungen eines Netzes, insbe-
sondere die Leitungen eines Mehrphasen-Systems, auch auf Fehlerzustände zwischen den verschiedenen Leitungen
zu überwachen und mittels der Unterbrecherlogik die verschiedenen Fehlerzustände zu erkennen und
demgemäß spezifische Abschalt-Maßnahmen zu treffen.
Die Verwendung eines stark negativ rückgekoppelten Operationsverstärkers als Differenzbildner gemäß
Anspruch 3 gewährleistet ein besonders hohes Maß an Betriebssicherheit bei einfachem Aufbau der Vorrichtung.
Die Erzeugung eines Torsignals zur Steuerung der Übertragung des vom Komparator gelieferten Auslösesignals
gewährleistet, daß das Abschalten der überwachten Hochspannungsleitung nur dann stattfindet, wenn
der Fehlerzustand noch während des Zeitintervalls des verzögerten Torsignals vorliegt. Auf diese Weise wird
das unnötige Abschalten der Hochspannungsleitung bei Vorliegen eines geringfügigen, kurzzeitigen Überstromes
auf besonders einfache und sichere Weise verhindert
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher
beschrieben und erläutert. Es zeigt
F i g. 1 das Diagramm eines typischen Laststromes sowie des Fehlerstromes einer Hochspannungs-Wechselstromleitung
sowie des bei einer Stromunterbrechung auftretenden Stromes und
F i g. 2 ein detailliertes Blockschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung für eine drei phasenverschobene
Wechselströme führende Leitung.
Das Diagramm nach F i g. 1 zeigt einen typischen Laststrom // für ein elektrisches Verteilungsnetz,
beispielsweise ein Netz, das zwei Stränge aufweist, die von getrennten Generatoren gespeist werden, und das
über übliche Leistungsschalter Ubertragungsleitungen speist. Ein typischer Kurzschlußstrom, der in F i g. 1
durch eine Kurve //veranschaulicht ist, kann in einem solchen Netz bei einem symmetrischen Fehlerfall eine
Stärke von 40 kA erreichen, wogegen der normale Laststrom / / 2 kA beträgt. Wenn der Kurzschlußstrom
zur Zeit f2 unterbrochen sein soll, bevor er eine Stärke
von 1OkA erreicht, ist eine schnelle Feststellung des Fehlers im Zeitpunkt fi und das Auslösen des
Schaltvorganges innerhalb einer Millisekunde erforderlich, wie es die Erfindung ermöglicht. Der Schaltvorgang
umfaßt das öffnen eines in der Leitung liegenden Leitungsschalters, wodurch der Strom auf ein paralleles
Widerstandselement übertragen wird und daher den in F i g. 1 durch eine Kurve let dargestellten Verlauf
annimmt.
Es ist bekannt, daß der bei einem schweren Fehlerfall auftretende Fehlerstrom gegenüber der Generatorspannung
um 90° phasenverschoben ist und außerdem einen Gleichstrom- oder niederfrequenten Anteil
enthält, der als »Verschiebung« bezeichnet wird und dessen Größe von dem Zeitpunkt in bezug auf die
Generatorperiode abhängt, in dem der Fehlerfall eintritt. Wenn der Fehlerfall in einem Augenblick
eintritt, in dem die Generatorspannung Null ist, hat die Verschiebung einen Maximalwert. Umgekehrt ist die
Verschiebung Null, wenn der Fehlerfall in einem Augenblick eintritt, in dem die Generatorspannung ein
Maximum hat. Die Polarität der Verschiebung ist negativ, wenn die Generatorspannung abnimmt, und
positiv, wenn die Generatorspannung zunimmt, unabhängig von der augenblicklichen Polarität der Spannung.
Die vorstehend beschriebenen Verhältnisse ergeben sich aus der nachstehend behandelten mathematischen
Analyse. Der Fehlerstrom //ist eine Funktion der Zeit, wie sie angenähert die folgende Gleichung (1) angibt
// ~ k' (COS Hit — COS m/i ),
wenn für die Generatorspannung Vgen gesetzt wird, gilt:
Vgen=sin ω ί
und weiterhin gilt
ii = Zeitpunkt des Beginns des Fehlerzustandes,
ω = Kreisfrequenz der Generatorspannung,
k' = eine der Gesamtheit von Systemimpedanz und
Fehlerimpedanz zugeordnete Konstante.
Die in fig.2 dargestellte Ausführungsform einer
Vorrichtung' nach der Erfindung bewirkt eine Simulation des Fehlerstromes //einschließlich der richtigen
Verschiebung gegenüber der Generatorspannung mittels eines Operationsverstärkers und einer Abtast- und
Halteschaltung. Ein Signal k'(cosa>t) wird über
Leitungen 48, 49 dem invertierenden und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers a
zugeführt. In diesem Fall ist das Ausgangssignal des Operationsverstärkers gemäß der folgenden Gl. (2)
gleich Null:
V111JtI) = k'(cos...f) -k'(cosn./) =. 0. (2)
Wenn zur Zeit t\ (F i g. 1) eine Störung auf der Leitung
erkannt wird, wird das Signal auf der Leitung 49 des Operationsverstärkers auf dem Wert festgehalten, den
es zur Zeit t\ hatte. Danach hat das Ausgangssignal des
r> Operationsverstärkers den Wert:
Hierbei handelt es sich um den Ausdruck für den Fehlerstrom //bei Vorliegen eines schweren Fehlerfalls.
Die Konstante k' ist dem Netz eigen, in dem sich die Vorrichtung befindet, da sie für die Impedanz des
Netzes charakteristisch ist, und kann beim Einbau der Vorrichtung von Hand eingestellt werden. Das Signal
coswf wird beispielsweise vor dem Auftreten einer Störung von der Leitungsspannung K/abgeleitet.
Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform, die zu der Leistungsübertragung eines Dreiphasensystems
dient, wird die Leitungsspannung Vl zur Synchronisation
eines dreiphasigen Oszillators 36 benutzt, dessen Ausgangssignale gegenüber den auf den drei Leitern des
Systems unter normalen Lastbedingungen vorhandenen Wechselspannungen um 90° phasenverschoben sind.
Der Leitungsstrom //wird von einem voreingestellten Schwellenwertdetektor 42 überwacht. Wenn der Leitungsstrom
// den eingestellten Schwellenwert eine bestimmte Zeit überschreitet, wird ein digitales
Ausgangssignal erzeugt, das einen elektronischen Schalter 51 öffnet. Das digitale Ausgangssignal des
Schwellenwertdetektors 42 wird entsprechenden Schaltungsanordnungen für die anderen Wechselströme in
der gleichen Weise zugeführt, wie der in Fig.2 dargestellten Schaltungsanordnung die Signale von
Schaltungsanordnungen für die anderen Wechselströme an den Eingängen zugeführt werden, die mit »von den
anderen Phasen« bezeichnet sind. Entsprechend ist die zu den anderen Schaltungsanordnungen führende
Leitung mit »zu den anderen Phasen« bezeichnet. Das
digitale Ausgangssignal des Schwellenwertdetektors 42 löst auch einen Impulsgenerator 44 aus, der nach einer
festgelegten Zeit von etwa 1 ms einen verzögerten Torimpuls Cerzeugt.
Der Schalter Sl ist geschlossen, solange ein Fehlerfall nicht festgestellt worden ist. Es sind dann die
analogen Eingangssignale für den Operationsverstärker a die Signale A-'cos ω/und es ist das Ausgangssignal des
Operationsverstärkers Null. Die Verstärkung der beiden Operationsverstärker £>und c beträgt 1/| 3. Die
Eingangssignale des Operationsverstärkers b sind A-'cos ωί und Jt'cos (ωί+120°). Das Ausgangssignal ist
demgemäß A-'cos (ωί+150°), wie es die folgende Gl. (4)
zeigt, während entsprechend das Ausgangssignal des Operationsverstärkers c durch die folgende GI. (5)
wiedergegeben wird.
K«M =
150°).
fc'cos(«..f + 120°)]
180") + cos((..r + 120")] (4)
180") + cos((..r + 120")] (4)
Entsprechend ergibt sich für das Ausgangssignal des Operationsverstärkers c:
KuM) = V I 3[- fc'cosi.)/ + /c'cosfi"/ + 240°)]
= 1/|'3 ■ A'[cos(,.,/ + 180°) + cos(i.-/ + 240°)]
+ 210°). (5)
+ 210°). (5)
Hierbei handelt es sich um die Vektorbeziehungen für Zweiphasen-Fehlerströme zwischen dem ersten Wechselstrom
mit der Phase Φ 1 und den beiden anderen Wechselströmen mit den Phasen Φ 2 und Φ 3.
Solange der Schalter Sl geschlossen ist, sind die Ausgangssignale der Operationsverstärker d und e
ebenso wie das Ausgangssignal des Operationsverstärkers a gleich Null. Wenn der Schalter Sl durch den
digitalen Ausgangsimpuls P des Schwellenwertdetektors 42 geöffnet wird, werden die Werte der
Eingangssignale für jeweils einen Eingang der drei Operationsverstärker a, d und e auf dem jeweils
augenblicklichen Wert festgelegt. Die Ausgangssignale der Operationsverstärker sind dann durch die folgenden
Gl. (6), (7) und (8) gegeben:
— k' cosi')/ — k'
(6)
ΚΊ,.Μ) = l''3A'[cos(i.i/ + 150")-cosfi'if, + 150°)],
(7)
ΚΊ,Μ) = 1'3A-[COS(L,/ + 210") - COS(I.,/, + 210")].
ΚΊ,Μ) = 1'3A-[COS(L,/ + 210") - COS(I.,/, + 210")].
(8)
Die nach diesen Gleichungen gebildeten Ausgangssignale simulieren daher die möglichen Fehlerströme
bei einem schweren Fehlerfall, und zwar das Ausgangssignal des Operationsverstärkers a bei einem Fehler der
Phase Φ 1 gegen Erde, das Ausgangssignal des Operationsverstärkers c/bei einem Fehler zwischen den
Phasen Φ1 und Φ 2 und das Ausgangssignal des
Operationsverstärkers e bei einem Fehler zwischen den Phasen Φ I und Φ 3.
Diese Simulationen des kritischen Fehlerstromes If,
der nach einer gewissen Zeit die Grenzen der ι vorhandenen Leistungsschalter des Systems überschreitet,
werden für eine kurze Zeit mit dem tatsächlichen Leitungsstrom //verglichen. Dieser Vergleich wird von
einem Komparator 46 durchgeführt. Wenn das Zeitintegral des tatsächlichen Leitungsstromes //größer ist als
κι das Integral einer der simulierten Ströme, wird einer
Gruppe von UND-Gliedern 51, 5Γ, 51" ein digitales Ausgangssignal zugeführt. Ein Eingangssignal für jedes
der UND-Glieder wird von dem Torimpuls Cgebildet,
der etwa 1 ms nach dem Auslösen des Schwellenwertde-
i) tektors 42 erzeugt wird, beispielsweise nach 0,9 ms.
Diejenigen UND-Glieder, denen die Signale für zwischen zwei Phasen auftretende Fehlerströme zugeführt
werden, erhalten zusätzliche Eingangssignale, die von Ausgangssignalen von Schwellenwertdetektoren
2(1 geliefert werden, die zu den Schaltungsanordnungen
gehören, welche den Wechselströmen mit den Phasen Φ 2 und Φ 3 zugeordnet sind. Die Ausgangssignale
dieser drei UND-Glieder 51, 5Γ, 51" werden einem Exklusiv-ODER-Glied 61 zugeführt, dessen Ausgangs-
> signal ein Öffnen des Leitungsschalters veranlaßt. Wenn also am Ende des Zeitintervalls von 1 ms Dauer der
Komparator z. B. an seinem Ausgang 38 ein Auslösesignal erzeugt, das anzeigt, daß der tatsächliche
Fehlerstrom größer ist als der kritische Wert, wird der
jii Leitungsschalter geöffnet.
In der Praxis ergibt sich eine geringe Zeitverschiebung zwischen dem Auftreten eines Fehlers und der
Zeit, zu der der Leitungsstrom //den voreingestellten Schwellenwert überschreitet. Wenn dieser Unterschied
jj vernachlässigt wird, beginnt die Fehlersimulierung mit
einem unrichtigen Wert des Leitungsstromes //. Zur Berücksichtigung dieses Unterschiedes wird in den
Schwellenwertdetektor 42 ein elektrisches Signal k eingeführt, das den voreingestellten Schwellenwert des
4(i Stromes repräsentiert. Diese Konstante (Signal k) wird
als solche Verschiebung bei der Stromsimulierung eingeführt, daß die Simulierung stets mit der Stromstärke
beginnt, welche dem Schwellenwert gleich ist, und ein Ausgangsimpuls in dem Augenblick erzeugt wird, in
4> dem der tatsächliche Leitungsstrom // diesen Wert
überschreitet Auf diese Weise ist die sonst vorhandene Zeit- oder Stromdifferenz bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung berücksichtigt. Wenn der voreingestellte Schwellenwert sich aus irgendeinem Grunde ändert, so
wird auch die Kompensation automatisch geändert,'weil sie von dem voreingestellten Schwellenwert abhängt.
Obwohl die Schalter Sl, Sl' und Sl" aus Gründen
der Vereinfachung schematisch als elektromechanische Schalter dargestellt worden sind, versteht es sich, daß es
sich hierbei in der Praxis um elektronische Schalter handeln wird, diese Schalter also vorzugsweise aus
Transistoren bestehen, die in Abhängigkeit vom Steuerimpuls Pgeschaltet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Überwachung der Leistungsübertragung
einer Wechselstrom-Hochspannungs- ί leitung, die auf Änderungen der übertragenen
Leistung anzusprechen vermag und durch die bei Feststellen einer für einen möglichen Fehlerfall
charakteristischen Änderung ein Signal erzeugbar und einem Leistungsschalter zum Abschalten der ι ο
Hochspannungsleitung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen mit der
Hochspannungsleitung gekoppelten Oszillator (36) ein zur Leitungsspannung synchrones, gegenüber
dieser Leitungsspannung um 90° phasenverschobenes Ausgangssignal erzeugt und über zwei parallele
Zweige, von denen einer einen geschlossenen Schalter (51) enthält, den beiden Eingängen eines
Differenzbildners (Operationsverstärker a) zugeführt wird, daß durch einen mit der Hochspannungsleitung
gekoppelten SchweJlenwertdetektor (42) bei Überschreiten eines bestimmten Momentanwertes
des Leitungsstromes (I I) der Hochspannungsleitung ein Steuersignal (Steuerimpuls P) zum öffnen des in
dem einen zum Differenzbildner (Operationsver- 2r> stärker abführenden Zweig liegenden Schalters (51)
erzeugt wird, wodurch das diesem Eingang des Differenzbildners (Operationsverstärker a) zugeführte
Signal dem Potential beim öffnen des Schalters (51) entspricht und wodurch durch den jo
Differenzbildner (Operationsverstärker a) ein der Differenz zwischen dem dem anderen Eingang des
Differenzbildners (Operationsverstärker a) zugeführten Ausgangssignal des Oszillators (36) und dem
festgelegten Potential an dem einen Eingang π proportionales Bezugssignal geliefert wird, welches
mit dem dem Leitungsstrom (I I) proportionalen Leitungssignal in einem Komparator (46) verglichen
wird, durch dessen Ausgang bei einem das Bezugssignal überschreitenden Leitungssignal ein
Auslösesignal für den Leistungsschalter erzeugt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale mehrerer Komparatoren
(46), die jeweils einem von mehreren Vi Wechselströmen verschiedener Phase zugeordnet
sind, den Eingängen einer Unterbrecherlogik zugeführt werden, durch die in Abhängigkeit von den ihr
zugeführten Signalen das Auslösesignal erzeugt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzbildner ein stark negativ
rückgekoppelter Operationsverstärker (a) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Schwellenwertdetektor (42) «
erzeugte Steuersignal (Steuerimpuls P) dem Eingang eines Impulsgenerators (44) zugeführt wird, dessen
verzögerter Ausgangsimpuls (Torimpuls C) ein Torsignal bildet, durch das die Übertragung des vom
Komparator (46) gelieferten Auslösesignals für den tio
Leistungsschalter steuerbar ist.
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