DE2608572B2

DE2608572B2 - Vorrichtung zur Überwachung der Leistungsübertragung einer Wechselstrom-Hochspannungsleitung

Info

Publication number: DE2608572B2
Application number: DE2608572A
Authority: DE
Inventors: Arthur F. Woodland Hills Calif. Dickerson (V.St.A.)
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-03-06
Filing date: 1976-03-02
Publication date: 1978-08-31
Also published as: SE7602161L; US4002950A; DE2608572C3; DE2608572A1; JPS51113135A; JPS5623370B2; SE419012B; GB1535124A

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)

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)

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")].

(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

Patentansprüche:

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- 2^r> 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.