DE2720168C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kurzschlußüberwachung eines mehrphasigen elektrischen Leitungssystems gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 oder 2.

Eine solche Einrichtung ist beispielsweise bekannt aus Ingole, V. T.; Sant, M. T.; Paithankar, Y. G.: New technique for quadrilateral distance relay. In: Proceedings of the IEE, Bd. 121, Nr. 6, Juni 1974, S. 464-466.

Bei der bekannten Einrichtung sind auch Meßwertaufnehmer für Leitungsstrom und Leitungsspannung, eine Kurzschlußdistanz- Meßeinrichtung für die distanzselektive Erzeugung eines Auslösesignals sowie eine Mehrzahl von Bezugsimpedanzen vorgesehen, die an einen Leitungsstrom-Meßwertaufnehmer angeschlossen sind. Zwischen dem Spannungsabfall an je einer Bezugsimpedanz und der Spannung am Ausgang des Leitungsspannungs-Meßwertaufnehmers ist jeweils die Differenz gebildet. Diese Differenzspannungen sind jeweils an eine Phasenwinkel-Überwachungseinrichtung angeschlossen.

Bei Kurzschlüssen sehr nahe am Meßort bricht die Leitungsspannung fast auf Null zusammen, was die Auslösung im Bereich des Koordinaten-Nullpunktes unsicher macht. Hiergegen soll die Erfindung Abhilfe schaffen.

Aufgabe der Erfindung ist es, Überwachungseinrichtungen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 anzugeben, die ein sicheres Auslösen auch bei Nahfehlern ermöglichen. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 2 angegebenen Merkmale.

Durch die danach vorgesehene Einbeziehung eines Leitungsspannungssignals U _g , das nicht von der zu überwachenden Phase, sondern von einer anderen Phase oder von mehreren der anderen Phasen des mehrphasigen Leitungssystems durch geeignete Signalmischung oder Überlagerung abgeleitet ist, als Ersatz-Differenzsignal oder Ersatz- Bezugssignal unmittelbar in die Phasenwinkelüberwachung erhält das Auslösegebiet einen vom Koordinaten-Nullpunkt genügend weit entfernten Grenzverlauf, weil die anderen - d. h. von der jeweils überwachten Phase verschiedenen - Phasen nur bei mehrpoligen Kurzschlüssen mitbetroffen sind und daher in vielen Fällen eine ausreichend hohe Meßspannung liefern.

Die Erfindung wird weiter anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierin zeigt

Fig. 1 ein Zeigerdiagramm der Impedanz-Abbildspannungen in der komplexen U _X -U _R -Spannungsebene für ein viereckiges Auslösegebiet mit einem Eckpunkt im Koordinaten-Nullpunkt,

Fig. 1a ein Zeigerdiagramm der Differenzsignale mit Leitungsspannungssignal innerhalb des Auslösegebietes gemäß Fig. 1,

Fig. 1b ein Zeigerdiagramm entsprechend Fig. 1a, jedoch für ein Leitungsspannungssignal außerhalb des Auslösegebietes,

Fig. 2 ein schematisches Zeigerdiagramm für die Verhältnisse bei Stromrichtungsumkehr beim Kurzschluß,

Fig. 3 ein Zeigerdiagramm unter Einschluß eines von nichtüberwachten Phasen abgeleiteten Ersatz-Differenzsignals,

Fig. 4 ein Zeigerdiagramm gemäß Fig. 3, jedoch für Stromrichtungsumkehr beim Kurzschluß,

Fig. 5 ein Zeigerdiagramm mit einem zusätzlichen, von nicht überwachten Phasen abgeleiteten weiteren Spannungssignal für die Bildung eines zugehörigen Differenzsignals mit dem Leitungsspannungssignal,

Fig. 6 den Meßteil einer Kurzschlußdistanz-Meßeinrichtung, die nach den vorgenannten Diagrammen arbeitet,

Fig. 7 das Schaltbild einer Phasenwinkel-Überwachungseinrichtung mit Grenzwertüberwachung zum Anschluß an den Meßteil gemäß Fig. 6 und

Fig. 8 ein Signal-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Funktion der Schaltungen nach Fig. 6 und 7.

Zunächst wird anhand der Zeigerdiagramme die Funktion der Kurzschlußüberwachung erläutert, wobei die Erläuterung der Fig. 1, 1a, 1b und 2 noch bekannten Stand der Technik betrifft. Fig. 1 zeigt ein viereckiges Auslösegebiet mit den Eckpunkten 1 bis 4, wobei die Punkte 2, 3 und 4 durch Bezugsspannungen (Impedanz-Abbildspannungen) U₂, U₃ und U₄ bestimmt sind. Gemäß Fig. 1a werden dann unter Zuhilfenahme des durch Messung an der zu überwachenden Phase gewonnenen Leitungsspannungssignals U _K die Differenzsignale Ud₂ = U₂-U _K , Ud₃ = U₃-U _K und Ud₄ = U₄-U _K gebildet sowie zusätzlich ein Bezugssignal Ud₁ = -U _K , welches in die Überwachung der relativen Phasenwinkel zwischen allen von der Spitze des Zeigers des Leitungsspannungssignals U _K ausgehenden Zeigern einbezogen wird und damit den Koordinaten-Nullpunkt als Eckpunkt 1 bestimmt. Fig. 1a zeigt nun für die hier angenommene Lage der Zeigerspitze des Leitungsspannungssignals U _K im Inneren des viereckigen Auslösegebietes 1-2-3-4, daß keiner der relativen Phasenwinkel zwischen aufeinanderfolgenden Differenzsignalen Ud₂ bis Ud₄ bzw. zwischen dem zusätzlichen Bezugssignal Ud₁ und den benachbarten Differenzsignalen Ud₂ bis Ud₄ den Grenzwert 180° erreicht. Dies ist erst bei einer Lage der Zeigerspitze von U _K auf der Grenze des Auslösegebietes 1-2-3-4 der Fall. Bei einer Lage der Zeigerspitze von U _K außerhalb des Auslösegebietes 1-2-3-4 gemäß Fig. 1b ist dagegen der relative Phasenwinkel zwischen U _d3 und U _d4 größer als 180°.

Bei vermaschten Leitungsnetzen, z. B. bei parallelen Leitungen zwischen zwei Sammelschienen, kann u. U. durch einen Kurzschluß mit Stromrichtungsumkehr bzw. Umkehr der Energieflußrichtung an einem Meßort eine Kurzschlußlage innerhalb der für die Schutzeinrichtung dieses Meßortes vorgesehenen Zonengrenze vorgetäuscht werden. Dies ist bei der vorliegenden Kurzschlußüberwachung mit - noch im einzelnen zu erläuternder - Bildung der eckpunktbestimmenden Abbildspannungen als Leitungsstrom- Spannungsabfall an den Bezugsimpedanzen Z₂ bis Z₄ in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise ausgeschlossen, weil diese Abbildspannungen bei Stromrichtungsumkehr ihre Phase um 180° drehen und damit das nunmehr invers angeordnete Auslösegebiet 1-2-3-4 bestimmen, innerhalb dessen der von der Stromrichtungsumkehr nicht betroffene Zeiger des Leitungsspannungssignals U _K nicht liegt. Zum Vergleich ist das Auslösegebiet für die ursprüngliche Stromrichtung in Fig. 2 strichliert angedeutet.

Bei Kurzschlüssen sehr nahe am Meßort bricht die Leitungsspannung fast auf Null zusammen, was einem ebenso geringen Betrag des Leitungsspannungssignals U _K entspricht und die Auslösung im Bereich des Koordinaten-Nullpunktes unsicher macht. Hiergegen schafft die Erfindung, im folgenden anhand von Fig. 3 erläutert, Abhilfe, indem ein weiteres Spannungssignal U _g , das nicht von der zu überwachenden Phase, sondern von einer anderen Phase oder von mehreren solcher anderen Phasen eines mehrphasigen Leitungssystems R, S, T durch geeignete Signalmischung oder Überlagerung abgeleitet ist, als Ersatz- Differenzsignal oder Ersatz-Bezugssignal - im Vergleich zu Fig. 1a und Fig. 1b z. B. als Ersatz für Ud₁ - unmittelbar in die Phasenwinkelüberwachung einbezogen wird. Das Auslösegebiet 1-2-3-4 erhält damit einen vom Koordinaten- Nullpunkt genügend weit entfernten Grenzverlauf, weil die anderen - d. h. von der jeweils überwachten Phase verschiedenen - Phasen nur bei mehrpoligen Kurzschlüssen mitbetroffen sind und daher in vielen Fällen eine ausreichend hohe Meßspannung liefern. Im Hinblick auf mehrpolige Kurzschlüsse, insbesondere dreipolige, können sogenannte "Erinnerungsschaltungen" eingesetzt werden, die den Verlauf der Leitungsspannung vor Kurzschlußeintritt für eine gewisse Zeit angenähert fortsetzen und damit für die Bildung des weiteren Spannungssignals U _g ausreichende Meßspannungen liefern. Auch eine solche Kurzschlußüberwachung ist unempfindlich gegen Fehlauslösung infolge Stromrichtungsumkehr, wie der in Fig. 4 dargestellte Übergang vom Auslösegebiet 1-2-3-4 zum Auslösegebiet 1-2′-3′-4′ durch Phasenumkehr der entsprechenden Impedanz- Abbildspannungen zeigt.

Eine andere Möglichkeit zur Entfernung der Auslösegrenze vom Koordinaten-Nullpunkt besteht erfindungsgemäß darin, von der Leitungsspannung mindestens einer von der überwachten Phase R verschiedenen Phase S, T des Leitungssystems R, S, T - in noch zu erläuternder Weise - ein weiteres Spannungssignal U _g abzuleiten und mit dem Leitungsspannungssignal U _K der überwachten Phase R ein Differenzsignal Ud₁ zu bilden und in die Phasenwinkelüberwachung einzubeziehen. Die sich so ergebende Konfiguration des Auslösegebietes ist in Fig. 5 dargestellt. Auch hier bietet sich wieder die Möglichkeit der Verwendung der Leitungsspannungssignale der nicht überwachten Phasen S, T für die Bildung des weiteren Spannungssignals U _g im Hinblick auf mehrpolige Kurzschlüsse.

Die Phasenwinkelüberwachung erfolgt zweckmäßig mit einer Grenzwertüberwachung von wenigstens annähernd 180°. Damit ergibt sich eine wirksame Grenze des Auslösegebietes, die durch Geraden zwischen den Eckpunkten bestimmt ist. Grundsätzlich kann die Phasenwinkelüberwachung jedoch auch mit einer Grenzwertüberwachung auf von 180° abweichende Grenzwerte, insbesondere auf größere Grenzwerte, durchgeführt werden. Damit ergeben sich gekrümmte Grenzlinienabschnitte des Auslösegebietes zwischen den Eckpunkten.

Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Schaltung zur Durchführung von Kurzschlußüberwachungen der vorgenannten Art umfaßt einen an die hier überwachte Phase R eines dreiphasigen Leitungssystems R, S, T angeschlossenen Leitungsspannungs- Meßwertaufnehmer UMR in Form eines Spanungswandlers sowie einen ebenfalls an die Phase R angeschlossenen Leitungsstrom-Meßwertaufnehmer IM in Form eines Stromwandlers mit drei Sekundärwicklungen, deren jede eine Bezugsimpedanz Z₂, Z₃, Z₄ als Bürde mit einem Leitungsstromsignal beaufschlagt. Somit treten an diesen Bezugsimpedanzen Z₂ bis Z₄ die bereits erwähnten Impedanz-Abbildspannungen U₂, U₃ und U₄ auf, während an der Sekundärwicklung des Leitungsspannungs- Meßwertaufnehmers UMR unmittelbar das Leitungsspannungssignal U _K vorhanden ist. Differenzverstärker D₂ bis D₄ sind an den Leitungsspannungs-Meßwertaufnehmer UMR einerseits und an den Bezugsimpedanzen Z₂ bis Z₄ andererseits angeschlossen und liefern an ihren Ausgängen A₂ bis A₄ die erläuterten Differenzsignale Ud₂ bis Ud₄. Über einen Inverter IV₁ und einen - zur dargestellten Stellung entgegengesetzt geschalteten - Umschalter S₁ liefert der Leitungsspannungs- Meßwertaufnehmer UMR weiterhin an einen weiteren Ausgang A₁ das Signal Ud₁ = -U _K . Damit sind zunächst die für die Verfahrensvarianten nach den Fig. 1, 1a und 1b erforderlichen Signale bereitgestellt.

Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Kurzschlußüberwachungen gemäß Fig. 3 und Fig. 5 wird der Umschalter S₁ in die dargestellte Schaltstellung gebracht. Weitere Leitungsspannungs-Meßwertaufnehmer UMS und UMT, die an die gemäß Fig. 6 nicht überwachten Phasen S, T angeschlossen sind, liefern an Potentiometern PS, PT einstellbare Spannungssignalkomponenten, die in einem Summierverstärker SV zu dem weiteren Spannungssignal U _g = k ₁ · U _S + k ₂ · U _T mit an den Potentiometern PS und PT einstellbaren Koeffizienten k₁ und k₂ überlagert werden. Über einen weiteren Differenzverstärker D₁, der bei der dargestellten Schaltstellung eines weiteren Umschalters S₂ das Leitungsspannungssignal U _K an seinem subtraktiven Eingang führt, wird ein Differenzsignal Ud₁ = U _g - U _K gebildet und an den weiteren Ausgang A₁ zur Einbeziehung in die Phasenwinkelüberwachung PU bereitgestellt. Durch Umstellen des Umschalters S₂ entfällt die Subtraktion des Leitungsspannungssignals U _K , so daß das weitere Spannungssignal U _g unmittelbar in die Phasenwinkelüberwachung PU eingeführt wird. Mittels eines - strichliert als Alternative angedeuteten - Inverters IV₂ kann weiter ein der verketteten Spannung zwischen S und T entsprechendes und in einem Phasendrehglied Ph um 90° verschobenes Spannungssignal als U _g gebildet werden. Endlich können Schwingschaltungen SWS und SWT, welche die Wandler-Sekundärwicklungen als Schwinginduktivitäten benutzen und wie dargestellt in synchronisierender Steuerverbindung mit den betreffenden Phasenspannungen stehen (über die Wandler-Primärwicklungen), für die Bildung der Spannungssignale bei mehrpoligem Kurzschluß vorgesehen werden.

Die in Fig. 7 dargestellte Phasenwinkelüberwachungsschaltung PU umfaßt an die Ausgänge A₁ bis A₄ angeschlossene Trigger TR₁ bis TR₄, die aus den positiven Halbschwingungen der Differenzsignale Ud₁ bis Ud₄ entsprechende Rechteckimpulse bilden. Letztere werden als Binärsignale weiterverarbeitet. Alle Rechteckimpulse werden über ein negiertes ODER-Gatter GO überlagert, dessen Ausgang nur dann das Signal "1" führt, wenn keiner der Rechteckimpulse ansteht, d. h. wenn eine Lücke in der Überlagerung der gesamten Rechteckimpulsfolge auftritt. In diesem Fall wird ein im Ausgangszustand über einen Eingang RS zurückgestelltes Flip-Flop FF₁ derart umgeschaltet, daß ein nachfolgendes UND-Gatter GU₂ gesperrt ist, während dieses ohne Auftreten einer Lücke in der Rechteckimpulsfolge vorbereitet bleibt.

An einem Eingang AR wird durch eine Kurzschlußdistanz-Meßeinrichtung ein in üblicher Weise erzeugtes Anregesignal bei Kurzschlußdetektion zugeführt, das in Abhängigkeit von der Lage der Zeigerspitze des Leitungsspannungssignals U _K innerhalb oder außerhalb des Auslösegebietes zum Auslöseausgang AS durchgeschaltet bzw. gesperrt werden soll. Diese Selektionierung erfolgt mittels eines über ein geringfügig verzögerndes Zeitglied ZT von AR vorbereitetes UND-Gatter GU₁. Ein gleichzeitig angestoßenes Monoflop MF mit einer Rückschaltzeit entsprechend einer Periode der Netzspannung, d. h. einer Periode der Folgefrequenz der Rechteckimpulsfolge, führt über ein weiteres Flip-Flop FF₂ zunächst zur Sperrung des UND-Gatters GU₁ und schaltet dieses entsprechend der Vorbereitung durch die Anregung beim Rückschalten von MF nur dann zum Ausgang AS durch, wenn bis zum Ablauf der Rückschaltzeit von MF keine Lücke in der überlagerten Rechteckimpulsfolge aufgetreten ist. Dazu spricht der an GO angeschlossene, dynamische Eingang (im Gegensatz zu den dargestellten Eingängen von MF und FF₂) von FF₁ auf die negative Anfangsflanke einer solchen Lücke an.

In Fig. 8, Zeile a) ist die Überlagerung der Rechteckimpulsfolge entsprechend den positiven Halbschwingungen der Differenzsignale Ud₁ bis Ud₄ für den Fall eines Phasenwinkels von 180° zwischen Ud₄ und Ud₃ dargestellt. Dies ist der Grenzfall der Lage der Zeigerspitze des Leitungsspannungssignals U _K auf der Grenzlinie des Auslösegebietes. Zeile b) zeigt dagegen eine Überlagerung entsprechend der Zeigerspitze des Leitungsspannungssignals U _K innerhalb des Auslösegebietes, etwa gemäß Fig. 1a. Hier tritt keine Lücke in der Überlagerung auf, weil keiner der relativen Phasenwinkel benachbarter Signale bzw. Rechteckimpulse der Differenzsignale U _d ₁ bis U _d ₄ 180° erreicht. Bei einer Überlagerung gemäß Zeile c) entsprechend einer Lage der Zeigerspitze des Leitungsspannungssignals U _K außerhalb des Auslösegebietes tritt dagegen eine Lücke auf, deren negative Anfangsflanke in der anhand von Fig. 7 ein Anregesignal sperrt, während dieses in den Fällen gemäß Zeilen a) und b) nach Ablauf eines Zeitintervalls von einer Netzspannungsperiode zur Auslösung durchgeschaltet wird. Damit ist die Wirksamkeit der Phasenwinkelüberwachung mit der Phasenwinkelüberwachungsschaltung PU gemäß Fig. 7 wie auch die gesamte, distanzselektive Kurzschlußüberwachung dargetan.

Es hat sich ferner ergeben, daß jede Phase des Leitungssystems mit einem hinsichtlich des zeitlichen Funktionsablaufes einheitlichen Meßsystem überwacht werden kann. Im Gegensatz zu bekannten Einrichtungen, die eine Wirkkombination mehrerer, zeitlich parallel arbeitender Meßsysteme aufweisen und die Kurzschlußselektion erst mit dem Vorliegen der Ergebnissignale aller Meßsysteme durchführen können, hat das vorliegende Überwachungssystem den Vorteil der größeren Betriebssicherheit. Bei Mehrfachsystemen mit gegebenenfalls unterschiedlich schnell arbeitenden Teilmeßsystemen kann nämlich im Intervall zwischen der Bereitstellung der verschiedenen Teilergebnisse eine Veränderung im Betriebszustand des Leitungssystems eintreten, so daß die schließlich vorliegenden und miteinander zu kombinierenden Teilergebnisse auf unterschiedlichen Zuständen beruhen und unter Umständen miteinander nicht mehr kompatibel sind.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Kurzschlußüberwachung eines mehrphasigen elektrischen Leitungssystems (R, S, T), bei dem für jeweils eine Leitungsphase aus Leitungsstrom (I) und einem Leitungsspannungssignal (U _K ) in Abhängigkeit von der Distanz zwischen Meßort und Kurzschlußort ein Auslösesignal gebildet wird, wobei eine Mehrzahl von Bezugsspannungen (U₂ bis U₄) gebildet wird, deren Verhältnis zum herrschenden Leitungsstrom (I) je einer vorgegebenen Bezugsimpedanz (Z₂ bis Z₄) nach Betrag und Phase entspricht, wobei ferner aus den einzelnen Bezugsspannungen (U₂ bis U₄) sowie aus einem weiteren Spannungssignal (U _g ) und dem Leitungsspannungssignal (U _K ) Differenzsignale (Ud₁ bis Ud₄) gebildet werden und die Phasenwinkel zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Differenzsignalen (Ud₁ bis Ud₄) einer Grenzwertüberwachung mit einem Grenzwert von wenigstens annähernd 180° unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Spannungssignal (U _g ) von einer Leitungsspannung einer von der zu überwachenden Phase (R) verschiedenen Phase (S, T) abgeleitet ist (Fig. 5).

2. Abgeänderte Einrichtung zur Kurzschlußüberwachung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Differenzsignals (Ud₁) aus dem weiteren Spannungssignal (U _g ) und dem Leitungsspannungssignal (U _K ) das weitere Spannungssignal (U _g ) unmittelbar in die Phasenwinkelüberwachung einbezogen wird (Fig. 3).

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leitungsstrom-Meßwertaufnehmer (IM) und ein Leitungsspannungs-Meßwertaufnehmer (UMR), der an seinem Ausgang das Leitungsspannungssignal (U _K ) bildet, für jede zu überwachende Phase des Leitungssystems (R, S, T) vorgesehen sind, daß die Bezugsimpedanzen (Z₂ bis Z₄) an den Leitungsstrom-Meßwertaufnehmer (IM) angeschlossen sind, daß jede Bezugsspannung (U₂ bis U₄), die sich an der entsprechenden Bezugsimpedanz (Z₂ bis Z₄) bildet, zusammen mit dem Leitungsspannungssignal (U _K ) an einen Differenzbildner (D₂ bis D₄) angeschlossen ist und daß die Ausgänge dieser Differenzbildner (D₂ bis D₄) an eine Phasenwinkel-Überwachungseinrichtung (PU) angeschlossen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Leitungsspannungs-Meßwertaufnehmers (UMR) zusätzlich an einen weiteren Eingang der Phasenwinkel- Überwachungseinrichtung (PU) angeschlossen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Leitungsspannungs-Meßwertaufnehmer (UMS, UMT) vorhanden ist, der die Leitungsspannung von einer von der überwachten Phase (R) verschiedenen Phase (S, T) des Leitungssystems (R, S, T) bestimmt und dessen Ausgang zusammen mit dem Leitungsspannungssignal (U _K ) der überwachten Phase (R) an einen zusätzlichen Differenzbildner (D₁) angeschlossen ist und daß der Ausgang dieses zusätzlichen Differenzbildners (D₁) an einen weiteren Eingang der Phasenwinkel-Überwachungseinrichtung (PU) angeschlossen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Leitungsspannungs-Meßwertaufnehmer (UMS, UMT) vorhanden ist, der die Leitungsspannung von einer von der überwachten Phase (R) verschiedenen Phase (S, T) des Leitungssystems (R, S, T) bestimmt, dessen Ausgang an einen weiteren Eingang der Phasenwinkel- Überwachungseinrichtung (PU) angeschlossen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens eine von der überwachten Phase (R) verschiedene Phase (S, T) des Leitungssystems (R, S, T) eine auf die Grundschwingung der Leitungsspannung abgestimmte Schwingschaltung (SWS, SWT) vorgesehen ist, die mit der zugehörigen Leitungsspannung in synchronisierender Steuerverbindung und mit dem zugehörigen Leitungsspannungs- Meßwertaufnehmer (UMS, UMT) in Schaltverbindung steht.