DE3744615C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Fehlerortung von Kurz- und Erdschlüssen in Hoch- und Mittelspannungsnetzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fehlortung von Kurz- oder Erdschlüssen in ausgedehnten Hoch- oder Mittelspannungsnetzen mit Knoten und Teilabschnitten und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Elektrische Hoch-und Mittelspannungsnetze (im folgenden kurz "Netze" genannt), insbesondere solche in ländlichen Gebieten, haben im allgemeinen eineuneinheitliche Struktur, die von vermascht betriebenen Teilbereichen bis zu rein strahlenförmigen Gebieten reicht.

Zur Fehlersuche sind bei komplizierter Netzstruktur umfangreiche und zeitraubende Schaltmaßnahmen erforderlich.

Der digitale Distanzschutz bietet die Möglichkeit, die Fehlerimpedanz zu messen und über Fernwirkkanäle zur Weiterverarbeitung bereitzustellen Hierdurch ist eine dezentrale oder zentrale Fehlerortung möglich.

Ein digitales Distanzschutzrelais ist von Hubensteiner, M. u. a. in ETG- Fachberichte 14, (Mikroelektronik in der Energietechnik), 1984, S. 32- 41: Der Weg zum digitalen Selektivschutz;beschrieben. Bei dem bekannten Distanzrelais werden die aus Strom- und Spannungswandler erhaltenen Meßgrößen eine Eingangsnetzwerk mit Übertragern zur galvanischen Entkopplung und mit Filterschaltungen zugeführt. Ein A/D- Umsetzer digitalisiert die Meßgrößen. Mit einem Mikrorechner wird die Impedanz- und Richtungsbestimmung mit entsprechender Zeitstaffelung ausgeführt. Die aus der Berechnung erhaltenen Auslösbefehle werden über Schaltrelais an Leistungsschalter gegeben.

Es ist auch ein digitales Schutzsystem für Energieübertragungsnetze bekannt, bei dem die Impedanz aus Abtastwerten der gemessenen Ströme und Spannungen mit der der Fourieranalyse bestimmt wird (Chan, F C. etal.: Power - system digital back-up protection. In: IEE Proc. Vol. 129 (1982) Pt.C, Nr. 6, S.306-314).

Bei ausgedehnten Hoch- und Mittelspannungsnetzen können durch Einsatz des digitalen Distanzschutzes die Störungszeiten erheblich verkürzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zentralen Fehlerortung von Kurz- und Erdschlüssen in ausgedehnten Hoch- und Mittelspannungsnetzen zu entwickeln, dies mit einer geringen Zahl von Distanzschutzeinrichtungen auskommt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 bezüglich des Verfahrens und bezüglich der Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 7, gelöst. Mit den im Anspruch 1 beschriebenen Verfahren ist es möglich, auch mit einer geringen Zahl von Distanzschutzeinrichtungen in einem ausgedehnten Netz Fehler entweder bis auf Leistungsabschnitte genau zu lokalisieren oder den Netzabschnitt festzustellen, in dem ein Fehler aufgetreten ist. Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, unter Ausnutzung der jeweils vorhandenen Netztopologie berechnete Impedanzen mit den im Fehlerfalle gemessenen Impedanzen zu vergleichen.

Vorzugsweise werden die für die Netzteile berechneten Impedanzen gemäß dem jeweiligen Schaltzustand des Hoch- und Mittelspannungsnetzes mit den jeweils gemessenen Impedanzen der Distanzschutzeinrichtungen verglichen. Der Schaltzustand des Netzes kann sich durch Leistungsumschaltung oder -abschaltung ändern. Hierdurch und durch Ausfall des Distanzschutzes kann sich auch die Anzahl er Distanzschutzeinrichtungen, die den Fehlerort einmessen, ändern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Belastungs- und Einspeiswerte entsprechend dem jeweiligen Schalt- und Lastzustand des Netzes bei der Bestimmung der Impedanzen berücksichtigt. Zur Bestimmung der Impedanzen wird die Methode "Kurzschluß mit Vorbelastung" verwendet.

Es können alle möglichen Fehlerorte auch im voraus berechnet werden. Diese Maßnahme ist insbesondere dann günstig, wenn das Netz eine große Anzahl von Netzknoten hat. Bei Auftreten eines Fehlers ist dann keine Impedanzmessung erforderlich, sondern zur Fehlerortung genügt ein Suchvorgang. Hierdurch wird eine Verkürzung des Ortungsvorgangs erreicht. Durch topologische Vorauswahl kann die Anzahl der Rechnungen reduziert werden.

Von den Distanzschutzeinrichtungenrelais werden die Meßimpedanzen zweck­ mäßigerweise nach einer Einschwingzeit verwertet, die vor einer etwaigen Auslösung eines zugeordneten Leistungsschalters endet. Hierdurch wird eine genauere Erfassung der Meßimpedanzen erreicht. Alle im Netz vor­ handenen Distanzschutzeinrichtungen, die anregen, werden zweckmäßiger­ weise für die Impedanzmessung herangezogen′ uni den Fehlerort möglichst genau eingrenzen zu können. Vorzugsweise werden in den Distanzschutz­ einrichtungen mehrere aufeinanderfolgend erfaßte Meßimpedanzen gespei­ chert. Anhand der Meßimpedanzen können Folgefehler festgestellt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung der oben beschriebenen Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß ein Rechner über Fernwirkleitungen mit den Distanzschutzeinrichtungen des Hoch- oder Mittelspannungsnetzes und mit den Stellungsmeldern für die Leistungs- und Trennschalter sowie den Transformator-Stufenstellern verbunden ist. Die Distanzschutzeinrich­ tungen können in kompensierten Netzen zur Erdschlußerfassung oder in wirksam geerdeten Netzen angeordnet sein. In kompensierten Netzen werden zur Fehlerentfernungsmessung transiente und stationäre Größen verwendet, wie dies in der DE 36 36 367 A1 vorgeschlagen wurde. In wirksam geerdeten Netzen werden netzfrequente Größen für die Fehler­ entfernungsbestimmung verwendet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

In der Zeichnung ist ein Netz dargestellt, mit einer Einspeisesammel­ schiene A, die zwei Abzweige 1, 2 enthält, die jeweils über Leistungs­ schalter 3, 4 mit der Einspeisesammelschiene A verbunden sind. An der Einspeisesammelschiene A sind zwei Distanzschutzeinrichtungen 5, 6 vor­ handen, die jeweils einem Abzweig 1, 2 zugeordnet sind. Die Distanz­ schutzeinrichtungen 5, 6 sind mit nicht näher bezeichneten Meßwertgebern für die über die Abzweige 1, 2 fließenden Ströme und mit Meßwertgebern für die Spannung auf der Einspeisesammelschiene A verbunden. An die Abzweige 1, 2 sind jeweils Einspeisesammelschienen B, F angeschlossen. Diese sind durch eine Leitung 7 miteinander verbunden. Von der Einspeise­ sammelschiene B gehen Abzweige 8, 9, 10 aus. Für den Abzweig 8 ist ein Leistungsschalter 11 vorgesehen. Die Abzweige 9, 10 sind über einen gemeinsamen Leistungsschalter 12 mit der Einspeisesammelschiene B ver­ bunden, die einen in der Zeichnung nicht näher bezeichneten Meßwertgeber für die Sammelschienenspannung enthält. Den Leistungsschaltern 11, 12 sind nicht näher bezeichnete Meßwertgeber für Ströme nachgeschaltet. Die Abzweige 8, 9, 10 verlaufen jeweils zu Verbrauchern C, D, E.

Von der Einspeisesammelschiene F geht ein Abzweig 13 zu einem Verbraucher G aus. Die Einspeisesammelschiene F enthält einen nicht näher bezeich­ neten Meßwertgeber für die Sammelschienenspannung. Im Abzweig 13 ist ein Leistungsschalter 14 vorgesehen, dem ein nicht näher bezeichneter Meß­ wertgeber für die Ströme nachgeschaltet ist.

Die Distanzschutzeinrichtungen 5, 6 und sämtliche Meßwertgeber für Ströme und Spannungen sowie die nicht näher dargestellten Stellungsmelder der Leistungsschalter 3, 4, 11, 12, 14 und nicht dargestelltem Trennschalter sind an einen zentralen Rechner 15 angeschlossen.

Die Distanzschutzeinrichtungen 5, 6 werden für die Fehlerortung im gesamten, in der Zeichnung dargestellten Netzabschnitt benutzt. Das Netz besteht aus dem die Einspeisesammelschienen verbindenden Leitungsring AB, BF, FA und den die Einspeisesammelschienen mit den Verbrauchern ver­ bindenden Verzweigungen BC, BD, BE und FG. Die Fehlerortung wird mit Hilfe der Impedanzen der verschiedenen Leitungsabschnitte durchgeführt. Die Impedanzen zwischen den Einspeisesammelschienen A und B, B und F und F und A sind im folgenden mit Z_AB, Z_BF und Z_FA bezeichnet. Die Impedanzen zwischen den Einspeisesammelschienen B, F und den Verbrauchern C, D, E, G sind mit Z_BC, Z_BD, Z_BE und Z_FG bezeichnet.

Von den Distanzrelais 5, 6 werden bei einem Netzfehler die Fehler­ impedanzen gemessen, die mit Z₅ und Z₆ bezeichnet sind.

Die Netztopologie ist im Rechner 15 gespeichert. Den aktuellen Zustand des Netzes geben die Stellungsmelder der Leistungs- und Trennschalter sowie die Transformator-Stufensteller dem Rechner 15 an. Im Rechner ist daher ein Modell des Netzes gespeichert, das z. B. für ein Netz gemäß der Zeichnung zu den Abzweigen 1, 2, 7, 8, 9, 10, 13 die Impedanzen Z_AB, Z_BF, Z_FA, Z_BC, Z_BD, Z_BE und Z_FG aufweist.

Der Fehlerort wird durch Vergleich der im Fehlerfall gemessenen Impe­ danzen Z₅, Z₆ mit den Impedanzen der miteinander verbundenen Leitungs­ abschnitte ermittelt. Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung enthält einen Leitungsring mit der Summenimpedanz Z_r = Z_AB + Z_BF + Z_FA.

Mit dieser Summenimpedanz wird im Falle eines Fehlers zuerst die Summe der von den Distanzschutzeinrichtungen gelieferten Meßimpedanzen Z₅ und Z₆ verglichen.

Wenn die Summe der Meßimpedanzen der beiden Relais der Summenimpedanz des Leitungsringes entspricht, liegt der Fehlerort auf dem Leitungsring und kann eindeutig identifiziert werden:

Z₅ + Z₆ = Z_r

Ergibt der Vergleich, daß die Summe der Meßimpedanzen größer ist, dann liegt der Fehlerort auf einem Abzweig. Dabei sind eindeutige oder mehr­ deutige Fehlerortbestimmungen möglich. Dies wird durch weitere Vergleiche festgestellt. Hieraus ergibt sich die eindeutige Fehlerortbestimmung auf dem Leitungsabschnitt zwischen F und G:

Z₅ < Z_AB + Z_BF
Z₆ < Z_AF

- die mehrdeutige Fehlerortbestimmung:

Z₅ < Z_AB
Z₆ < Z_AB + Z_FB

Der Fehlerort kann auf einem der Leitungsabschnitte zwischen B und C oder E und D oder B und E Liegen, ohne daß dies aufgrund der Meßwerte der beiden Distanzrelais unterschieden werden kann. Falls diese drei Leitun­ gen an der Sammelschiene B ebenfalls mit Distanzschutzeinrichtungen ausgestattet sind, deren Impedanzmeßwerte an den zentralen Rechner über­ tragen werden, ist eine eindeutige Fehlerortung möglich. Wenn dies nicht erfüllt ist, kann anhand der Schalterfallmeldungen im Rechner 15 eine weitere Eingrenzung des Fehlerortes vorgenommen werden.

Aus der Impedanz des Fehlerorts wird dann die Entfernung zwischen der Zentrale und dem Fehlerort berechnet.

Vorzugsweise werden im Falle eines Fehlers die oben erwähnten Impedanzen anhand der aktuellen Netzeinspeise- und Lastverhältnisse mit dem Rechner 15 berechnet. Hierfür eignet sich besonders das Verfahren "Kurzschluß mit Vorbelastung". Die Belastungs- und Einspeisewerte werden von den Meßwert­ gebern zur Verfügung gestellt. Die Netztopologie ergibt sich unter anderem aus den Stellungsmeldesignalen der Schalter.

Bei umfangreichen Netzen mit einer Reihe von Distanzschutzeinrichtungen wird sich die Zahl der jeweils Überwachungsaufgaben ausführenden Distanz­ schutzeinrichtungen in Abhängigkeit von Leitungsumschaltungen und -abschaltungen ändern. Der Rechner 15 erfaßt über die Stellungsmelder der Schalter die für den jeweiligen Schaltzustand des Mittelspannungsnetzes maßgebenden Anzahl von Distanzschutzeinrichtungen. Die Abzweige 1, 2, 7, 8, 9, 10, 13 können Teilabschnitte mit unterschiedlichen Querschnitten aufweisen.

Je nach dem Aufbau und der Größe des Netzes können auch die möglichen Fehlerorte vorausberechnet werden. Dies ist eine Frage der Rechenzeit, die wiederum vom jeweiligen Netzaufbau abhängt. Die möglichen Fehlerorte werden durch Kurzschlußberechnungen ermittelt. Durch topologische Voraus­ wahl kann die Anzahl der Rechnungen für die möglichen Fehlerorte ver­ ringert werden. Der Fehlerort wird auf der Basis einer topologischen Vorgehensweise ungefähr festgestellt. Danach wird in den relevanten Teilen des Netzes der Fehlerort genauer berechnet. Damit kann Rechenzeit eingespart werden. Diese Daten können auch an ein Netzleitsystem über­ mittelt werden. Es ist günstig, die möglichen Fehlerorte auf einem Netz­ leitmonitor bzw. in einer Graphik darzustellen.

Für die Berechnung der Impedanzen werden vorzugsweise Meßwerte verwendet, die nach dem Einschwingen der Meßalgorithmen auftreten. Die Meßwerte müssen jedoch vor der Auslösung des jeweiligen Leistungsschalters fest­ gestellt worden sein. Da für die Fehlerortung nicht Distanzschutzeinrich­ tungen an allen Abzweigen vorhanden sind, ist es am günstigsten, alle im Netz vorgesehenen Distanzschutzeinrichtungen für die Messung heranzu­ ziehen, die anregen.

Vorzugsweise werden die Meßimpedanzen der Distanzschutzeinrichtungen mit einer Echtzeitkennung versehen, die eine Auflösung von 1 ms hat.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform können die Distanzschutzein­ richtungen mehrere Meßimpedanzen speichern. Hierdurch ist es möglich, Folgefehler auszuwerten. Für jeden Fehlervorgang im Netz können die Meß­ impedanzen jeweils entweder über einen Zeitraum von ca. 100 ms fort­ laufend gespeichert werden oder einmalig nach einem definierten Zeitpunkt nach der Anregung übernommen werden.

Die Meßimpedanzen werden von den Distanzschutzeinrichtungen auf Anforde­ rung hin für vorgebbare Meßzeitpunkte an den Rechner 15 geliefert. Es ist zweckmäßig, wenn die Distanzschutzeinrichtungen die Meßimpedanzen mit einer Kennung der Anregungsart (Fehlerart) und der betroffenen Phasen bereitstellen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Fehlerortung von Kurz- und Erdschlüssen in Hoch- oder Mittelspannungsnetzen, die Knoten und Leitungsabschnitte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mit im jeweiligen Hoch- oder Mittelspannungsnetz angeordneten Distanzschutzeinrichtungen bei einem Kurz- oder Erdschluß Netzimpedanzen gemessen werden, daß die gemessenen Netzimpedanzen als Summe und/oder einzeln mit Impedanzen von unterschiedlichen Teilen des Netzes verglichen werden, die zum Zwecke der Eingrenzung des jeweiligen Erd- oder Kurzschlusses unter Abstimmung auf den festgestellten aktuellen Schaltzustand des Hoch- oder Mittelspannungsnetzes aus einzelnen oder miteinander verbundenen Leitungsabschnitten bestehen und den Summen der gemessenen Netzimpedanzen oder einzelnen gemessenen Impedanzen zugeordnet sind, daß die Impedanzen der Leitungsabschnitte, aus denen sich die Teile des Netzes zusammensetzen, aus den elektrischen Kennwerten der Netzleitungen bestimmt werden, daß bei Übereinstimmung oder innerhalb einer zulässigen Toleranz liegender Übereinstimmung zwischen den gemessenen Netzimpedanzen und den Impedanzen der Teil des Netzes mit dem Fehlerort bestimmt ist und der Fehlerort aus den gemessenen Netzimpedanzen berechnet wird und daß bei Mehrdeutigkeit des Vergleichs diejenigen Leitungsabschnitte als mögliche Fehlerorte gemeldet werden, deren gemessene Netzimpedanzen mit den berechneten Impedanzen übereinstimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Netzteile berechneten Impedanzen gemäß dem jeweiligen Schaltzustand des Hoch- oder Mittelspannungsnetzes mit den jeweils gemessenen Impedanzen der Distanzschutzeinrichtungen verglichen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungs- und Einspeisewerte entsprechend dem jeweiligen Schalt- und Lastzustand des Hoch- oder Mittelspannungsnetzes bei der Bestimmung der Impedanzen berücksichtigt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen der möglichen Fehlerorte des Hoch- oder Mittel­ spannungsnetzes im voraus berechnet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von den Distanzschutzeinrichtungen die Meßimpedanzen nach einer Einschwingzeit bestimmt werden, die vor einer etwaigen Auslösung eines zugeordneten Leistungsschalters endet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Distanzrelais mehrere aufeinanderfolgende Meßimpedanzen gespeichert werden können.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner (15) über Fernwirkleitungen mit den Distanzschutz­ einrichtungen (5, 6) des Hoch- oder Mittelspannungsnetzes und mit Stellungsmeldern der Leistungs- und Trennschalter und den Trans­ formator-Stufenstellern verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzschutzeinrichtungen in kompensierten Netzen zur Erd­ schlußerfassung angeordnet sind und stationäre und transiente Größen zur Fehlerentfernungsmessung verwenden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzschutzeinrichtungen in wirksam geerdeten Netzen angeordnet sind und netzfrequente Größen für die Fehlerentfernungs­ bestimmung verwenden.