DE4140556C2 - Erdschlußschutzgerät für ein Drehstromnetz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Erdschlußschutzgerät für ein Dreh­ stromnetz sowie ein Verfahren zur Erdschlußerfassung.

Aus der Siemens-Druckschrift "Der Erdschluß im Netzbetrieb", Bestell-Nr. A19100-E141-B166, 1985, ist bekannt, für die Er­ fassung eines Erdschlusses in einem isolierten, kompensierten oder hochohmig geerdeten Drehstromnetz die bei einem Erd­ schluß auftretende Verlagerungsspannung in einem Schutzrelais zu erfassen und bei Überschreiten eines vorgegebenen Span­ nungswertes ein Warn- oder Abschaltsignal abzugeben.

Die FR 313 248 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung erdschlußbehafteter Phasenleiter bei einem 3-pha­ sigen Drehstromnetz durch aufeinanderfolgende Vergleiche der Spannungen zwischen jeweils einer Phase und dem Neutralleiter mit der Spannung zwischen einer (beliebigen) Phase und dem Schwerpunkt des Spannungsdreiecks. Es erfolgt hierbei ein Vergleich der Spannungsamplituden, und als fehlerbehaftet wird jene Phase erkannt, deren Spannungsamplitude (aufgrund des Erdschlusses) kleiner ist als die Vergleichsspannung.

In der BBC-Druckschrift Generatorschutz Nr. C1009/S (1057.3.E), Seiten 11 und 12, ist ein spezielles Erdschluß­ relais beschrieben, das aus drei Einzelrelais besteht. Die Einzelrelais werden mit unterschiedlichen Bezugsspannungen beaufschlagt, so daß eine selektive Signalisierung der feh­ lerhaften Phase möglich ist. Der schaltungstechnische Aufwand für diese Selektivität ist relativ groß. Darüber hinaus müs­ sen immer vier Spannungen dem Gerät zugeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzuge­ ben, bei der diese Nachteile beseitigt sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Erdschlußschutz­ gerät gemäß Anspruch 1 gelöst.

Der Erfinder hat erkannt, daß das vorliegende Problem meß­ technisch einfacher zu lösen ist. Zwar ist eine Winkelmessung an sich in der Schutztechnik bereits bekannt, jedoch wurde diese auf den vorliegenden einfachen Fall noch nicht angewen­ det. Auf diese Weise brauchen dem Schutzgerät nur noch zwei Spannungen zugeführt werden. Die Fehlermeldung erfolgt dann phasenbezogen.

Bevorzugt kann als Bezugsspannung eine verkettete Spannung zwischen den Phasen des Drehstromnetzes verwendet werden. Die Spannungen können auf einfache Weise außerhalb des Gerätes er­ faßt und direkt über entsprechende Gerätanschlüsse der Einrich­ tung zur Winkelmessung zugeführt werden. Alternativ kann aber auch ein Spannungsumformer vorgesehen sein, dem über externe Zuführanschlüsse die Phasenspannungen des Drehstromnetzes zu­ geführt werden. In dem Spannungsumformer werden dann die Verla­ gerungsspannung und die Bezugsspannung gebildet. Eine derartige Lösung hat den Vorteil, daß kein Spannungswandlersatz mit offener Dreieckswicklung erforderlich ist. Sie ist auch dann günstig, wenn am Einbauort des Schutzgerätes nur die Phasen­ spannungen vorliegen. Zusätzliche Meßleitungen können damit eingespart werden.

Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren ge­ mäß Anspruch 6. Dieses Verfahren ist besonders einfach gegen­ über dem bisherigen Stand der Technik und eignet sich insbe­ sondere für die Anwendung bei digitalen Schutzgeräten, bei denen die Meßspannungen als digitale Informationen vorliegen. Das Verfahren kann dabei besonders einfach mit Hilfe eines Programms realisiert werden. Weitere vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen an­ gegeben.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung bespielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Spannungsdiagramm eines Drehstromnetzes,

Fig. 2 ein Spannungsdiagramm eines Drehstromnetzes bei Erd­ schluß,

Fig. 3 ein Diagramm mit den Winkelbereichen der Verlagerungs­ spannungen,

Fig. 4 ein Anschlußbild eines Erdschlußschutzgerätes,

Fig. 5 ein zweites Anschlußbild eines Erdschlußschutzgerätes und

Fig. 6 ein drittes Anschlußbild für ein Erdschlußschutzgerät.

Fig. 1 zeigt die drei Phasenspannungen UL1, UL2 und UL3 eines Drehstromnetzes im erdschlußfreien Betrieb. Der Sternpunkt 1 weist dabei Erdpotential auf. Der Sternpunkt 1 kann dabei bei­ spielsweise der wirkliche Sternpunkt eines elektrischen Gerätes oder ein fiktiver Sternpunkt eines Netzes sein. Im erdschluß­ freien Betrieb ist also die Verlagerungsspannung U0 = 0. Zwi­ schen den Phasen des Drehstromnetzes treten dabei die jewei­ ligen verketteten Spannungen, beispielsweise UL1-UL2, auf.

Fig. 2 zeigt die Spannungen des Drehstromnetzes bei einem Erd­ schluß. Es wird dazu beispielhaft ein Erdschluß zwischen UL1 und Erde angenommen. Im erdschlußbehafteten Betrieb ist die Verlagerungsspannung U0 gleich dem negativen Wert der jeweili­ gen kurzgeschlossenen Phasenspannung bei fehlerfreiem Betrieb, also U0 = -UL1 für den vorliegenden Fall. Die verketteten Spannungen bleiben bei einem Erdschluß in ihrer Größe und Phasenlage unverändert. Wird nun ausgehend von einer Bezugs­ spannung, z. B. UL1-UL2, eine Winkelmessung zur auftreten­ den Verlagerungsspannung U0 durchgeführt, so kann die be­ troffene Phase bestimmt werden. Näheren Aufschluß dazu gibt Fig. 3.

In Fig. 3 wurde willkürlich als Bezugsspannung UL2-UL3 ge­ wählt. Ausgehend von der Lage dieser verketteten Spannung sind die jeweils möglichen Verlagerungsspannungen entsprechend ein­ gezeichnet. Dabei können für eine Signalisierung drei Fehler­ bereiche A, B und C, definiert werden, die zusätzlich Fehl­ winkel in der Meßwertübertragung und in der Winkelmessung be­ rücksichtigen. Ausgehend von einer Aufteilung von ± 180° des Winkelbereichs ergeben sich damit folgende Bereiche:

A: Erdschluß in L2-90° bis +30°,
B: Erdschluß in L1 + 30° bis + 150°, und
C: Erdschluß in L3 + 150° bis -90°.

Fig. 4 zeigt ein Anschlußbild eines nach dem oben beschriebe­ nen Verfahren arbeitenden Erdschlußschutzgerätes 3. Dabei ist zunächst ein Netz 5 mit seinen Phasen L1, L2 und L3 gezeigt, an die eine Primärwicklung 9 eines Meßwandlers 7 angeschlossen ist. Über eine erste in Stern geschaltete Sekundärwicklung 9a wird dem Erdschlußschutzgerät 3 über Geräteanschlüsse 11a eine als Bezugsspannung dienende verkettete Spannung UL2-UL3 zu­ geführt. Über weitere Geräteanschlüsse 11b wird dem Erdschluß­ schutzgerät 3 zusätzlich die Summenspannung UL1 + UL2 + UL3 einer in offenem Dreieck geschalteten zweiten Sekundärwicklung 9b zugeführt. Dabei gilt folgendes: Die bei einem Erdschluß auftretende Verlagerungsspannung ist - nach den Rechenregeln für symmetrische Komponenten - gleich der Nullkomponente der Spannung, wobei U0 gleich 1/3 (UL1 + UL2 + UL3) ist. Diese Beziehung wird in dem Erdschlußschutzgerät 3 berücksichtigt.

Das Erdschlußschutzgerät 3 umfaßt eine als Fehlersignaler­ zeuger dienende Einrichtung 13 zur Durchführung der Winkel­ messung. Weiterhin sind von dieser Einrichtung 13 aktivierbare Anzeigeelemente 15 vorgesehen, die beispielsweise als Signal­ lampen ausgebildet sein können. Mittels dieser Anzeigeelemente 15 kann ein phasenbezogenes Fehlersignal erzeugt werden. Bei einem Erschluß in einer der Phasen L1, L2 oder L3 leuchtet dann zumindest eines der Anzeigelemente 15 phasenselektiv auf. Alternativ kann das Fehlersignal jedoch auch über einen oder mehreren Anschlüssen 17 zur weiteren Bearbeitung oder zur Aus­ lösung elektrisch weitergegeben werden. Die Anschlüsse 17 kön­ nen dabei als Kontaktausgang oder auch als Digitalausgang, z. B. als serielle Schnittstelle, ausgebildet sein.

Fig. 5 zeigt ein zweites Anschlußbild, bei dem das Erdschluß­ schutzgerät 3 an einen Generator 19 angeschlossen ist. Die verkettete Spannung wird wiederum von einem Wandler 7a abge­ griffen. Die Verlagerungsspannung U0 kann bei einem Generator direkt an dessen Sternpunkt mittels eines einfachen Übertragers 21 abgegriffen und der Erdschlußschutzeinrichtung 3 zugeführt werden. Das Erdschlußschutzgerät 3 ist in diesem Beispiel ver­ einfacht, nur mit den Anzeigeelementen 15, dargestellt.

Fig. 6 zeigt ein drittes Anschlußbild eines Erdschlußschutz­ gerätes 3. Bei dieser Variante werden über einen Meßwandler 7b dem Erdschlußschutzgerät 3 die drei Phasenspannungen UL1, UL2 und UL3 über die Geräteanschlüsse 11C zugeführt. Das Erdschluß­ schutzgerät 3 weist nämlich zusätzlich einen Spannungsumformer 23 auf, in dem die drei Phasenspannungen durch eine an sich bekannte Zerlegung (Zerlegung in symmetrische Komponenten) in die Verlagerungsspannung und in eine verkettete Spannung um­ geformt werden. Anschließend erfolgt - wie bereits oben be­ schrieben - im Erdschlußschutzgerät 3 eine Winkelmessung zum Feststellen der fehlerhaften Phase.

In bestimmten Fällen kann es günstig sein, wenn der Winkelmes­ sung noch ein Zeitglied, insbesondere ein Zeitrelais nach- oder zugeschaltet ist. Dies empfiehlt sich besonders, um Ein­ flüsse von Transientvorgängen im Drehstromnetz zu verhindern.

Das Zeitrelais kann dazu derart angeordnet werden, daß eine Signalisierung über die Anzeigeelemente 15 oder über die Aus­ gänge 17 zeitverzögert erfolgt. Im Falle einer Kombination der oben beschriebenen Funktionen in einem Gerät mit einem Ausgang für eine Schalterauslösung kann auch die Schalteraus­ lösung zeitverzögert werden.

Das oben beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für ein Erdschlußschutzgerät 3, das auf digitaler Basis mit einem Rechner arbeitet. Auf diese Weise ist eine sehr genaue Bestim­ mung der fehlerbehafteten Phase möglich. Gegebenenfalls kann das Verfahren sogar nachträglich durch Änderung des entsprech­ enden Rechnerprogrammes nachgerüstet werden.

Claims (9)

1. Erdschlußschutzgerät (3) für ein Drehstromnetz (5), mit einer Einrichtung (13) zur Durchführung einer Winkelmessung zwischen einer auftretenden Verlagerungsspannung (U0) am Stern­ punkt (1) des Drehstromnetzes (5) und einer Bezugsspannung sowie einem Fehlersignalerzeuger, der in Abhängigkeit vom ge­ messenen Winkel ein Fehlersignal für die jeweils erdschlußbe­ haftete Phase des Drehstromnetzes (5) erzeugt.

2. Erdschlußschutzgerät nach Anspruch 1, wobei die Bezugs­ spannung eine verkettete Spannung zwischen den Phasen des Drehstromnetzes (5) ist.

3. Erdschlußschutzgerät nach Anspruch 2, wobei die Verlage­ rungsspannung und die verkettete Spannung außerhalb des Ge­ rätes erfaßt und der Einrichtung (13) zur Winkelmessung über entsprechende Geräteanschlüsse (11a, 11b) zugeführt werden.

4. Erdschlußschutzgerät nach Anspruch 3, wobei der Einrich­ tung (13) zur Winkelerfassung ein Spannungsumformer (23) zum Bilden der Verlagerungs- und der Bezugsspannung (U0) vorge­ schaltet ist, dem über Geräteanschlüsse (11c) die Phasenspan­ nungen zugeführt werden.

5. Erdschlußschutzgerät nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Spannungsumformer (23), dem über externe Zuführanschlüsse (11c) die Phasenspannungen des Drehstromnetzes (5) zugeführt werden, und in dem die Verlagerungsspannung (U0) und die Be­ zugsspannung gebildet werden.

6. Verfahren zur Erschlußerfassung in einem Drehstromnetz, wo­ bei zwischen einer auftretenden Verlagerungsspannung (U0) am Sternpunkt (1) des Drehstromnetzes (5) und einer Bezugsspan­ nung eine Winkelmessung durchgeführt wird und in Abhängigkeit vom gemessenen Winkel ein Fehlersignal für die jeweils erd­ schlußbehaftete Phase des Drehstromnetzes (5) erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Bezugsspannung eine verkettete Spannung zwischen den Phasen des Drehstromnetzes (5) verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Phasenspannungen des Drehstromnetzes (5) erfaßt werden und durch Zerlegung in Komponenten die Verlagerungsspannung (U0) und die Bezugsspannung gebildet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei in Ab­ hängigkeit vom Fehlersignal ein Abschaltsignal erzeugt wird.