DE4406722C1 - Leitungsdifferential-Schutzanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitungsdifferential- Schutzanordnung mit jeweils einem Schutzgerät an jedem Ende eines zu überwachenden Leitungsabschnittes eines elektrischen Energieübertragungssystems, jedes Schutz­ gerät einen mit dem zu überwachenden Leitungsabschnitt primärseitig verbundenen Eingangsstromwandler enthält, der in seinem Sekundärkreis eine Reihenschaltung aus einem Hilfswiderstand und einer Primärwicklung eines Hilfsstromwandlers enthält, und bei der ein äußerer An­ schlußpunkt der Reihenschaltung an eine Hilfsader und ein weiterer Anschlußpunkt der Reihenschaltung über eine Primärwicklung eines Differenzstromwandlers mit nachge­ ordnet ein Meßglied an eine zweite Hilfsader angeschlossen ist, die zusammen mit der ersten Hilfsader eine Verbin­ dung zu dem jeweils zugeordneten anderen Schutzgerät be­ reitstellt.

Eine Leitungsdifferential-Schutzanordnung dieser Art ist beispielsweise in Form des Siemens-Leitungsdifferential- Schutzes 7 SD22 und 75D76 bekannt. Jede dieser bekannten Leitungsdifferential-Schutzanordnungen weist - wie Fig. 1 zeigt - in üblicher Weise an jedem Ende eines zu über­ wachenden Leitungsabschnittes 1 eines im übrigen nicht weiter dargestellten Energieübertragungssystems jeweils ein Schutzgerät 2 bzw. 3 auf, die an den Enden des zu überwachenden Leitungsabschnittes 1 an Sekundärwicklungen 4 und 5 jeweils eines Eingangstromwandlers 6 bzw. 7 ange­ schlossen sind. Bei den Stromwandlern 6 bzw. 7 kann es sich um Mischwandler handeln, wenn der zu überwachende Leitungsabschnitt mehrphasig ausgebildet ist. Bei einem Lastfluß in Richtung der Pfeile 8 und 9 an den Enden des zu überwachenden Leitungsabschnittes 1 sind die von den über die Sekundärwicklungen 4 und 5 der Eingangsstrom­ wandler 6 und 7 den Schutzgeräten 2 und 3 zugeführten Ströme i1 und i2 so definiert, daß sie gegenphasig ge­ richtet sind. Dies ist auch durch Pfeile 10 und 11 in der weiteren Fig. 2 verdeutlicht, in der ein in der Fig. 1 strichpunktiert gekennzeichneter Bereich 12 ausführlicher dargestellt ist; in den Fig. 1 und 2 sind übereinstim­ mende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wie Fig. 2 ferner erkennen läßt, ist jedes Schutzgerät 2 bzw. 3 mit einem Hilfsstromwandler 15 bzw. 16 versehen, dessen eine Primärwicklung 17 bzw. 18 eine Reihenschal­ tung 19 bzw. 20 mit Hilfswiderständen 21 und 22 bildet. Mit einem äußeren Anschlußpunkt 23 der Reihenschaltung 19 bzw. einem äußeren Anschlußpunkt 24 der Reihenschaltung 20 ist ein Sekundäranschluß 25 der Sekundärwicklung 4 bzw. ein Sekundäranschluß 26 der Sekundärwicklung 5 der Eingangsstromwandler 6 bzw. 7 verbunden; außerdem ist mit dem einen Sekundäranschluß 25 der Sekundärwicklung 4 über einen weiteren Hilfswiderstand 27 des Schutzgerätes 2 eine Hilfsader 28 verbunden; entsprechend ist der eine Sekundäranschluß 26 der Sekundärwicklung 5 des Ein­ gangsstromwandlers 7 über einen zusätzlichen Hilfswider­ stand 29 an eine weitere Hilfsader 30 angeschlossen. Die Hilfsadern 28 und 30 stellen demzufolge eine Verbindung zwischen den beiden Schutzgeräten 2 und 3 der Leitungs­ differential-Schutzanordnung dar. Die weitere Hilfsader 30 ist an ein Ende einer Primärwicklung 32 eines Diffe­ renzstromwandlers 33 angeschlossen, die mit ihrem anderen Ende mit einer weiteren Primärwicklung 34 des Hilfs­ stromwandlers 15 verbunden ist. Die weitere Primärwicklung 34 des Hilfsstromwandlers 15 ist außerdem mit dem weiteren Sekundäranschluß 35 des Eingangsstromwandlers 6 verbunden sowie mit der Reihenschaltung 19. An eine Sekundärwicklung 36 des Differenzstromwandlers 33 ist ein Meßglied 37 angeschlossen, das außerdem eingangsseitig mit der Sekundärwicklung 38 des Hilfsstromwandlers 15 verbunden ist.

Entsprechend dem Schutzgerät 2 ist das Schutzgerät 3 auf­ gebaut; die entsprechenden Einzelheiten des Schutzgerätes 3 sind deshalb nicht figürlich dargestellt.

Dieser Aufbau der bekannten Leitungsdifferential-Schutz­ anordnungen erlaubt es, bei dem in Fig. 1 angenommenen Lastfluß (siehe Pfeile 8 und 9) an den beiden Enden des zu überwachenden Leitungsabschnittes 1 in der Sekundär­ wicklung 36 des Differenzstromwandlers 33 eine der Summe der Ströme i1 und i2 proportionalen Differenzstrom i_d(t) zu bilden, der Null ist; dies ist in der linken Darstel­ lung der Fig. 3 wiedergegeben. Entsprechend ergibt sich auch in der Sekundärwicklung 40 eines Differenzstromwand­ lers 41 des Schutzgerätes 3 in diesem Betriebszustand ein Differenzstrom mit dem Werte Null. Dies führt dazu, daß an den Enden des zu überwachenden Leitungsabschnittes 1 vorhandene Leistungsschalter 42 und 43 ein Auslösesignal nicht erhalten; dies ist erwünscht, weil der zu überwa­ chende Leitungsabschnitt 1 nicht von einem Kurzschluß be­ fallen ist.

Die bekannten Leitungsdifferential-Schutzanordnungen be­ rücksichtigen bereits, daß durch unterschiedliche Über­ setzungsverhältnisse der Wandler, durch Ladeströme im zu überwachenden Leitungsabschnitt und durch Meßfehler auch für den angenommenen fehlerfreien Zustand des zu überwa­ chenden Leitungsabschnittes 1 die Bedingung (1)

i1(t) + i2(t) = 0 (1)

nicht erfüllt ist. Es fließt deshalb auch im fehlerfreien Zustand ein Differenzstrom i_d(t), der aber nicht zur Aus­ lösung führen darf, weshalb eine Auslöseschwelle defi­ niert ist. Da der im fehlerfreien Zustand des zu überwa­ chenden Leitungsabschnittes 1 sich ergebende Differenz­ strom i_d(t) bei hohem Laststrom größer als bei niedrigem Laststrom ist, ist die Auslöseschwelle lastabhängig fest­ gelegt. Dies geschieht mittels eines Stabilisierungs­ stromes i_s(t), der bei der bekannten Leitungsdifferenti­ al-Schutzanordnungen mit den Hilfsstromwandlern 15 bzw. 16 gewonnen wird. Der Stabilisierungsstrom i_s(t) wird ebenfalls dem Meßglied 37 zugeführt und sorgt dafür, daß auch bei einem oberhalb des Wertes Null liegenden Diffe­ renzstromes i_d(t) am Ausgang 44 des Meßgliedes 37 ein Auslösesignal nicht auftritt.

Tritt dagegen ein innenliegender Kurzschluß auf, dann er­ gibt sich ein Differenzstrom i_d(t), wie er in der rechten Darstellung der Fig. 3 wiedergegeben ist, in diesem Falle tritt an den Ausgängen 44 und 45 der Schutzgeräte 2 und 3 ein Auslösesignal auf, woraufhin dann die Lei­ stungsschalter 42 und 43 den zu überwachenden Leitungsab­ schnitt 1 aus dem Energieübertragungssystem heraustren­ nen.

Die bekannten Leitungsdifferential-Schutzanordnungen tragen auch dem Umstand Rechnung, daß zwischen den Hilfs­ adern 28 und 30 eine Kapazität vorhanden ist, die bei einem üblicherweise verwendeten Hilfsadernkabel ca. 60 nF/km beträgt. Der Leitungswiderstand eines derartigen Hilfsadernkabels beträgt etwa 73 Ω/km. Ein Ersatz-Schalt­ bild einer derartigen Hilfsadernverbindung ist in Fig. 4 dargestellt. Über die Kapazitäten der Hilfsadernverbin­ dung fließen kapazitive Ströme, die den jeweils in den Schutzgeräten 2 und 3 erfaßten Differenzstrom i_d(t) ver­ fälschen. Dies kann dazu führen, daß es bei stromstarken äußeren Fehlern in bezug auf den zu überwachenden Lei­ tungsabschnitt 1 zu Fehlauslösungen kommt. Deshalb ist bei den bekannten Leitungsdifferential-Schutzanordnungen eine Kompensation der Hilfsadernkapazität insofern vorge­ nommen, als in den Schutzgeräten 2 und 3 bedarfsweise eine Zusatzschaltung mit Widerständen und Kondensatoren im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften der ver­ wendeten Hilfsadern und deren Länge vorgesehen wird, wo­ durch der jeweils erfaßte Differenzstrom i_d(t) hinsicht­ lich der Hilfsadernkapazität korrigiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kompensa­ tion der Hilfsadernkapazität bei einer Leitungsdifferen­ tial-Schutzanordnung mit zwei Hilfsadern zwischen den Schutzgeräten vergleichsweise einfach durchzuführen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Leitungsdifferen­ tial-Schutzanordnung der eingangs angegebenen Art erfin­ dungsgemäß an die Sekundärwicklung des Hilfswandlers eine Rechenanordnung angeschlossen, in der eine dem Sekundär­ strom des Hilfswandlers entsprechende Meßgröße differen­ tiirt und mit einer der jeweiligen Kapazität zwischen den Hilfsadern entsprechenden Einstellgröße unter Ge­ winnen einer Kompensationsgröße multipliziert wird. An die Sekundärwicklung des Differenzstromwandlers ist ein Differenzbildner angeschlossen, der eingangsseitig auch mit der Kompensationsgröße beaufschlagt ist, und dem Differenzbildner ist das Meßglied nachgeordnet.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Leitungs­ differential-Schutzanordnung besteht darin, daß zur Ver­ meidung eines Fehlauslösens infolge der Hilfsadernkapazi­ täten lediglich die Rechenanordnung im Hinblick auf die jeweiligen elektrischen Eigenschaften der verwendeten Hilfsadernverbindung und ihrer Länge eingestellt werden muß, so daß ein relativ aufwendiges Einfügen einer Zu­ satzschaltung entfallen kann. Dies ist mit einer ver­ gleichsweise einfachen Rechenanordnung erreichbar.

Als besonders vorteilhaft wird es bei der erfindungs­ gemäßen Schutzanordnung angesehen, wenn an die Sekundärwicklung des Hilfsstromwandlers eine Ab­ tastschaltung der Rechenordnung angeschlossen ist,der Ab­ tastschaltung ein digitales Rechenglied nachgeordnet ist, in dem jeweils eine der Differenz zweier aufeinanderfol­ gender Abtastwerte des Sekundärstromes des Hilfsstrom­ wandlers entsprechende Zwischengröße unter Gewinnen der Kompensationsgröße multipliziert wird, und an die Sekun­ därwicklung des Differenzstromwandlers über eine weitere Abtastschaltung ein digitaler Differenzbildner ange­ schlossen ist in diesem Fall kann nämlich der gesamte Aufbau aus den Abtastschaltungen, dem Rechenglied, dem Differenzbildner und dem Meßglied von einem Rechner ge­ bildet sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Schutzgerätes der erfindungsgemäßen Leitungsdifferential- Schutzanordnung, in

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schutzgerätes der erfindungsgemäßen Anordnung, in

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung der Auswirkung der vorgenommenen Kompensation und in

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Kompensationsprinzips dargestellt.

Wie Fig. 5 erkennen läßt, in der mit der Fig. 2 über­ einstimmende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind, ist an die Sekundärwicklung 38 des hier nur mit einer Primärwicklung 17 versehenen Hilfsstromwandlers 15 eine Rechenanordnung 50 angeschlossen, in der eine dem Strom i_s(t) proportionale Meßgröße differentiiert und mit einer Einstellgröße multipliziert wird, die der halben Kapazität C der Hilfsadernverbindung entspricht. Dies kann mit einer Analogschaltung erfolgen. Am Ausgang der Rechenanordnung 50 entsteht dann eine Kompensationsgröße i_k1(t), die sich durch folgende Beziehung (1) beschreiben läßt:

Darin bezeichnet f einen Proportionalitätsfaktor, während U_s(t) durch die Beziehung (2)

U_s(t) = i_s(t) · R₂₁ (2)

gegeben ist, in der R₂₁ den Wert des Hilfswiderstandes 21 bezeichnet.

Die Kompensationsgröße i_k1(t) wird mit dem Differenzstrom i_d(t) eingangsseitig einem Differenzbildner 51 zugeführt, dem das Meßglied 37 nachgeordnet ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist an die Sekun­ därwicklung 38 des wiederum nur mit einer Primärwicklung 17 ausgestatteten Hilfsstromwandlers 15 eine Rechenanord­ nung 55 angeschlossen, die eine Abtastschaltung 56 ent­ hält, die bei einem 50 Hz-Energieübertragungssystem vor­ zugsweise 12 Abtastungen pro Periode vornimmt. Es ergeben sich dann beispielsweise Abtastwerte i_s(k-1), i_s(k), i_s(k+1), usw.

Aus jeweils zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten, z. B. i_s(k-1) und i_s(k), wird unter Multiplizieren mit einer der Größe R₂₁ des Hilfswiderstandes 21 proportionalen Größe eine Spannung ΔU_s(k) nach folgender Rechenvorschrift ge­ bildet

ΔU_s(k) = (i_s(k)-i_s(k-1)) _* R₂₁ (3)

Dies geschieht in einem der Abtastschaltung 56 nachgeord­ neten Rechenglied 57, in dem auch in einfacher Weise der Differenzenquotient ΔU_s(k)/Δt gebildet wird, weil Δt als Zeit zwischen jeweils zwei Abtastungen eine feste Größe ist. Anschließend erfolgt eine Multiplikation mit einer Einstellgröße, die der Hälfte der Kapazität C der Hilfs­ adernverbindung mit den Hilfsadern 28 und 30 entspricht, so daß am Ausgang der Rechenanordnung 55 eine Kompensati­ onsgröße ansteht, die sich durch folgende Beziehung (4) beschreiben läßt

Darin bezeichnet g einen Proportionalitätsfaktor. Diese Kompensationsgröße i_k2 wird einem der Sekundärwicklung 36 des Differenzstromwandlers 33 über eine weitere Abtast­ schaltung 58 nachgeordneten digitalen Differenzbildner 59 zugeführt, in dem von dem Sekundärstrom i_a die Kompensa­ tionsgröße i_k2 subtrahiert wird, so daß am Ausgang 60 des Differenzbildners 59 ein korrigierter Differenzstrom i_D nach folgender Beziehung (5) auftritt:

Dieser korrigierte Differenzstrom i_D wird dem Meßglied 37 zugeführt, so daß von diesem an seinem Ausgang 44 ein Auslösesignal nahezu unbeeinflußt von der Kapazität C zwischen den Hilfsadern 28 und 30 erzeugt wird.

Diesen Sachverhalt zeigt deutlich Fig. 7, in der der Differenzstrom i_D in Abhängigkeit von der Länge L des zu überwachenden Leitungsabschnittes 1 dargestellt ist. Ohne Kompensation der Hilfsadernkapazität C ergibt sich ein Differenzstrom, wie er durch die ausgezogene Gerade dar­ gestellt ist, während bei einer Kompensation gemäß der Erfindung der Differenzstrom i_D den strichliert darge­ stellten Verlauf aufweist.

Der erfindungsgemäßen Kompensation der Hilfsadernkapazi­ tät C liegt ein Ersatzbild jedes Schutzgerätes 2 bzw. 3 zugrunde, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Es wird davon ausgegangen, daß ohne vorhandene Hilfsadernkapazitäten C ein Strom i von dem einen - in Fig. 8 nur prinzipiell dargestellten - Schutzgerät 2 zum anderen nicht darge­ stellten Schutzgerät über die Hilfsader 30 fließen würde, der dem Strom i_a entspricht. Tatsächlich fließt jedoch auch ein kapazitiver Strom der i_c, der sich durch folgende Beziehung (6) beschreiben läßt:

Dadurch ändert sich der Strom i_a. Dabei ist in zulässiger Weise angenommen, daß die Spannung U_c an der halben Hilfsadernkapazität C/2 etwa der Spannung U_s(t) an der Reihenschaltung 19 des Schutzgerätes 2 entspricht. Ferner ist die Größe des weiteren Hilfswiderstandes 27 und des Leitungswiderstandes vernachlässigt.

Der Strom i läßt sich dann folgendermaßen beschreiben:

i_a = i + i_c (7)

Dies bedeutet, daß der Sekundärstrom des Differenzstrom­ wandlers 33 um eine dem Strom i_c entsprechende Größe, nämlich um die Kompensationsgröße i_k2 vermindert werden muß, um einen Differenzstrom i_D zu gewinnen, der durch die Hilfsadernkapazität C nahezu unbeeinflußt ist.

Ferner dürfte anhand der obigen Ausführung klar sein, daß sich die Erfindung nicht nur bei einer Leitungsdifferen­ tial-Schutzanordnung mit einem einzelnen Leitungsab­ schnitt einsetzen läßt, sondern auch bei einem sogenann­ ten Dreiendenschutz, bei dem die zu überwachenden Lei­ tungen unter Bildung eines "T" miteinander verknüpft sind, an dessen Enden sich jeweils zwei Schutzgeräte be­ finden, die paarweise zusammenarbeiten.

Claims (3)

1. Leitungsdifferential-Schutzanordnung mit jeweils einem Schutzgerät an jedem Ende eines zu überwachenden Leitungsabschnittes eines elektrischen Energieüber­ tragungssystems, bei der

• - jedes Schutzgerät einen mit dem zu überwachenden Lei­ tungsabschnitt primärseitig verbundenen Eingangsstrom­ wandler enthält, der
  • - in seinem Sekundärkreis eine Reihenschaltung aus einem Hilfswiderstand und einer Primärwicklung eines Hilfsstromwandlers enthält, und bei der
• - ein äußerer Anschlußpunkt der Reihenschaltung an eine Hilfsader und ein weiterer Anschlußpunkt der Reihenschaltung über eine Primärwicklung eines Differenzstromwandlers mit nachgeordnetem Meßglied an eine zweite Hilfsader angeschlossen ist, die
  • - zusammen mit der ersten Hilfsader eine Verbindung zu dem jeweils zugeordneten anderen Schutzgerät bereitstellt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - an die Sekundärwicklung (38) des Hilfswandlers (15) eine Rechenanordnung (50) angeschlossen ist, in der
  • - eine dem Sekundärstrom des Hilfswandlers (15) entsprechende Meßgröße differentiiert und
• - mit einer der jeweiligen Kapazität (C) zwischen den Hilfsadern (28,30) entsprechenden Einstellgröße unter Gewinnen einer Kompensationsgröße multipliziert wird,
• - an die Sekundärwicklung (36) des Differenzstromwand­ lers (33) ein Differenzbildner (51) angeschlossen ist, der eingangsseitig auch mit der Kompensationsgröße beaufschlagt ist, und
• - dem Differenzbildner (51) das Meßglied (37) nachgeord­ net ist.

2. Schutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - an die Sekundärwicklung (38) des Hilfsstromwandlers (15) eine Abtastschaltung (56) der Rechenordnung (55) angeschlossen ist,
• - der Abtastschaltung (56) ein digitales Rechenglied (57) nachgeordnet ist, in dem jeweils eine der Differenz zweier aufeinanderfolgender Abtastwerte ((i_s(k), i_s(k-1)) des Sekundärstromes (i_s) des Hilfsstromwandlers (15) entsprechende Zwischengröße (ΔU_s(k)) unter Gewinnen der Kompensationsgröße (i_k2) multipliziert wird, und
• - an die Sekundärwicklung (36) des Differenzstromwandlers (33) über eine weitere Abtastschaltung (58) ein digitaler Differenzbildner (59) angeschlossen ist.