Technisches Gebiet
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Ein Differentialschutz ist eine Schutzart, die verwendet
wird, um Schäden zu verhindern, die im Zusammenhang mit
inneren Fehlern an Sammelschienen, in Generatoren, Motoren,
Transformatoren, Starkstromleitungen usw. auftreten können.
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Die Anforderungen an den Schutz sind in Abhängigkeit des zu
schützenden Objektes etwas unterschiedlich. Eine nicht
gerechtfertigte Schutzfunktion muß verhindert werden, und dies
kann durch eine Stabilisierung des Schutzes geschehen. Das
bedeutet, daß Versuche unternommen werden, den Schutz
gegenüber bestimmten inneren und äußeren elektrischen Transienten
und äußeren elektrischen Fehlern unempfindlich zu machen.
Beispielsweise muß verhindert werden, daß
Einschaltstromstöße, Übermagnetisierungsströme, Gleichströme, Sättigung
von Stromwandlern usw. zu einer nicht gerechtfertigten
Schutzfunktion führen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein spezielles
Stabilisierungsproblem, welches auftreten kann, wenn der
Differentialschutz gegen innere Fehler auf
Starkstromleitungen schützen soll. Auf dem hier behandelten technischen
Gebiet wird ein solcher Differentialschutz als
Längsdifferentialschutz bezeichnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 zeigt eine Zusammenfassung des aus dem Stand der
Technik bekannten Prinzips, welches die
Stabilisierung eines Längsdifferentialschutzes betrifft,
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Figuren 2, 3, 4 und 5 zeigen verschiedene Fehlersituationen,
die in einem T-Netz auftreten können,
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Figur 6 zeigt ein kombiniertes Fluß- und Blockdiagramm gemäß
der Erfindung zur Ergänzung von
Stabilisierungsmaßnahmen für einen Längsdifferentialschutz,
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Figur 7 zeigt, wie die Ergänzung einen Teil der
Stabilisierungsmaßnahmen eines Längsdifferentialschutzes
bildet.
Stand der Technik, die Probleme
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Ein Differentialschutz ist eine Art von Schutz, bei der
mittels Stromwandler zufließende und wegfließende Ströme des
Schutzobjektes gemessen werden. Die Absicht dabei besteht
darin, daß dann, wenn ein Differentialstrom auftritt,
welcher einen vorgegebenen Wert, der normalerweise angibt, daß
ein Fehler in dem Schutzobjekt aufgetreten ist,
überschreitet, der Schutz aktiviert wird. Wie jedoch bereits erwähnt,
können bestimmte elektrische Transienten sowohl in dem
Schutzobjekt als auch außerhalb des Schutzobjektes sowie
auch externe elektrische Fehler die Schutzfunktion in einer
solchen Weise beeinflussen, daß der Schutz die Transiente
oder den Fehler als einen Fehler im Schutzobjekt
interpretiert und den Schutz aktiviert. Um dies zu verhindern, muß
der Schutz stabilisiert werden.
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Differentialschutz-Einrichtungen sind oft so aufgebaut, daß
zwei verschiedene Kreise unterschieden werden können,
nämlich ein Differentialkreis und ein Stabilisierungskreis. Der
Schutz arbeitet in der Weise, daß der Differenzstrom ID, der
im Falle eines inneren Fehlers zwischen den zufließenden und
wegfließenden Strömen auftritt, mit Hilfe eines
Differentialschutzes separiert werden kann.
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The Strom IS der zur Stabilisierung des Schutzes verwendet
wird, geht in irgendeiner Weise aus dem Stabilisierungskreis
hervor, und er kann unterschiedlich für verschiedene Schutz-
Einrichtungen sein, abhängig davon, was zu stabilisieren
ist, und abhängig von der verwendeten Technik sowie dem
Aufbau des Schutzes in anderer Hinsicht. Beispielsweise kann
der Stabilisierungsstrom den durch einen Stromwandler
gemessenen Eingangsstrom für beispielsweise Sammelschienen
wiederspiegeln, die Summe der Eingangsströme wiederspiegeln,
eine ihrer Komponenten oder dergleichen.
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Die Funktionscharakteristik eines Differentialschutzes ist
eine grafische Darstellung des Differentialstromes als
Funktion des Stabilisierungsstromes, des Grades der
Stabilisierunges S und des Funktionsmarginals K und wird oft
ausgedrückt als
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ID = S IS + K
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Ein Beispiel aus dem Stand der Technik betreffend
Differentialkreis und Stabilisierungskreis wird in der SE 338 093
beschrieben, die sich auf einen Differentialschutz für
Sammelschienen bezieht. Hier werden die zufließenden und
wegfließenden Ströme gemäß dem Differentialschutzprinzip
verglichen. Über eine Widerstandskombination im
Stabilisierungskreis erzeugen die erfaßten Ströme eine
Stabilisierung-Spannung, die im Falle einer Stromgleichheit zwischen den
zufließenden und wegfließenden Strömen den Schutz
stabilisieren und ein nicht gerechtfertigtes Ansprechen verhindern. Im
Falle einer Stromdifferenz wird ein Differentialstrom
gebildet, der über eine Widerstandskombination im
Differentialkreis eine Differentialspannung liefert. Wenn diese Spannung
unter Berücksichtigung eines gewissen Sicherheitsabstandes
größer als die Stabilisierung-Spannung wird, spricht der
Schutz an.
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SE 379 260 beschreibt einen Längsdifferentialschutz für eine
Starkstromleitung mit zwei oder mehr Anschlußpunkten. Der
Schutz in jedem der Anschlußpunkte umfaßt ein
Ausgangsrelais, einen Kreis, der eine Stabilisierungsspannung liefert,
und einen Differentialkreis, der eine Spannung in der
Ansprechrichtung liefert. Sowohl der Stabilisierungskreis wie
der Differentialkreis bestehen aus linearen Widerständen. Im
übrigen ist die Summe der in den Differtialkreisen aller
Anschlußpunkte auftretenden Ströme gleich der Summe aus dem
Produkt des Stabilisierungsgrades des Schutzes und der Summe
der Größen aller zufließenden Ströme sowie einer Konstanten,
die im wesentlichen von dem Funktionswert des oben genannten
Ausgangsrelais abhängt, das heißt, eine direkte Parallele zu
der Funktionscharakteristik eines Differentialschutzes gemäß
dem oben Gesagten.
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US 4,855,861 beschreibt einen Längsdifferentialschutz, der
auf der Anwendung numerischer Technik und
computergesteuerten Systemen besteht. Um bestimmen zu können, ob ein Fehler
innerhalb eines Leitungsabschnittes vorliegt, stellt sich
auch in diesem Falle die Aufgabe, zwei Situationen zu
studieren, nämlich, ob alle Ströme aus dem relevanten Abschnitt
wegfließen oder in ihn hineinfließen. In diesen beiden
Fällen liegt ein Fehler innerhalb des betreffenden Abschnittes.
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Bekannte Probleme im Zusammenhang mit Differentialschutz-
Einrichtungen bestehen in Mängeln bezüglich der Stabilität
im Falle von äußeren Fehlern und im Falle von Netzen mit
einer großen Kurzschlußleistung. Außerdem können im Falle
äußerer Fehler falsche Differentialströme auftreten, bedingt
durch die Tatsache, daß einige der Stromwandler in die
Sättigung geraten. Allerdings kann eine Stromwandlersättigung
mit Hilfe verschiedener bekannter Verfahren festgestellt
werden (siehe unter anderem SE 9100917-5). Eine Information,
derzufolge eine Sättigung eingetreten ist, kann für eine
Stabilisierung des Differentialschutzes verwendet werden,
was jedoch eine gewisse Gefahr einer Überstabilisierung im
Falle eines inneren Fehlers begründet.
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Ein Starkstromleitungsnetz kann aus verschiedenen
Spannungsquellen gespeist werden, und daher muß ein
Längsdifferentialschutz Strominformationen von einer entsprechenden Anzahl
von Anschlußpunkten empfangen. Ein Verfahren zur Bestimmung
der Richtung zu einem Fehler, welches auf einem Vergleich
der Polarität der Ströme in den Anschlußpunkten beruht, wird
in einem Aufsatz "Elektronischer Sammelschienenschutz",
veröffentlicht in Brown Boveri Mitt., 1966, Nr. 4/5, Seiten 3
- 16, beschrieben. Dieses Verfahren kann zur Vermeidung einer
Überstabilisierung verwendet werden, wenn die Polarität der
Ströme so beschaffen ist, daß alle Ströme zu einem inneren
Fehler in dem Leitungsnetz fließen.
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Eine Zusammenfassung des aus dem Stand der Technik bekannten
Prinzips der Stabilisierung von
Längsdifferentialschutz-Einrichtungen, wie es oben beschrieben wurde, zeigt Figur 1.
Die Anschlußströme I&sub1; bis In werden einem Differentialkreis
1, einem Stabilisierungskreis 2, einem
Stromwandlersättigungsdetektor 3 sowie einem Stromrichtungsdetektor 4
zugeführt. Von dem Differentialkreis erhält man einen
Differentialstrom ID = ΣIα, wobei α = 1...n, von dem
Stabilisierungskreis erhält man einen Stabilisierungsstrom IS = Σ Iβ ,
wobei β = 1 ...n, von dem Sättigungsdetektor erhält man ein
Signal "s", wenn irgendeiner der Stromwandler in die
Sättigung gerät, und von dem Richtungsdetektor erhält man ein
Signal "d", wenn die Anschlußströme gleiche Richtung haben,
das heißt, wenn es sich um einen inneren Fehler handelt. An
die Funktionseinheit 5 des Längsdifferentialschutzes, welche
Einheit die Funktionscharakteristik ID = S IS + K ausführt,
werden geliefert: Der Differentialstrom ID, der
Stabilisierungsstrom IS und über ein Kontaktpaar k&sub1; und k&sub2;, welches so
beschaffen sind, daß entweder der erste oder der zweite
Kontakt geschlossen ist, ein Wert S&sub1; oder S&sub2; für den
Stabilisierungsgrad S, der von den Ausgangssignalen des
Sättigungsdetektors und des Richtungsdetektors abhängt, und ein
Wert der Relaiskonstanten K. Welcher der Kontakte k&sub1; und k&sub2;
des Kontaktpaares geschlossen ist, wird von einem dritten
Kontakt k&sub3; bestimmt, dessen Zu/Auf-Zustand von dem
Ausgangssignal des Richtungsdetektors in der Weise abhängt, daß er
nur geöffnet wird, wenn der Richtungsdetektor einen inneren
Fehler signalisiert.
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Die Stabilisierung arbeitet in folgender Weise: Die Kontakte
k&sub1; und k&sub3; sind im normalen fehlerfreien Zustand stets
geschlossen. Der Stabilisierungsgrad S&sub1; ist dann Teil der
Funktionscharakteristik. Wenn der Sättigungsdetektor eine
Sättigung in irgendeinem der Stromwandler anzeigt und kein
innerer Fehler signalisiert wurde, wird der
Stabilisierungsgrad S&sub1; weggeschaltet und der Stabilisierungsgrad S&sub2;
durchgeschaltet, um Teil der Funktionscharakteristik zu werden.
Unabhängig davon, ob Sättigung angezeigt wurde oder nicht,
kehrt der Stabilisierungsgrad der Funktionscharakteristik zu
S&sub1; zurück, wenn ein innerer Fehler signalisiert wird.
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Das beschriebene Verfahren gemäß dem Stande der Technik hat
jedoch den Nachteil, daß die Richtungsinformation mehrdeutig
sein kann, was insbesondere dann auftreten kann, wenn die
Impedanz zwischen zwei Anschlußpunkten über einen äußeren
Pfad kleiner ist als im Inneren über einen inneren
Knotenpunkt. Um das zu erläutern, wird eine Anzahl von
Fehlersituationen analysiert.
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Ein Starkstromübertragungsnetz, das gemäß Figur 2, das heißt
in Form eines sogenannten T-Netzes mit einem Knotenpunkt bei
A geschaltet ist, wird von drei verschiedenen
Spannungsquellen G1, G2 und G3 gespeist und ist mit einem Anschlußpunkt
an jedem Leitungsende bei T1, T2 und T3 versehen. Wenn ein
Fehler bei F auf dem Leitungsabschnitt zwischen T2 und dem
Knotenpunkt A auftritt, sind die in den betreffenden
Anschlußpunkten erfaßten Ströme, also I1, I2 und I3, alle zu
dem Fehlerort gerichtet. Die gleiche Stromsituation ergibt
sich unabhängig davon, in welchem der T-Abschnitte ein
Fehler auftritt. Auch, wenn irgendeiner der Stromwandler in den
Anschlußpunkten in die Sättigung geraten würde, würden die
Ströme im Falle eines Fehlers in einem der T-Abschnitte
zwischen den Anschlußpunkten die gleiche Stromrichtung zeigen.
Ein solcher Fehler ist klar und unzweideutig ein innerer
Fehler, und der Längsdifferentialschutz soll tätig werden.
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Wenn ein Fehler B in einem Starkstromnetz gemäß Figur 3
zwischen dem Anschlußpunkt 2 und der Speisequelle G2 auftritt,
wird der Strom I2 in Bezug auf die Ströme I1 und I3
entgegengesetzt gerichtet sein. Dies ist daher gemäß dem Stande
der Technik ein Kriterium für einen äußeren Fehler, und
keine der Längsdifferentialschutz-Einrichtungen in den drei
Anschlußpunkten soll tätig werden. Die Richtung des Stromes
ist natürlich unabhängig davon, ob einer der Stromwandler in
die Sättigung gerät.
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Wenn das Starkstromübertragungsnetz eine Leitung enthält,
die parallel zwischen den Anschlußpunkten T2 und T3 verläuft
und die Einspeisung von G3 gering oder unbedeutend ist,
während gleichzeitg ein Fehler F relativ nahe des
Anschlußpunktes T2 auftritt, jedoch zwischen T2 und dem Knotenpunkt A
liegt, das heißt, wenn eine Situation gemäß Figur 4
vorliegt, fließt der Strom I3 in entgegengesetzter Richtung im
Vergleich zu den Strömen I1 und I2. Mit dem bekannten
Kriterium für einen äußeren beziehungsweise einen inneren Fehler
ist dieser Fehler ein äußerer Fehler, für den die
Längsdifferentialschutz-Einrichtungen stabilisiert werden sollen,
obwohl es sich in Wahrheit um einen inneren Fehler handelt.
Dies bedeutet, daß die Längsdifferentialschutz-Einrichtungen
für eine solche Fehlersituation überstabilisiert sind.
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Wenn bei Betrachtung der gleichen Netzkonfiguration ein
Fehler zwischen dem Anschlußpunkt T2 und dem Knotenpunkt A
auftritt, der jedoch an einer Stelle liegt, die weiter entfernt
ist von dem Anschlußpunkt T2 (siehe Figur 5), so werden alle
Anschlußströme gleiche Richtung haben. Die Fehlersituation
wird daher als ein innerer Fehler identifiziert, und die
Längsdifferentialschutz-Einrichtungen werden tätig.
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Die Mehrdeutigkeit bei der Funktion eines
Längsdifferentialschutzes, abhängig von dem Ort des Fehlers, wie sie aus dem
zuvor Gesagten klar geworden ist, stellt als solches ein
Problem dar und kann zur Überstabilisierung in Fällen eines
inneren Fehlers führen und ernste Konsequenzen haben.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Verfahren und eine Anordnung gemäß der Erfindung stellen
eine Ergänzung des Verfahrens und der Anordnung zur
Stabilisierung eines Längsdifferentialschutzes gemäß dem Stand der
Technik dar. Diese Ergänzung beseitigt die Gefahr einer
Überstabilisierung im Falle eines inneren Fehlers, die in
bestimmten Situationen auftreten kann, wie dies oben
beschrieben wurde, bedingt durch die Mehrdeutigkeit bei der
Feststellung, ob es sich bei einem Fehler um einen äußeren
oder einen ineren handelt. Wenn es sich um einen äußeren
Fehler handelt, ist ein Längsdifferentialschutz hierfür zu
stabilisieren, das heißt, der Schutz soll nicht wirksam
werden. Wie oben beschrieben wurde, können bestimmte
Situationen eintreten, in denen nach dem Stromrichtungskriterium es
den Anschein hat, als handele es sich um einen äußeren
Fehler, während es sich in Wahrheit um einen inneren Fehler
handelt, der nicht stabilisiert werden soll. Wenn gemäß den
Kriterien der Erfindung festgestellt wird, daß ein Fehler,
der als ein äußerer Fehler interpretiert wird, in Wahrheit
ein innerer Fehler ist, sollen die Stabilisierungs-Maßnahmen
weggeschaltet werden, wodurch der Schutz wirksam werden
kann.
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Eine einfache Fehlersitutation ist immer mit einem
Stromanstieg verbunden. Es ist zweckmäßig, nur solche Ströme in den
Anschlußpunkten zu berücksichtigen, die ein bestimmtes
minimales Fehlerstromniveau k Ir überschreiten, wobei Ir der
Nennstrom in den Anschlußpunkten ist. Auf diese Weise erhält
man den Vorteil, daß Anschlußpunkte, die nur einen geringen
oder gar keinen Beitrag zum Fehlerstrom leisten und die
folglich verständlicherweise eine etwas unsicherere
Möglichkeit für eine korrekte Bestimmung der Stromrichtung haben,
von der weiteren Verarbeitung in dem
Stabilisierung-Verfahren ausgeschlossen werden. Andererseits muß der Wert von k
niedriger gewählt werden als der größte Strom, der ohne
Auftreten einer Stromwandlersättigung gemessen werden kann.
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Zusammenfassend umfaßt die Ergänzung folgende Schritte:
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Mittels eines ersten Kriteriums wird geprüft, ob mindestens
zwei der Anschlußströme einen Wert haben, der größer als
k Ir ist, und anschließend wird dann die Richtung dieser
Ströme bestimmt, und
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mittels eines zweiten Kriteriums wird geprüft, ob die
Stromrichtungen unterschiedlich sind, und wenn die
Fehlersituation als ein äußerer Fehler interpretiert wird, wird das
Niveaus IB desjenigen Anschlußstromes ermittelt, der eine
entgegengesetzte Richtung hat im Vergleich zu den anderen
Anschlußströmen, und außerdem wird das Niveaus IA des größten
der anderen Ströme ermittelt, und
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mittels eines dritten Kriteriums wird geprüft, ob IB kleiner
als ein bestimmter Anteil von IA ist. Wenn dies der Fall
ist, wird die Fehlersituation als ein innerer Fehler
interpretiert, auf den reagiert werden muß. Im entgegengesetzten
Fall wird die Fehlersituation als ein äußerer Fehler
interpretiert, für den der Längsdifferentialschutz nicht zu
stabilisieren ist.
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Der Unterschied der Erfindung gegenüber dem Stand der
Technik besteht also darin, daß anstelle von lediglich
Richtungsbestimmungen gemäß 4 in Figur 1 eine Ergänzung
eingeführt wird, die eine Anzahl von Kriterien umfaßt, zu denen
Niveaubestimmung, Richtungsbestimmung, Überprüfung von
Stromrichtungen, Maximalwertbestimmung und ein relativer
Vergleich zwischen Anschlußströmen gehören. Wenn die
Ergänzungsanordnung einen inneren Fehler signalsiert, ersetzt
dieses Signal das Signal "D" in Figur 1 und schaltet ein
mögliches Sättigungssignal "s" weg, wodurch der
Stabilisierungsgrad S1 zu demjenigen gemacht wird, welcher die
Funktionscharakteristik bestimmt.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Die Ergänzung der existierenden Stabilisierung-Maßnahmen,
wie sie unter der Zusammenfassung der Erfindung beschrieben
wurde, bedeutet, daß derjenige Teil, der die
Richtungsbestimmung 4 gemäß Figur 1 enthält, ersetzt wird durch eine
Anzahl von Kriterien, die jedoch unter anderem eine
Richtungsbestimmung enthalten. Eine Ergänzungsanordnung zur
Durchführung des beschriebenen Verfahrens gemäß der
Erfindung kann in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen
aufgebaut sein, bestehend aus analogen und/oder digitalen
Komponenten, die zusammen einen mehr oder weniger
integrierten Aufbau haben können.
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Ein Ausführungsbeispiel KA einer Ergänzungsanordnung gemäß
der Erfindung wird nun in detaillierter Form und mit Hilfe
eines kombinierten Fluß- und Blockdiagramms gemäß Figur 6
beschrieben.
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Alle Anschlußströme werden einer Niveaubestimmungseinheit
und einem ersten Wähler 6 für die Entscheidung über ein
erstes Kriterium zugeführt. Wenn mindestens zwei der
Anschlußströme einen Wert haben, der größer ist als k Ir, so ist
gemäß diesem Kriterium eine Fehlersituation gegeben. Wenn dies
der Fall ist, findet in einer Trenneinheit 7 eine Trennung
positiver und negativer Ströme für jede Halbperiode statt,
das heißt, eine Feststellung der Stromrichtung für die zwei
oder mehr Ströme, die sich gemäß dem ersten Kriterium
ergaben.
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Die Information über die Stromrichtungen stellt die
Eingangsinformation eines zweiten Wählers 8 zur Feststellung
der Richtung dar, welche Feststellung ein zweites Kriterium
der Ergänzung bildet. Hier wird festgestellt, ob die
Stromrichtungen unterschiedlich sind. Wenn die Stromrichtungen
nicht unterschiedlich sind, ist die Fehlersituation ein
interner Fehler, auf den in der im Stand der Technik üblichen
Weise zu reagieren ist, das heißt, der Stabilisierungsgrad
S&sub1; gemäß Figur 1 ist für die Funktionscharakteristik
bestimmend.
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Wenn einer der Anschlußströme eine Richtung hat, die
entgegengesetzt zu der Richtung der anderen Anschlußströme ist,
es sich also nach dem Stand der Technik um einen äußeren
Fehler handeln würde, gehört zu der Ergänzung gemäß der
Erfindung erstens die Ermittlung des Niveaus IB, und zwar in
einer Niveaubestimmungseinheit 9, desjenigen
Anschlußstromes, welcher die entgegengesetzte Richtung hat, und ferner
die Feststellung des Niveaus IA des größten der anderen
Anschlußströme.
Ferner gehört zu der Ergänzung die Verwendung
dieser Information, um als drittes Kriterium in einem
dritten Wähler 10 herauszufinden, ob das Niveau IB des
Anschlußstromes mit der entgegengesetzten Richtung kleiner ist als
ein bestimmter Teil "f" des Niveaus des größten der anderen
Anschlußströme, das heißt ob IB < f IA . Der Wert von "f"
wird entsprechend der Stromverteilung in dem Knotenpunkt
gewählt, der dem Anschluß mit der abweichenden Stromrichtung
am nächsten liegt. Die Stromverteilung ist abhängig von den
geographischen Bedingungen und den Impedanzen des
Starkstromnetzes und liegt normalerweise zwischen 0,25 und 0,5.
Wenn die Antwort JA ist, das heißt, wenn die
Ergänzungsvorrichtung 11 die Fehlersituation als einen inneren Fehler
interpretiert, erhält man ein Signal "i", welches das Signal
"d" gemäß Figur 1 ersetzt. Wenn die Antwort NEIN ist, so ist
die Fehlersituation als ein äußerer Fehler zu
interpretieren, und der Stabilisierungsgrad S&sub2; gemäß dem Stand der
Technik und Figur 1 ist an die Funktionseinheit 5
anzuschließen.
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Figur 7 zeigt, wie die Ergänzungsanordnung 11, KA, gemäß
Figur 6 in die anderen Stabilisierung-Maßnahmen integriert
wird durch Ersetzen der Richtungsbestimmung 4 gemäß Figur 1.
Wenn gemäß der Erfindung ein interner Fehler signalisiert
wird, wird ein mögliches Signal "s", welches einen
gesättigten Stromwandler kennzeichnet, in der üblichen Weise gemäß
dem Stand der Technik weggeschaltet, und der
Stabilisierungsgrad S&sub1; gemäß Figur 1 bestimmt die
Funktionscharakteristik.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt folgende
Einstellung: k = 1,5 und f = 0,5.
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In einem in der Praxis verwendeten Ausführungsbeispiel
enthält die Ergänzungsanordnung ein Eingangsinterface mit
Analog/Digital-Wandlung, Filtern usw.