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Die vorliegende Erfindung betrifft
Stromverteilungsnetzwerke, die eine ankommende Leitung
umfassen, welche über zwischengeschaltete Transformatoren
mehrere ausgehende Leitungen mit ener niedrigeren
Spannung speist, d.h. Mittelspannungs-Versorgungsnetze.
Jede ausgehende Leitung ist generell mit einer
Vorrichtung zur Erkennung seines Nullstromes
ausgestattet, z.B. mit einer Ringkern-Vorrichtung.
Die Störungen, die Stromverteilungsnetzwerke
beeinflussen, weisen mehr oder weniger freie Kontakte
zwischen den Leitern oder mindestens einem Leiter und der
Erde auf.
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Mehrphasige Defekte, d.h. solche, die mindestens zwei
Phasen betreffen, weisen in der Regel Ströme oberhalb des
normalen Laststroms der Leitung auf und können deshalb
mit einfachen Vorrichtungen zur Überwachung der
Phasenströme erfaßt werden, indem eine kontinuierliche
Schwellendetektion realisiert wird.
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Einphasigen Defekte, die eine einzige Phase und die Erde
betreffen, führen zu Strömen, deren Amplitude abhängt von
der Art der Erdung der ankommenden Leitung und dem
tatsächlichen Widerstand der Störstelle, der erhöht sein
kann, insbesondere bei Freileitungsnetzen. Für eine große
Anzahl dieser Störstellen, die "ohmsche Defekte" genannt
werden, ist die Änderung des Stroms nicht mit einfachen
Vorrichtungen erfaßbar.
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Detektion eines
ohmschen oder hochohmigen Defekts, der nicht mittels der
Schutzvorrichtung der betroffenen ausgehenden Leitung
erkannt werden kann und die zur Zeit über den allgemeinen
Schutz der Erdung erfaßt wird, also nicht auf
automatischem Wege.
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Diese ohmschen oder hochohmigen Störstellen rühren
hauptsächlich von einem Durchschlag der Isolierung einer
Phase bezüglich der Erde bei schlechter Erdung,
Störstellen innerhalb des Transformators oder von Brüchen
der Leiter mit oder ohne Erdkontakt, sei es auf der
Versorgungs- oder der Lastseite, her.
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Diese Störungen stellen gravierende Gefahren für die
Umwelt dar (Möglichkeit einer Elektrokution oder eines
Brandes), da ihre Erkennung schwierig ist und sie
erhebliche Verzögerungen bei der Lokalisierung und der
Behebung der Störung mit sich bringen.
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Zum Beispiel wird im französischen Stromnetz ungefähr
einer von acht dauerhaften Defekten nur über
Vorrichtungen zur Erfassung von Erdschlüssen gesehen und
eine von sieben dauerhaften Störungen wird nicht über
eine automatische Vorrichtung entdeckt und die
Netzbetreiber werden lediglich von Dritten alarmiert, die
eine Anomalie feststellen, wie eine auf dem Boden
liegende Leitung.
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Bei den meisten französischen elektrischen
Energieversorgungsnetzen mit Mittelspannung
(Widerstandserdung 300 A) kann die Erkennung einphasiger
Erdschlüsse auf drei Ebenen durchgeführt werden:
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- auf der Ebene der ausgehenden Mittelspannungsleitung
mittels einer Schwellenerkennung, angewandt auf die
Summe der Phasenströme, die von den Transformatoren
für den Phasenstrom geliefert wird oder auf den
Strom, der von einem speziellen Ringkern geliefert
wird;
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- auf der Ebene der ankommenden Mittelspannungsleitung
unter Verwendung der gleichen Meßmethoden;
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- auf der Ebene des Transformators, indem eine Schwelle
des Stroms in der Verbindung zwischen der Nulleitung
der Mittelspannung und der Erde erfaßt wird, oder
durch eine Überwachung der Nullspannung.
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Die Empfindlichkeit der Detektion eines einphasigen
Erdschlusses ist auf einen maximalen Widerstand
beschränkt, der beispielsweise für eine Minimallast von
54 kW, im Falle einer in einem Freileitungsnetz
auftretenden Störung der Rückleitung, bei 24 kΩ liegt,
oder bei 8 kΩ für eine Minimallast von 160 kW im Falle
einer Störung der Rückleitung in einem typischen
Beispielfall.
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Es handelt sich hier nur um das Aufspüren einer Störung,
ohne den fehlerhaften Ausgang zu lokalisieren. Es ist
also notwendig, diese Erfassungsvorrichtung mit einem
Suchautomatismus zu verbinden, der ein sequentielles
Öffnen jeder Leitungsschiene, die mit dem Transformator
verbunden ist, steuert, bis die Störung verschwindet.
Diese Einrichtung zur selektiven Detektion verursacht
zahlreiche kurze Unterbrechungen, die die Kunden stören.
Nun ist die Kontinuität der Leistung auf den Netzen ein
Faktor, der immer wichtiger wird.
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Im Fall von Netzwerken, die über Ausgleichsspulen geerdet
sind, wird die fehlerhafte, ausgehende Leitung nicht vom
maximalen Nullstrom durchlaufen, wenn es sich um einen
Erdschluß handelt. Aus diesem Grund sind die
Schutzmaßnahmen mittels Strommessung, die verwendet
wurden, um selektiv die fehlerhaften Ausgänge in den
widerstandsgeerdeten Netzen zu erfassen, nicht mehr
angemessen. Bei dieser Art von Netzen können
Widerstandsdefekte mittels einer Überwachung der
gesamten, vom Transformator gelieferten Nullspannung des
Netzes erkannt werden; diese Spannung steht in Beziehung
zum Fluß des Nullstroms, welcher hervorgerufen wird durch
die Störung in der Nullimpedanz (Resonanzkreis) des
Netzes.
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In diesem Fall kann man den fehlerhaften Ausgang mit der
Vorgehensweise der aufeinanderfolgenden Öffnung der mit
dem Transformator verbundenen Ausgänge nicht ermitteln,
denn in diesem Fall ist die Änderung der Nullspannung,
die der Öffnung eines Ausgangs folgt, teilweise auf die
Fehlanpassungen in den Nulleiterstromkreisen
zurückzuführen, die durch diese Öffnung hervorgerufen
werden und es ist somit unmöglich zu wissen, wenn nicht
eine eventuelle Wiederanpassung des Nullstromkreises
abgewartet wird, ob die Änderung der Nullspannung auf das
Verschwinden der Störung zurückzuführen ist, oder aber
auf die Änderungen der Abstimmung.
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Mit DE-A-2 400 527 ist bereits ein Verfahren bekannt, um
Isolationsfehler eines elektrischen Verteilungsnetzes,
insbesondere eines Dreiphasennetzes, zu bestimmen, wofür
die Vektorsumme der Phasenströme gebildet und bestimmt
wird, ob diese Summe gleich Null ist, in welchem Fall das
Netz gut ausgeglichen ist.
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Im Falle einer Unsymmetrie wird die Bestimmung des
Fehlerortes sichergestellt, indem der Reststrom
verglichen wird mit dem Strom, der in einer Petersenspule
fließt, die den Nulleiter des Netzes mit der Erde
verbindet.
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Dieses Dokument beschreibt unter anderem ein Verfahren
zur Bestimmung von Isolationsfehlern in elektrischen
Verteilungsnetzen, insbesondere in Dreiphasennetzen. Das
Verfahren besteht darin, nach und nach Vergleiche der
Phasen der aufeinanderfolgenden Stromkreise einer
Schaltanlage durchzuführen.
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Daraus folgt, daß es, unter Berücksichtigung der immer
höheren Ansprüche an die elektrische Energieversorgung,
notwendig ist, eine Vorrichtung zur Verfügung zu haben,
die eine sichere und schnelle selektive Detektion
hochohmiger Erdschlüsse in elektrischen
Energieversorgungsnetzen erlaubt.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zu entwickeln zur selektiven Detektion eines
Widerstandsdefektes auf einer ausgehenden Leitung eines
Stromverteilungsnetzwerkes, welches eine ankommende
Leitung, die über einen Transformator eingespeist wird,
und mehrere ausgehende Leitungen umfaßt, wobei jede
ausgehende Leitung mit einem Nullstromdetektor
ausgerüstet ist, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß
Amplitude und Phasenverschiebung des Nullstroms jeder
ausgehenden Leitung ununterbrochen mit Referenz auf eine
Bezugsgröße gemessen, die Vektorsumme der Gesamtheit der
Nullströme der ausgehenden Leitungen gebildet und die
Phasenverschiebung jedes Nullstroms im Vergleich zu der
Phasenverschiebung besagter Vektorsumme überwacht wird,
wobei das Vorhandensein eines Fehlers erkannt wird, wenn
besagte Phasenverschiebung eines Nullstroms eine
vorherbestimmte, negative Schwelle überschreitet.
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Nach einer ersten Ausführungsform wird der Wert der
Phasenverschiebung des Nullstroms jeder ausgehenden
Leitung mit dem Wert der Bezugsgröße aus dem gleichen
Zeitintervall verglichen.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die
Änderung der Phasenverschiebung des Nullstroms jeder
ausgehenden Leitung während einer vorherbestimmten
Zeitperiode mit dem Wert der Bezugsgröße der
vorangegangenen Zeitperiode verglichen wird.
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Das allgemeine Prinzip des obigen Verfahrens besteht
darin, die bestehende Phasenverschiebung zwischen jedem
Nullstrom und der Nullspannung oder einer ihr verbundenen
Größe zu bewerten, indem die Momentanwerte des
Nullstromes während eines festgelegten Zeitintervalls
betrachtet werden, dann handelt es sich um ein statisches
Verfahren, oder indem die Änderungen des gleichen Stromes
während eines festgelegten Zeitintervalls betrachtet
werden, dann handelt es sich um ein dynamisches
Verfahren.
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Daraus folgt, daß die Wirkkomponente des Nullstroms jedes
Ausgangs erfaßt wird, wobei diese Komponente Ausdruck der
Injektion einer Wirk-Nulleistung in Richtung Quelle ist
und so das Vorhandensein einer Störung auf dem
betrachteten Ausgang anzeigt. Daraus folgt, daß das
erfindungsgemäße Verfahren auf allen Netzen funktionieren
kann, insbesondere auf Netzen mit abgeglichenem
Nulleiter.
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Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist die
Erfassungsschwelle mindestens gleich dem zweifachen der
größten Komponente der Ausgleichsströme, die in
Abwesenheit einer Störung existieren.
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Diese Auslösungsschwelle erlaubt es, Unsymmetrieen im
Aufbau der verschiedenen Ausgänge zu berücksichtigen,
welche, in Folge der Unausgeglichenheit, Wirk- und Blind-
Nullstromkomponenten induzieren, die, obgleich in der
Regel schwach, ausreichend sind, um das erfindungsgemäße
Erfassungsverfahren zu beeinträchtigen, was dazu führen
kann, daß die Empfindlichkeit beschränkt wird.
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Nach einer anderen Variante der Erfindung ist die
Detektionsschwelle unabhängig von den Komponenten der
Ausgleichsströme, die in Abwesenheit einer Störung
existieren.
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Die dynamische Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erlaubt gleichermaßen, die Effekte der
natürlichen Unsymmetrieen, die zwischen den verschiedenen
Ausgängen existieren, auszuschließen; in der Tat
variieren diese Unsymmetrieen wenig mit der Zeit und auf
jeden Fall nur langsam. Wenn man eine dynamische
Erfassung realisiert, mit Bezug auf die Nullspannung oder
eine ihr verbundene Größe, so ist die sichtbare Änderung
der Wirkkomponente auf dem fehlerhaften Ausgang die
einzige, die ungleich Null ist.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die
Vektorsumme der Nullströme der Ausgänge berechnet und die
Projektion jedes Nullstroms der Ausgänge auf eine Achse
senkrecht zu besagter Vektorsumme berechnet.
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Das orthogonale System, welches durch Referenzsignale
gebildet wird, kann erhalten werden über eine Messung der
Nullspannung oder der ihr entsprechenden Größe und durch
das Produkt von dem erhaltenen Signal und einem um eine
viertel Periode versetzten Signal.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird
dieses orthogonale System dadurch erhalten, daß eine von
der Nullspannung unabhängige Spannung gemessen wird, wie
die Spannung zwischen zwei Phasen des Transformators, und
durch das Produkt des erhaltenen Signals und einem um
eine viertel Periode versetzten Signal.
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Nach einer anderen Variante wird dieses orthogonale
Referenzsystem auf eine künstliche Weise zu Beginn jedes
Meßprogramms bestimmt.
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Weiter Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels der Erfindung, in der auf die
Zeichnungen im Anhang Bezug genommen wird, wobei:
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- Figur 1 eine Hoch-/Mittelspannungsverteilerfeld
schematisch darstellt;
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- Figur 2 in einem Diagramm die Nullströme in
Abwesenheit einer Störung zeigt;
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- Figur 3 ein Diagramm entsprechend Figur 2 zeigt für
den Fall einer Störung auf einem Ausgang;
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- Figur 4 das Schema eines Teils des Netzwerks ist;
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- Figur 5 in einem Organigramm die verschiedenen Phasen
des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzeigt;
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- Figur 6 eine Ausführungsform der Erfindung
veranschaulicht;
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- Figur 7 und 8 schematische Erklärungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens sind.
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Figur 1 stellt ein Hoch-/Mittelspannungsverteilerfeld
eines Stromnetzes dar; es umfaßt eine
Hochspannungsleitung 10, die einen Transformator 11
speist, dessen Sekundärseite an eine
Mittelspannungsleitung 12 angeschlossen ist; diese
Mittelspannungsleitung 12 stellt die ankommende Leitung
dar und sie speist, über einen zwischengeschalteten
gemeinsamen Schutzschalter 13, mehrere ausgehende
Mittelspannungsleitungen, bezeichnet mit 1 bis 8 und jede
geschützt durch einen Schutzschaltung 9.
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Der Nulleiter der ankommenden Mittelspannungsleitung 12
ist geerdet über eine zwischengeschaltete Impedanz 14,
die in Serie geschaltet ist mit einer Vorrichtung zur
Detektion ohmscher Erdschlüsse 15, die dem
Betriebsverantwortlichen im Fall eines ohmschen
Erdschlusses Alarm gibt.
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Wie oben erwähnt, sind die Schutzvorrichtungen 9
Nullstromschutzvorrichtungen, die es gestatten können,
eine minimale Empfindlichkeitsschwelle zu erreichen, die
beispielsweise bei 0,7 A liegt, was einem Widerstand der
Störstelle von ungefähr 15 Kiloohm für etwa 100 Sekunden
entspricht.
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Das Schutzsystem 15 ist ein Schwellenstromschutz, der,
ohne den fehlerhaften Ausgang zu bestimmen, die folgenden
Empfindlichkeiten erlaubt:
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Die Schutzvorrichtung 15 kann, bei bestimmten Netzen,
durch eine automatische Vorrichtung zur Suche des
fehlerhaften Ausgangs vervollständigt werden, die ein
sequentielles Öffnen der verschiedenen Ausgänge steuert,
bis die Störung verschwindet.
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Wie oben erwähnt, bringt diese Vorrichtung kurze
Unterbrechungen der Stromversorgung der an das Netz
angeschlossen Kunden mit sich und außerdem muß, falls
diese Methode versagt, der Sicherungsautomat der
ankommende Leitung ausgeschaltet werden.
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Wenn es sich um ein Netz handelt, das über eine
Ausgleichsspule geerdet ist, wird der fehlerhaft Ausgang
im Falle eines Erdschlusses nicht von dem maximalen
Nullstrom durchflossen, und der Stromschutz 9 ist nicht
mehr angemessen.
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Wie oben beschrieben, kann die Suche nach dem
fehlerhaften Ausgang durch sequentielles Öffnen nicht
mehr angewandt werden.
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Es ist also nicht möglich, auf eine zuverlässige Weise
das Aufspüren des fehlerhaften Ausgangs zu erreichen,
welcher Art auch immer die Verbindung zur Erde des
betrachteten Netzes ist (Widerstandserdung, kompensiertes
Netz, etc.).
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Im folgenden wird das Prinzip des erfindungsgemäßen
Verfahrens beschrieben, indem es auf ein kompensiertes
Netz angewandt wird.
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Figur 2 stellt die verschiedenen Nullstrome i1 bis i8
dar, die die ausgehenden Leitungen 1 bis 8 durchfließen.
Von jedem Nullstrom wird Amplitude und Phasenverschiebung
gemessen und anschließend die Vektorsumme der Gesamtheit
der Nullströme der Ausgangsleitungen gebildet, was den
Nullstrom S liefert, der die Schutzvorrichtung 15
durchfließt.
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In Abwesenheit eines Fehlers beruhen die Nullströme der
Ausgänge, die von dem gleichen Transformator stammen,
einfach auf natürlichen Unsymmetrieen dieser Ausgänge,
insbesondere auf Unsymmetrieen der Phasen bezüglich der
Erde. Im Fall eines kompensierten Netzes sind die
Nullströme kaum gegeneinander phasenverschoben. Die
Wirkkomponente jedes Nullstromes wird durch die
Projektion des Vektors des Stromes auf eine Achse
senkrecht zur Vektorsumme S dargestellt.
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Figur 3 ist ein Diagramm, das dem von Figur 2 entspricht,
wobei jedoch auf einem der Ausgänge ein Fehler auftaucht,
in diesem Fall auf Ausgang 8. In diesem Fall ändert sich
die Nullspannung, und die Gesamtheit der Phasen der
Nullströme der verschiedenen Ausgänge ändert sich
gleichermaßen. Wenn der Widerstand der Fehlstelle
ausreichend gering ist, damit der Fehlerstrom i'8 spürbar
oberhalb der natürlichen Unsymmetrieen der Nullströme der
Ausgänge ist, so verschiebt sich die Phase des Nullstroms
der fehlerhaften Leitung spürbar gegenüber der Phase der
anderen Ausgänge.
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Insbesondere die Projektion auf eine Achse X' senkrecht
zu der Vektorsumme S' der Nullströme i'1 bis i'8 ist für
den fehlerhaften Ausgang viel größer als für die anderen,
da sie die Nullwirkleistung darstellt, die von dem Fehler
in Richtung der Quelle eingeprägt wird. Es kann ein
Vergleich mit dem Fall aus Figur 2 angestellt werden, in
der kein fehlerhafter Ausgang existiert, weshalb die
Summe S durch eine durchgezogene Linie dargestellt wird.
In der Tat ist die Projektion P'8 viel größer als die
Projektionen, die den anderen Nullströmen i'1 bis i'7
entsprechen.
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Da der gesamte Nullstrom mit der Nullspannung verbunden
ist, erlaubt also die Überwachung der Phasenverschiebung
des Nullstroms jeder ausgehenden Leitung im Vergleich zu
der Nullspannung oder einer Größe, die ihr verbunden ist,
auf eine verläßliche und schnelle Weise die fehlerhafte
Leitung zu bestimmen.
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Das Verfahren zur Erfassung, das gerade beschrieben
wurde, ist von statischem Typ, da zu jedem Meßzeitpunkt
die Phasenverschiebung jedes ausgehenden Nullstromes mit
der Nullspannung oder einer Größe, die ihr verbunden ist,
verglichen wird. Die Erfassungsschwelle kann auf einen
Wert festgesetzt werden, der größer ist als das Zweifache
der maximalen, normalen Wirkkomponente des
Ausgleichstroms des betreffenden Ausgangs. Dies erlaubt
die Loslösung von Störungen, die darauf zurückzuführen
sind, daß die Ausgleichsströme Wirk- und Blindkomponenten
der Nullströmen induzieren.
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Das Verfahren, das gerade beschrieben wurde ist angepaßt
an Netze mit kompensiertem Nulleiter oder
widerstandsgeerdete Netze. Wenn die Empfindlichkeit
erhöht werden soll, so kann ein dynamisches Verfahren zur
selektiven Detektion verwendet werden.
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Figur 4 zeigt schematisch einen Teil eines Netzes, das
drei Phasen V1, V2 und V3 umfaßt, welche jeweils über
eine Kapazität geerdet sind, die eine Impedanz Z1 und
eine Admittanz Y1, bzw. Z2 und Y2, Z3 und Y3, darstellt.
Mit I1, I2 und I3 werden die Ströme bezeichnet, die in
diesen geerdeten Impedanzen fließen. Wenn eine Rechnung
durchgeführt wird, indem die symmetrischen Komponenten
verwendet werden, die auffolgende Weise definiert sind:
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V&sub1; = V&sub0; + Vd + Vi
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V&sub2; = V&sub0; + a²Vd +a Vi
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V&sub3; = V&sub0; + aVd + a²Vi
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I&sub1; = V&sub1; Y&sub1;
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I&sub2; = V&sub2;Y&sub2;
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I&sub3; = V&sub3;Y&sub3;
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und davon ausgegangen wird, daß der gesamte Nullstrom im
allgemeinen schwach ist im Vergleich zu dem gesamten
kapazitiven Strom (in der Größenordnung von einigen
Tausendsteln) und daß, ohne einen Erdschluß, die
Vorwärtsspannung Vd deutlich größer ist als die
Umpolspannung Vi, dann kann geschlossen werden, daß, wie
auch immer die ursprünglichen Unsymmetrieen der
verschiedenen ausgehenden Leitungen sind, nur der
fehlerhafte Ausgang eine Änderung seines Nullstromes
liefert, die phasenverschoben ist im Vergleich zur
Änderung des Nullstroms aller anderen (11-18) Fehler.
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In diesem Fall, wird, entsprechend der Erfindung, eine
dynamische Erfassung durchgeführt, indem die Änderungen
des Nullstromes jedes Ausgangs überwacht und die Phase
von jeder der Änderungen mit jener aller anderer Ausgänge
verglichen wird. Wenn ein Ausgang fehlerhaft ist, so ist
die Änderung seines Nullstroms stark phasenverschoben
verglichen mit der Änderung der Nullströme der anderen
Ausgänge. Es wird also keine Erfassung der Abweichung der
Phase der Nullstromwerte durchgeführt, sondern ihrer
Änderung. Dieses Verfahren zur dynamischen Detektion
erlaubt eine erhebliche Verbesserung der Empfindlichkeit
der erfindungsgemäßen selektiven Detektionsvorrichtung.
Gemäß der Erfindung wird die Phase der Nullspannung
geschätzt, indem die Vektorsumme der Nullströme berechnet
wird; dies gestattet, eine Spannungsmessung zu vermeiden,
die die Kosten der Vorrichtung erhöht, wenn die
Nullspannung nicht verfügbar ist; im übrigen ist die
erfindungsgemäße Vorrichtung unabhängig von jedem anderen
Schutz, der die Nullspannung verwendet.
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Es wird also eine Analyse der Phasenverschiebung zwischen
jedem Nullstrom und der Summe der Nullströme im Fall
einer statischen Erfassung und eine Analyse der Änderung
dieser Verschiebungen im Fall einer dynamischen Erfassung
durchgeführt.
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Figur 5 ist ein Organigramm, das das erfindungsgemäße
Verfahren veranschaulicht. Dieses Verfahren wird
rechnergestützt realisiert, wobei die Steuerung von einem
Programm übernommen wird.
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Beim Start wird zunächst eine Analyse der
Steuerungseinheit durchgeführt, dann erfolgt das Lesen
des Dateikopfes. Diesem Vorgang folgt einer Phase zur
Auswertung der Referenzsignale, auf die später
eingegangen wird.
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Während des ersten Meßzyklus erfolgt eine Lektüre und
eine Analyse und es werden Mittelwerte der
Wirkkomponenten jedes Nullstroms abgeleitet; diese Phase
ist eine Initialisierungsphase, die Mittelwerte werden
für die gesamte Meßserie verwendet, falls man eine
Detektion des dynamischen Typs durchführt.
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Anschließend wird die Messung für das folgende
Zeitintervall durchgeführt und die Änderungen bezüglich
der vorher festgelegten Mittelwerte berechnet. (12-32/35)
Diesem Vorgang folgt eine Analyse der Werte und/oder der
Änderungen des betrachteten Zeitintervalls, die auch
dargestellt werden können.
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Falls eine dynamische Erfassung verwendet wird, so wird
der Vorgang zur Berechnung der Änderungen und der
Mittelwerte zur Analyse der Werte und der Änderungen
wiederholt; falls es sich um eine statische Detektion
handelt geht man zuerst zur Modifizierung der Mittelwerte
über.
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Die Datei ist eine Datei, die von den
Störungsaufzeichnungen stammt. Es ist selbstverständlich,
daß keine dynamische Erfassung durchgeführt werden kann,
solange noch keine Periode aufgezeichnet wurde, in der
kein Fehler existierte.
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Die bei der Ausführung durchgeführten Berechnungen durch
das Computerprogramm bestehen darin, für jeden einem
Ausgang entsprechenden Kanal die Vektorprojektion, die
den Nullstrom darstellt, auf eine Achse X oder X'
senkrecht zum Vektor, der die Summe der Nullströme S oder
S' darstellt, zu berechnen (siehe Figur 3). Das bedeutet,
daß der Imaginärteil der komplexen Zahl berechnet wird,
die den Wert des Nullstroms in einem Achsensystem
(reellimaginär) darstellt, welches durch die zeitliche Summe
der Nullstromwerte vorgegeben wird. Dafür werden zwei
willkürliche, orthogonale Referenzsignale (bezeichnet mit
sin x und cos x) verwendet und für jeden Kanal der
Grundterm der Fourierreihe, welche mit diesem Kanal
verbunden ist, berechnet. Das gleiche wird für die
zeitliche Summe der Kanäle durchgeführt, nachdem diese
berechnet wurde.
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Jeder Kanal, sowie die Summe der Kanäle, wird durch eine
komplexe Zahl in einem willkürlichen komplexen
Achsensystem dargestellt. Dann wird für jeden Kanal die
komplexe Zahl berechnet, die durch Rotation in Richtung
der Summe erhalten wird. In diesem neuen Achsensystem
besitzt die Summe einen Realteil, der gleich ihrem Betrag
ist, und einen Imaginärteil von Null.
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Um das Referenzsignal zu erhalten, können drei Methoden
verwendet werden. Die erste besteht darin, die
Nullspannung zu erfassen und das Produkt aus dem
erhaltenen Signal und einem um eine viertel Periode
verschobenen Signal zu bilden.
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Die zweite Methode besteht darin, eine Spannung zu
messen, die unabhängig ist von der Nullspannung, zum
Beispiel eine Spannung, die von der Spannung, die
zwischen zwei Phasen des Transformators existiert,
herrührt, oder die Versorgungsspannung der Geräte der
Verteilerstelle, die auch die Versorgungsspannung der
selektiven Erfassungsvorrichtung bildet.
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Eine dritte Methode besteht darin, auf künstliche Weise
eine Referenz, sin (x) und cos (x), zu erarbeiten, die
ein für alle mal zu Beginn des Programms für jeden Punkt
berechnet wird. Diese letzte Methode ist einfach, und sie
benötigt weder eine Messung noch die Beschaffung eines
zusätzlichen Signals.
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Die Änderungen werden Schritt für Schritt berechnet,
indem die Differenz zwischen den gespeicherten
Mittelwerten und den Werten, die gerade eingelesen
wurden, gebildet wird. Wenn diese zeitliche Differenz
gebildet ist, wird die zeitliche Summe dieser Differenzen
berechnet und die gleiche Berechnung auf die erhaltenen
Werte angewandt, wie auf die eingelesenen Werte.
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Die Mittelwerte werden nach dem Lesen der ersten Periode
initialisiert. Sie werden dann nach jeder Periode
angepaßt und es wird keine dynamische Erfassung
durchgeführt. Die neuen Mittelwerte werden dann so
gewählt, daß sie gleich dem Mittel zwischen den alten
Mittelwerten und den gerade eingelesenen Werten sind.
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Die Detektion vollzieht sich dann durch die Auswertung
der Projektionen jedes Kanals auf die zeitliche Summe der
Kanäle, indem ein Vergleich der Imaginärteile dieser
Projektionen durchgeführt wird, wobei die Summe dieser
Imaginärteile natürlich Null ist.
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Dieser Imaginärteil ist zwingend negativ für den
fehlerhaften Ausgang. Für die fehlerfreien Ausgänge kann
er positiv oder negativ sein. In jedem Fall ist der
Imaginärteil des fehlerhaften Ausgangs minimal, d. h., er
hat den größten negativen Wert.
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Die Erfassung besteht also darin, zu verifizieren, daß
die Schwelle von dem Ausgang erreicht wird, der absolut
den größten Imaginärteil besitzt. Die statische Erfassung
wird mit den Werten durchgeführt, die gerade eingelesen
wurden, indem ein Vergleich mit der statischen Schwelle
durchgeführt wird.
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Die dynamische Erfassung wird durchgeführt, indem die
Differenzen zwischen den gerade eingelesenen Werten und
den Mittelwerten betrachtet und Vergleiche mit der
dynamischen Schwelle durchgeführt werden.
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Die Ergebnisse werden auf einem Bildschirm angezeigt, und
es ist möglich, sie auf einem Drucker auszugeben, sie in
einer Datei zu speichern oder sie an irgend eine andere
Ausgabeschnittstelle zu schicken. Die Perioden, in denen
eine erfaßte Änderung des Zustands aufgetreten ist,
erscheinen mit der Bezeichnung der Änderung (Anfang oder
Ende) und dem Erfassungstyp (statisch oder dynamisch).
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Im Fall eines Endes (Verschwinden einer Störung) wird die
Anzahl der Perioden, während denen die Störung
festgestellt wurde, festgehalten, sowie der maximal
erreichte Betragswert des fehlerhaften Strom.
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Die folgende Tabelle ist ein Beispiel für eine solche
Anzeige.
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Man sieht, daß ein Fehler bei der statischen Detektion
auf Kanal Nr.4 aufgetaucht ist, mit einem Betragswert des
Stroms von 0,52 A; dieser Defekt verschwindet in der
Periode 12. Es wird angezeigt, daß das Maximum des
Betrags 1,06 A für diesen auf statische Weise erfaßte
Defekt gewesen ist, der 10 Perioden angedauert hat. In
der Tabelle sieht man ebenfalls die Ergebnisse der
dynamischen Detektion Es erscheint eine Störung auf
Kanal 4 in der Periode 4 mit einem Wert von 0,28 A. Diese
Störung verschwindet in der Periode 12, nachdem ein
Maximum von 0,364 A erreicht wurde, und taucht dann in
Periode 19 dann mit einem Betrag von 0,21 A wieder auf.
Diese dynamische erfaßte Störung bleibt bis zum Ende der
Datei seit 25 Perioden bestehen, wobei sein maximaler
Betrag 0,45 A betrug. Im vorliegenden Fall wird es sich
um eine Störung handeln, die vor dem Beginn der
Störungsregistrierung existierte.
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Es ist vorteilhaft, eine vollständige Anzeige zu
verwenden, die für jeden Kanal und für die zeitliche
Summe der Kanäle folgendes zur Verfügung stellt:
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- die Mittel- und Effektivwerte für die Periode;
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- Real- und Imaginärteil, sowie Betrag und Phase in
dem willkürlichen Referenzsystem; und
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- Real- und Imaginärteil nach der Rotation in Richtung
des Achsensystems, wobei die Achsen durch die
zeitliche Summe der Kanäle vorgegeben sind.
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Die gleichen Werte werden dann für die Differenzen
zwischen den eingelesenen Werten und den Mittelwerten
angegeben.
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Ein Beispiel für eine solche Anzeige ist mit der
folgenden Tabelle gegeben.
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Dabei bedeuten: val = Wert, dif = Differenz,
moy = Mittelwert, eff = Effektivwert, reel = Realteil,
imag = Imaginärteil, mod = Betrag und arg = Phase.
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Figur 6 stellt schematisch das Rechnersystem dar, welches
das Programm durchführt. Es muß die Aufnahme des
Nullstroms aller Ausgänge durchführen, die von dem
gleichen Transformator versorgt werden. Z.B. kann ein
Aufnahmesystem verwendet werden, daß mit 10 bit 32 mal
pro Periode mißt. Der Erfassungsalgorithmus kann leicht
umgeformt werden, um mit ganzen Zahlen zu arbeiten.
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Die Referenzsignale sind so angepaßt, daß sie bei den
Multiplikationen mit den Eingangswerten signifikante
ganzzahlige Ergebnisse liefern; z.B. können als Signale
die ganzzahligen Anteile von 1024 * sin x und 1024 * cos
x verwendet werden, was den Vorteil hat, daß es erlaubt,
die Multiplikationen und Divisionen durch einfache
Verschiebung (1024 = 2¹&sup0;) zu ersetzen. Es ist in jedem
Fall sinnvoll, eventuelle Überläufe bei der Berechnung
der Imaginärteile durch Rotation (Ergebnisse mit 32 bit)
zu vermeiden. Die Division durch den Betrag der Summe,
die notwendig ist, um den Betrag des Fehlerstroms nach
Rotation zu erhalten, kann durch eine Division durch die
Summe der Absolut- und Imaginärwerte der Summe der Kanäle
ersetzt werden, wenn feststeht, daß die Berechnung der
Wurzel zu zeitaufwendig ist.
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Gemäß einer Variante wird als Referenzsignal eine von der
Nullspannung unabhängige Spannung verwendet, wie eine
Versorgungsspannung, die zwischen zwei Phasen abgenommen
wurde. Diese Lösung beinhaltet den Nachteil, daß ein
zusätzlicher Erfassungskanal verwendet wird.
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Wenn diese Lösung gewählt wird, müssen nur die
Berechnungen zur Erfassung installiert werden (die
Berechnungen der Mittel- und Effektivwerte, des Betrags
und der Phase sind überflüssig). Die unentbehrlichen
Operationen sind:
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- Aufstellen der Mittelwerte der Signale für jeden
Kanal;
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- die Berechnung der zeitlichen Summe der Eingänge;
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- die Berechnung der Basisterme und der Eingänge der
zeitlichen Summe durch Produkt mit sin x und cos x,
gleichzeitig mit der Stichprobe. Sie können als
feste Größe gespeichert werden;
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- die Berechnung des Imaginärteils, der durch Rotation
jedes Kanals in Richtung der zeitlichen Summe der
Kanäle erhalten wird;
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- die Berechnung der zeitlichen Differenzen für jeden
Kanal und die gleichen Berechnungen wie vorher mit
den Differenzen zwischen den Eingangswerten und den
Mittelwerten; und
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- der Vergleich der Ergebnisse mit einer
parametrierbaren Schwelle.
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Entsprechend der Leistung des verwendeten Rechnersystems
können Erfassung und Berechnungen in Echtzeit
durchgeführt werden, oder eine Sequenz Erfassung-
Berechnung über einige Perioden gebildet werden.
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In Figur 6 sieht man ein Rechnersystem 31, daß als
Eingang Werte der Nullströme 32 erhält, und am Ausgang
Signale 33 zur Verfügung stellt, wobei er den
fehlerhaften Kanal anzeigt. Dieses Rechnersystem erhält
außerdem mit 34 eine Versorgungsspannung, die als
Referenzsystem verwendet werden kann. Die Ausgänge 35 und
36 zeigen jeweils an, ob es sich um eine statische oder
eine dynamische Erfassung handelt. Schließlich ist das
System 31 verbunden mit einem Kommunikationsnetz 37, dank
dem die Programmierung und die Parametrierung des Systems
31 durchgeführt werden kann.
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Die Eingänge 32 werden über die Transformatoren für den
Strom der Schutzvorrichtungen 9 jedes Ausgangs versorgt.
Die Eingangsniveaus müssen an die gewünschte
Empfindlichkeit und an die Anzahl der bit der verwendeten
A/D-Wandlung angepaßt sein.
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Zum Beispiel, um Störungen in der Größenordnung von 120
Kiloohm zu erfassen, mit einer relativ konfortablen
Amplitude von drei Quantisierungen für die Berechnungen,
hätte man:
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0,1 A eff HTA T 1,77 mA max BT
das ergibt 1,77 mA auf 3 Quantisierungen T 1,77 * 512/3 T
300 mA volle Skala auf 10 bit.
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Der maximale erhaltene Strom im Fall einer doppelten
Störung ist von einer Größenordnung von 10 000 A auf der
Mittelspannungsseite, das ergibt 10 000 * 5/400 125 A.
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Zu Anfang werden die Ausgänge zu einem
Störungsaufzeichner geschickt. Die Auslösung von diesem
wird entweder durch die statische oder durch die
dynamischen Erfassungssignalisierungen sichergestellt.
Die logischen Ausgänge, die der Signalisierung des
fehlerhaften Kanals entsprechen, werden durch die
Störaufzeichnung erhalten, die gleicherweise die
Erfassung der Restströme unter den gleichen Bedingungen
wie das System sicherstellt. So könnten aus der Ferne die
gelieferten Informationen abgerufen und das Funktionieren
des Systems überprüft werden, eventuell nach einem
automatischen Anruf des Störaufzeichners.
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In der Folge könnten die logischen Ausgänge direkt von
der Steuerkontrolle der Ursprungsstelle bearbeitet
werden, um Alarm auszulösen oder direkt die Öffnung des
fehlerhaften Ausgangs zu steuern.
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Die Figuren 7 und 8 sind Diagramme, die das
erfindungsgemäße Verfahren erklären.
In Figur 7 wurden die Nullströme I&sub1; bis I&sub7; eines
Verteilungsnetzes dargestellt. Die Wirkanteile dieser
Nullströme sind jeweils mit IC1 bis IC7 bezeichnet. Für
jeden der Nullströme bestimmt man seine Abweichung im
Vergleich zu der Wirkkomponente, und zwar δ&sub1; bis δ&sub7;; in
dem dargestellten Beispiel ist die Abweichung des Stroms
17 Null. Die Werte der verschiedenen Ströme sind in der
Figur eingetragen.
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Die Vektorsumme der Abweichungen δ&sub1; bis δ&sub7; ergibt die
Abweichung δT des gesamten Nullstroms.
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In Figur 8 wurde auf der linkes Seite das gleiche Netz
dargestellt, mit einer Störung von 0,2 A mit einer
Phasenverschiebung von 120º auf dem Ausgang 1, nämlich
der Strom i'1, die anderen Ströme sind mehr oder weniger
gleich geblieben.
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In diesem Fall bestimmt man gleicherweise die Abweichung
δ&sub1; bis δ&sub7;, deren Vektorsumme die neue gesamte Abweichung
δ'T liefert.
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Es wird deutlich, daß die Erfindung gestatten, auf eine
zuverlässige und schnelle Weise die Detektion eines
Widerstandsdefektes auf einem Ausgang einer elektrischen
Energieverteilerstelle zu realisieren. Dies wird
erreicht, egal auf welche Weise der Nulleiter des
Mittelspannungsnetzes geerdet ist.
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Die Anwendung des dynamischen Verfahrens erlaubt zudem,
die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu verbessern, da
Störungen erfaßt werden können, deren Widerstand bei bis
zu 120 Kiloohm liegen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, die
Sicherheit Dritter und die von Installationen in der
Nachbarschaft von elektrischen Mittelspannungsleitung zu
verbessern, sowie auch die Qualität der Dienstleistungen
dieser Netze, indem die Anzahl der kurzen Unterbrechungen
reduziert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt gleicherweise,
eine Messung der kapazitiven Nullströme jedes Ausgangs,
sowie seiner natürlichen, eigenen Unsymmetrieen zu
liefern; so ist es möglich, eine Karte mit den
natürlichen Unsymmetrieen zu erstellen. Es erlaubt auch,
andere Arten von Erdschlüssen zu erfassen, eingeschlossen
der widerstandslosen freien Erdschlüsse.