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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung und Überwachung eines elektrischen
Systems mit einer Einspeiseleitung, die über einen Eingangsleistungsschalter mit mehreren
Abgangsleitungen verbunden ist, wobei jede Abgangsleitung einen zugeordneten
Abgangsleistungsschalter aufweist, die Einrichtung zur Steuerung und Überwachung eine
elektronische Schutzeinrichtung umfaßt, die jedem Leistungsschalter zugeordnet ist und
eine mit einem Kommunikationsmikroprozessor verbundene Verarbeitungseinheit umfaßt,
die Verarbeitungseinheit einen, mit Mitteln zur Messung des die zugeordnete Leitung
durchfließenden Stroms verbundenen Eingang sowie einen, mit einem Steuerorgan des
zugeordneten Leistungsschalters verbundenen Ausgang aufweist und ein
Kommunikationsnetz die Kommunikationsmikroprozessoren miteinander verbindet.
Eine Mittelspannungs-Umspannstation oder eine Einspeisestation herkömmlicher Art
umfaßt entsprechend Fig. 1 eine Einspeiseleitung La, die über einen
Eingangsleistungsschalter Da mit mehreren Abgangsleitungen Ld1, Ld2, ... Ld1, ... Ldn
verbunden ist. Jede Abgangsleitung Ld1 ist mit einem Abgangsleistungsschalter Di
beschaltet. Jedem Leistungsschalter ist eine elektronische Schutzeinrichtung 1 zugeordnet.
Diese überwacht den die zugeordnete Leitung durchfließenden Strom Ia, Idi, und steuert
bei Auftreten eines Fehlers in der Leitung, d. h., wenn der Wert des Stroms einen
bestimmten Schutzansprechwert überschreitet, die Abschaltung des entsprechenden
Leistungsschalters Da, Di. Normalerweise sind sämtliche Schutzeinrichtungen 1 gleich
ausgeführt, beispielsweise in der in Fig. 2 gezeigten Form. Die Einrichtung 1 umfaßt eine
Verarbeitungseinheit, die aus einem Schutzmikroprozessor 2 besteht. Der Mikroprozessor
2 wird über eine Schnittstelle 3 mit Meßwerten des in der zugeordneten Leitung fließenden
Stroms beaufschlagt. Der Mikroprozessor 2 vergleicht den Wert des gemessenen Stroms
mit dem zugehörigen Schutzansprechwert und beaufschlagt im Fehlerfall eine
Auslösespule 4 des zugeordneten Leistungsschalters mit einem Auslösesignal. Bei der
bekannten Ausgestaltung entsprechend Fig. 2 ist der Schutzmikroprozessor 2 über einen
internen Bus mit einem Kommunikationsmikroprozessor 5 verbunden. Die
Kommunikationsmikroprozessoren 5 der einzelnen Schutzeinrichtungen 1 sind über ein
Kommunikationsnetz 6 (siehe Fig. 1) miteinander verbunden. Ein solches
Kommunikationsnetz ist im allgemeinen als lokales Netz, beispielsweise vom Typ FIP,
JBUS o. ä. ausgebildet.
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Die von den Einrichtungen 1 der Abgangsleitungen gemessenen Stromwerte in den
Abgangsleitungen können so über ihren Kommunikationsmikroprozessor 5 und das
Kommunikationsnetz 6 an die Einrichtung 1 der Einspeiseleitung oder gegebenenfalls auch
an ein, nicht dargestelltes, Fernüberwachungsorgan übertragen werden, wo sie zentral zur
Anzeige gebracht werden können.
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Die Schutzansprechwerte der einzelnen Schutzeinrichtungen 1 werden lokal so
programmiert, daß ein Fehler in einer Abgangsleitung die Abschaltung des dieser Leitung
zugeordneten Leistungsschalters bewirkt. Ein solcher Fehler darf jedoch andererseits nicht
die Abschaltung des Eingangsleistungsschalters zur Folge haben, dessen
Schutzansprechwert verhältnismäßig hoch ist, um die Stromversorgung der übrigen, nicht
fehlerbehafteten Abgangsleitungen aufrechtzuerhalten.
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Tritt ein Fehler in der einer Abgangsleitung zugeordneten Schutzeinrichtung 1 auf, so ist
der Schutz dieser Leitung gegen Fehler im elektrischen System, beispielsweise einen diese
Leitung betreffenden Kurzschluß oder Erdschluß durch die entsprechende Einrichtung
nicht mehr gewährleistet.
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In vielen Fällen reicht die Ansprechempfindlichkeit der der Einspeiseleitung zugeordneten
Schutzeinrichtung 1 nicht aus, um bei Ausfall des einer Abgangsleitung zugeordneten
Leistungsschalters einen Fehler in dieser Abgangsleitung zu erfassen. Dies ist insbesondere
bei Auftreten eines Kurzschlusses am Ende einer Abgangsleitung, in großer Entfernung
vom Verbindungspunkt zwischen Abgangsleitung und Einspeiseleitung der Fall. Ein
beispielsweise zweiphasiger Kurzschluß in einer Abgangsleitung, in einer Entfernung von
etwa zehn Kilometern von der Einspeiseheitung, kann in der Einspeiseleitung einen Strom
von etwa 800 A zur Folge haben, welcher zur Abschaltung des Eingangsleistungsschalters
nicht ausreicht. Besteht ein solcher Kurzschluß über einen längeren Zeitraum, kann er
einen Brand verursachen. Wird andererseits der Schutzansprechwert für den Strom in der
Einspeiseleitung abgesenkt, damit der der Einspeiseleitung zugeordnete Leistungsschalter
anspricht, wird die Stromversorgung sämtlicher Abgangsleitungen unterbrochen, was
ebenfalls verheerende Folgen haben kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bei Ausfall einer, einer Abgangsleitung
zugeordneten Schutzeinrichtung auftretenden Nachteile bekannter Einrichtungen zur
Steuerung und Überwachung zu beheben.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kommunikationsmikroprozessor der jeder
Abgangsleitung zugeordneten elektronischen Schutzeinrichtung einen, mit dem
Steuerorgan des zugeordneten Leistungsschalters verbundenen zusätzlichen Ausgang sowie
Mittel zur Übertragung von ersten, den Strom in der zugehörigen Abgangsleitung
abbildenden Signalen an das Kommunikationsnetz umfaßt, wobei die Verarbeitungseinheit
der der Einspeiseleitung zugeordneten elektronischen Schutzeinrichtung Rechenmittel zur
Berechnung der Vektorsumme der in den Abgangsleitungen gemessenen Ströme sowie zur
Berechnung der Vektordifferenz zwischen dem in der Einspeiseleitung gemessenen Strom
und der genannten Summe auf der Grundlage der genannten ersten Signale, Mittel zur
Abspeicherung von, jeder Abgangsleitung zugeordneten Schutzansprechwerten, Mittel zur
Bestimmung einer Fehlfunktion der einer Abgangsleitung zugeordneten
Verarbeitungseinheit, Vergleichsmittel, um bei Auftreten einer Fehlfunktion der einer
Abgangsleitung zugeordneten Verarbeitungseinheit die genannte Vektordifferenz gemäß
einer festgelegten Notschutzkennlinie mit den zugehörigen Schutzansprechwerten zu
vergleichen, sowie Mittel zur Erzeugung eines Auslösesignals zur Abschaltung des
zugeordneten Leistungsschalters bei Überschreiten der genannten Kennlinie durch die
genannte Differenz umfaßt, wobei das genannte Auslösesignal über den
Kommunikationsmikroprozessor der der Einspeiseleitung zugeordneten elektronischen
Schutzeinrichtung, das Kommunikationsnetz und den Kommunikationsmikroprozessor der
der betroffenen Abgangsleitung zugeordneten elektronischen Schutzeinrichtung an das
Steuerorgan des betreffenden Leistungsschalters übertragen wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Verarbeitungseinheit der einer
Abgangsleitung zugeordneten elektronischen Schutzeinrichtung Mittel zur Erzeugung
zweiter Signale, die eine fehlerfreie Funktion der genannten Verarbeitungseinheit abbilden
und an das Kommunikationsnetz übertragen werden, wobei die Mittel zur Bestimmung
einer Fehlfunktion die genannten zweiten Signale berücksichtigen.
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Zur Durchführung der erforderlichen Vektorberechnungen umfaßt jede elektronische
Schutzeinrichtung Synchronisiermittel, um jeden Stromwert in den ersten Signalen zeitlich
zu definieren, oder vorzugsweise Mittel zur Bestimmung der Phasenverschiebung
zwischen den von der zugeordneten Meßeinrichtung gemessenen Stromsignalen und
gemeinsamen Bezugssignalen, wobei die ersten Signale die Phasenverschiebung
abbildende Signale umfassen.
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Mehrere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und
Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Steuerung und Überwachung
nach dem bisherigen Stand der Technik;
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Fig. 2 in detaillierterer Form eine bekannte Ausgestaltung der Schutzeinrichtungen der
Einrichtung aus Fig. 1;
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Fig. 3 eine erfindungsgemäße Einrichtung;
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Fig. 4 ein Funktionsablaufdiagramm des Schutzmikroprozessors der der Einspeiseleitung
zugeordneten Schutzeinrichtung der Einrichtung aus
Fig. 3;
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Fig. 5 und 6 zwei besondere Ausgestaltungen von Einzelheiten der Schutzeinrichtungen
der Einrichtung aus Fig. 3.
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Um die Zeichnung nicht unnötig zu komplizieren, sind in Fig. 3 die Leitungen La, Ldi
nicht dargestellt. Wie in Fig. 1 verbindet das Kommunikationsnetz 6 die
Kommunikationsmikroprozessoren 5 einer der Einspeiseleitung zugeordneten
Schutzeinrichtung (1a in Fig. 3) mit den Kommunikationsmikroprozessoren 5 der den
Abgangsleitungen zugeordneten Schutzeinrichtungen (1d in Fig. 3). Der Aufbau der
Schutzeinrichtung 1a ist mit dem Aufbau der bekannten Einrichtung 1 aus Fig. 2
identisch. In jeder Einrichtung 1d weist jedoch der Kommunikationsmikroprozessor 5
einen zusätzlichen Ausgang 7 auf, der mit dem Steuerorgan des zugeordneten
Leistungsschalters, d. h. mit der Auslösespule 4 aus Fig. 3 verbunden ist.
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So wird der einer Abgangsleitung Ldi zugeordnete Leistungsschalter Di durch die
Auslösespule 4 abgeschaltet, wenn er entweder durch den Schutzmikroprozessor 2 oder
durch den Kommunikationsmikroprozessor 5 mit einem Auslösesignal beaufschlagt wird.
Arbeitet der Schutzmikroprozessor 2 fehlerfrei, so erzeugt er gegebenenfalls das
Auslösesignal. Bei Ausfall des Schutzmikroprozessors 2 ist dieser jedoch nicht mehr in der
Lage, einen Fehler in der zugeordneten Abgangsleitung zu erfassen. Allerdings umfaßt die
Schutzeinrichtung 1a Mittel zur Erfassung eines Fehlers in einer Abgangsleitung Di, wenn
der dieser Abgangsleitung zugeordnete Schutzmikroprozessor 2 ausfällt. Jeder
Schutzmikroprozessor empfängt nämlich ein Meßsignal des in der zugeordneten Einspeise-
oder Abgangsleitung fließenden Stroms. Der jeder Abgangsleitung zugeordnete
Mikroprozessor 2 leitet dieses Meßsignal über den entsprechenden
Kommunikationsmikroprozessor 5 und das Netz 6 an die Schutzeinrichtung 1a weiter. Bei
fehlerfreier Funktion sämtlicher Einrichtungen 1d werden die Strommeßwerte aller
Abgangsleitungen in der Einrichtung 1a vom Kommunikationsmikroprozessor 5 an den
Schutzmikroprozessor 2 weitergeleitet.
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Der Strom in der Einspeiseleitung ist zu jedem Zeitpunkt gleich der Vektorsumme der in
den Abgangsleitungen fließenden Ströme. Bei fehlerfreiem Betrieb sämtlicher
Schutzeinrichtungen ist somit die Differenz zwischen dem Meßwert des Stroms Ia in der
Einspeiseleitung und der Vektorsumme der Strommeßwerte Id in den Abgangsleitungen
gleich null:
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Bei einem Ausfall des der Abgangsleitung Ldi zugeordneten Schutzmikroprozessors 2
überträgt dieser jedoch nicht mehr den entsprechenden Meßwert Idi. Dieser Ausfall wird
von dem der Einspeiseleitung zugeordneten Schutzmikroprozessor 2 erfaßt, der wie folgt
die Differenz berechnet:
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In diesem Fall ist ΔI = . (3)
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Die der Einspeiseleitung zugeordnete Schutzeinrichtung 1a erkennt auf diese Weise
indirekt den Strom in der Abgangsleitung Ldi mit dem fehlerbehafteten
Schutzmikroprozessor. Die Schutzeinrichtung 1a verfügt in ihrem Speicher über die jedem
Abgang zugeordneten Schutzansprechwerte. Sie kann daher den auf diese Weise
ermittelten Strom Idi mit dem entsprechenden Schutzansprechwert vergleichen und
gegebenenfalls über die Kommunikationsmikroprozessoren 5 und das Netz 6 ein
Auslösesignal an den Leistungsschalter Di weiterleiten.
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Das Funktionsablaufdiagramm aus Fig. 4 zeigt genauer einen speziellen Funktionsablauf
des Schutzmikroprozessors 2 der Einrichtung 1a.
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Auf einen ersten Schritt F1 zur Messung des in der Einspeiseleitung fließenden Stroms Ia
folgt ein zweiter Schritt F2, der die herkömmliche Schutzfunktion der Einspeiseleitung
darstellt. Bei Auftreten eines Fehlers in der Einspeiseleitung wird ein Befehl zur Auslösung
des zugeordneten Leistungsschalter Da ausgesendet. Danach fragt in Schritt F3 der
Schutzmikroprozessor 2 der Einrichtung 1a die Abgangsstromwerte sowie die periodisch
von den Selbstüberwachungskreisen der den Abgangsleitungen zugeordneten
Schutzmikroprozessoren 2 bereitgestellten Signale Cdg ab. Die von den Einrichtungen ld
gelieferten Strom- und Selbstüberwachungssignale werden dem Mikroprozessor 2 der
Einrichtung 1a über das Kommunikationsnetz 6 zugeführt. Dieser berechnet anschließend
(Schritt F4) gemäß Gleichung (2) die Differenz ΔI zwischen dem Einspeisestrom und der
Vektorsumme der Abgangsströme. Anschließend wird die Funktionstüchtigkeit der
Mikroprozessoren 2 der Einrichtungen 1d überprüft. Zu diesem Zweck wird im
nachfolgenden Schritt (F5) eine Größe i auf null gesetzt. In einem Schritt F6 wird i danach
mit dem, zuvor abgespeicherten Wert n verglichen, der der Anzahl der an die
Einspeiseleitung angeschlossenen Abgangsleitungen entspricht. Ist i = n, kehrt der
Mikroprozessor 2 zu Schritt F1 zurück. Andernfalls wird in einem Schritt F7 die Größe
durch i + 1 ersetzt. In einem Schritt F8 bestimmt dann der Mikroprozessor 2 der Einrichtung
1a, ob die Selbstüberwachungssignale Cdgi eine Fehlfunktion des zugeordneten
Mikroprozessors anzeigen oder nicht.
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Arbeitet der Schutzmikroprozessor der der Abgangsleitung Ldi zugeordneten Einrichtung
1d fehlerfrei, kehrt der Mikroprozessor 2 der Einrichtung 1a zu Schritt F6 zurück.
Andernfalls erfolgt in einem Schritt F9 die Parametrierung einer Notschutzfunktion mit
Schutzansprechwerten, die den Ansprechwerten der dem fehlerhaften Mikroprozessor
zugeordneten Schutzfunktion entsprechen, wobei die sämtlichen Abgangsleitungen
zugeordneten Schutzansprechwerte zuvor im Mikroprozessor 2 der Einrichtung 1a
abgespeichert wurden. Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Ausgestaltung, bei der ein
Auslösesignal erzeugt wird, sobald der gemessene Strom einen festgelegten
Stromansprechwert Imax überschreitet. So nimmt in Schritt F9 der Schutzansprechwert
Imax den der Abgangsleitung Ldi mit dem fehlerhaften Schutzmikroprozessor
zugeordneten Wert Imax (di) an. Anschließend (F10) wird die Differenz ΔI mit dem
Schutzansprechwert Imax verglichen. Liegt die Differenz unter dem Ansprechwert, kehrt
der Mikroprozessor zu Schritt F6 zurück. Im anderen Fall wird in einem Schritt F11 ein
Auslösesignal D (di) erzeugt, und der Mikroprozessor kehrt danach zu Schritt F1 zurück.
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Wie oben erwähnt kann die Auslösekennlinie der Notschutzfunktion komplexer ausgelegt
und beispielsweise verzögert sein, wobei sich die Schritte zur Parametrierung der Funktion
(F9) sowie zur Aktivierung der Funktion (F10) entsprechend ändern.
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Nach einer Ausführungsvariante kann eine möglicherweise vorliegende Fehlfunktion des
Schutzmikroprozessors 2 der der Abgangsleitung Ldi zugeordneten Einrichtung 1d in
Schritt F8 durch Nichterhalt des entsprechenden Stromsignals Idi erfaßt werden, welches
als einen solchen Fehler abbildendes Signal betrachtet wird.
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Wird im Schutzmikroprozessor 2 der Einrichtung 1a ein Auslösesignal D (di) erzeugt
(F11), so wird dieses Signal vom Kommunikationsmikroprozessor 5 der Einrichtung 1a
über das Kommunikationsnetz 6 an den Kommunikationsmikroprozessor 5 der der Leitung
Ldi zugeordneten Einrichtung 1d übertragen. Diese gibt dann an ihrem zusätzlichen
Ausgang 7 ein Auslösesignal zur Abschaltung des Leistungsschalters Di aus. Ein in der
Abgangsleitung Ldi auftretender Fehler wird so trotz der Fehlfunktion des entsprechenden
Schutzmikroprozessors erfaßt und der Leistungsschalter Di abgeschaltet. Die Einrichtung
gewährleistet auf diese Weise nicht nur die Sicherheit des elektrischen Systems durch die
fehlerbedingte Auslösung sondern gleichzeitig auch die Aufrechterhaltung der
Stromversorgung der nicht fehlerbehafteten Abgangsleitungen.
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So wird die Funktion eines ausgefallenen Schutzmikroprozessors 2 der Schutzeinrichtung
1d einer Abgangsleitung durch den zugeordneten Kommunikationsmikroprozessor 5 und
den Schutzmikroprozessor 2 der Schutzeinrichtung 1a der Einspeiseleitung übernommen.
Diese Redundanz wird durch Ergänzung bekannter Einrichtungen zur Steuerung und
Überwachung mit einer sehr geringen Anzahl zusätzlicher Mittel erreicht. Es reicht
nämlich aus, jeden Kommunikationsmikroprozessor der Abgangsleitungen mit einem
zusätzlichen Ausgang zur Ansteuerung der entsprechenden Auslösespule zu versehen und
die Programmierung des Schutzmikroprozessors der Einspeiseleitung zu verändern. Dieser
Mikroprozessor bestimmt den Wert des Stroms in der Abgangsleitung mit der fehlerhaften
Schutzeinrichtung, vergleicht ihn mit dem zugehörigen Ansprechwert und leitet
gegebenenfalls ein geeignetes Auslösesignal an den, dem fehlerhaften
Schutzmikroprozessor zugeordneten Kommunikationsmikroprozessor weiter.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen zwei Einzelheiten einer Ausgestaltung der elektronischen
Schutzeinrichtungen, die dazu dienen, die Stromvektoren Ia bzw. Id abbildende Signale
bereitzustellen, um die Vektorberechnungen in den Schritten F4 und 5 durchzuführen.
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Der Schutzmikroprozessor aus Fig. 5 empfängt über die Schnittstelle 3 Stromsignale I. Er
empfängt darüber hinaus Synchronisierungssignale S. um an seinem Ausgang zeitlich
definierte Stromsignale bereitstellen zu können.
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Um nicht jeden einzelnen Stromvektor zeitlich definieren zu müssen, kann auch eine
gemeinsame Bezugsgröße für alle Stromsignale verwendet werden. Durch die Bestimmung
der Phasenverschiebung zwischen den Stromsignalen und dieser Bezugsgröße lassen sich
die Vektorberechnungen in den Schritten F4 und F5 vereinfachen. Nach einer
vorzugsweisen Ausgestaltung können in einem mehrphasigen, beispielsweise einem
dreiphasigen System eine verkettete Spannung oder eine einfache Spannung als
gemeinsame Bezugsgröße verwendet werden.
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Gemäß Fig. 6 wird ein mit dem Ausgang der Schnittstelle 4 verbundenes digitales Filter 8
gleichzeitig beispielsweise mit, die Spannung U13 zwischen den Phasen 1 und 3
abbildenden Signalen sowie mit, den Strom 11 in Phase 1 abbildenden Signalen
beaufschlagt. Am Ausgang stellt es die Signale K.I1.U13. cos und K. I1.U13. sin (
bereit, wobei der Phasenverschiebung zwischen I1 und U13 sowie K einer Konstanten
entspricht. Die Ausgangssignale des Filters 8 werden vom Schutzmikroprozessor
verwendet und, sofern es sich um eine, einer Abgangsleitung zugeordnete
Schutzeinrichtung 1d handelt, an die der Einspeiseleitung zugeordnete Schutzeinrichtung
1a übertragen, die dann die erforderlichen Vektorberechnungen durchführt. Sämtliche
Phasenströme werden selbstverständlich analog verarbeitet. Die Funktion des digitalen
Filters kann vom Mikroprozessor 2 übernommen werden, und die gemessenen Stromwerte
sind vorzugsweise Effektivwerte. Es läßt sich zeigen, daß die Verwendung einer
verketteten Spannung als gemeinsame Bezugsgröße zu zufriedenstellenden Ergebnissen
führt, sofern ein Kurzschluß zwischen den Phasen 1 und 3 in einer Entfernung von mehr
als 300 m von den Sammelschienen, d. h. vom Verbindungspunkt zwischen der
Einspeiseleitung und den Abgangsleitungen auftritt. Diese Einschränkung ist in der Praxis
unerheblich, da bei einem Kurzschluß zwischen zwei Phasen in einer geringeren
Entfernung von den Sammelschienen der Fehler in der Praxis ausreicht, um die
Abschaltung des Eingangsleistungsschalters zu bewirken.