DE4108049C2

DE4108049C2 - Protection system for low, medium or high voltage networks with hierarchically structured network levels

Info

Publication number: DE4108049C2
Application number: DE19914108049
Authority: DE
Inventors: Ottomar Dipl Ing Apelt; Wilfried Dipl Ing Hoppe
Original assignee: Veba Kraftwerke Ruhr AG
Current assignee: Uniper Technologies GmbH
Priority date: 1991-03-13
Filing date: 1991-03-13
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2011-03-14
Also published as: DE4108049A1; DE9116633U1

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzsystem für Nieder-, Mittel- oder Hochspannungsnetze mit hierarchisch gegliederten Netzebenen, wobei in jeder Ebene für jeden Strang mindestens eine Überstromschutzeinrichtung vorgesehen ist, die aus einer Strommeßeinrichtung und einem Unterbrechungselement für den jeweiligen Strangstrom besteht, wobei das Unterbrechungselement beim Überschreiten eines vorgebbaren Sollwertes für den jeweils zulässigen Strangstrom abschaltbar ist.The invention relates to a protection system for low, medium or high-voltage networks with hierarchical structure Network levels, with each level for each strand at least one overcurrent protection device is provided, that of a current measuring device and a Interruption element for the respective phase current exists, the interruption element when exceeded a predefinable setpoint for the respectively permissible String current can be switched off.

Aus der Zeitschrift ELEKTRIE, (1987) 3, Seiten 85-88, ist ein Schutzsystem der eingangs genannten Art bekannt, welches eine hierarchisch gegliederte Anordnung von Überstromschutzeinrichtungen aufweist, die jeweils aus der Serienschaltung eines Leistungsschalters und eines "strombegrenzenden Blockes" bestehen. Bei einem Kurzschluß werden in einem bestimmten Strang nach einer bestimmten Verzögerungszeit alle hierarchisch übergeordneten Netzebenen über Blockiereinrichtungen stromfrei gemacht. Hierzu sind zwei in Reihe geschaltete Einheiten, bestehend aus einem "Block" und einem "Leistungsschalter", vorgesehen. Die Öffnung der strombegrenzenden Blöcke erfolgt unabhängig von der Sperrung des jeweiligen Leistungsschalters. Nach der Kurzschlußabschaltung gelangen die Kontaktsysteme der strombegrenzenden Blicke wieder selbsttätig in ihre Schließstellung. Diese bekannte Lösung weist insoweit Nachteile auf, als hierbei starke Netzrückwirkungen sowie Induktionsüberspannungen auftreten können.From the magazine ELEKTRIE, (1987) 3, pages 85-88 a protection system of the type mentioned is known, which a hierarchical arrangement of Overcurrent protection devices, each of which Series connection of a circuit breaker and one "current-limiting block" exist. In the event of a short circuit are in a certain strand after a certain one Delay time of all hierarchically higher network levels de-energized via blocking devices. For this are two units connected in series, consisting of one "Block" and a "circuit breaker" provided. The opening of the current-limiting blocks are independent of the blocking of the respective circuit breaker. After Short-circuit shutdown reach the contact systems of the current-limiting looks back into their own Closed position. This known solution points so far Disadvantages than strong network perturbations as well Induction overvoltages can occur.

Aus der US 4924343 ist es bekannt, eine galvanische Trennung zwischen einem Stromregler und einem Überstromdetektor durch eine Optokoppleranordnung vorzunehmen. Hierbei ist als Strommeßeinrichtung ein ohmscher Widerstand vorgesehen.From US 4924343 it is known to provide electrical isolation between a current regulator and an overcurrent detector to make an optocoupler arrangement. Here is as Current measuring device provided an ohmic resistance.

Es ist bekannt, für die Messung des Stromes einen induktiven Stromwandler einzusetzen, welcher über ein Schutzrelais einen Leistungsschalter ansteuert, der beim Überschreiten des zulässigen Stromes eine Unterbrechung des Stromes bewirkt. Die Abschaltzeit, also die Zeitdauer zwischen dem Auftreten eines Fehlers und der tatsächlichen Unterbrechung des Strompfades setzt sich dabei zusammen aus der Meßzeit des Schutzrelais, der Kontaktschließzeit des Relaiskontaktes und der Zeitdauer für die Ausschaltung bis zur Lichtbogen löschung im Leistungsschalter.It is known to measure an inductive current To use current transformers, which have a protective relay controls a circuit breaker that when exceeded of the permissible current an interruption of the current causes. The switch-off time, i.e. the time between Occurrence of an error and the actual interruption the current path is composed of the measuring time of the protection relay, the contact closing time of the relay contact and the duration of the trip to the arc deletion in the circuit breaker.

Bei herkömmlichen Schutzeinrichtungen liegt die gesamte Abschaltzeit bei mindestens 0,15 Sekunden. Diese Verzögerungszeiten bis zum sicheren Abschalten des Stromes wirken sich dahingehend aus, daß bis zur Lichtbogenlöschung, d. h. bis zum Ende des Stromflusses, bereits erhebliche Zerstörungen im Verbraucherbereich stattfinden können. With conventional protective devices, the entire lies Switch-off time at least 0.15 seconds. This Delay times until the power is safely switched off have the effect that until the arc is extinguished, d. H. by the end of the current flow, already considerable Destruction can take place in the consumer area.

Andererseits sind sogenannte "Stoßstrombegrenzungselemente" bekannt, die als zusätzliche Schutzeinrichtung das Auftreten von unzulässig hohen Kurzschlußströmen verhindern. Solche Elemente sprechen auf den zeitlichen Stromanstieg in einem Stromstrang an und beinhalten eine Patrone, welche bei Überschreitung eines vorgegebenen zeitlichen Stromanstieges explodiert. Diese Lösung führt zwar prinzipiell zu einer Verkürzung der Abschaltzeit. Die Wiederinbetriebnahme einer solchen Vorrichtung setzt jedoch voraus, daß eine neue Patrone eingesetzt werden muß. Dies bedeutet einen zusätzlichen zeitlichen und personellen Aufwand.On the other hand, so-called "surge current limiting elements" known to occur as an additional protective device prevent impermissibly high short-circuit currents. Such Elements speak of the temporal increase in current in one Power string on and include a cartridge, which at Exceeding a predetermined temporal current increase explodes. In principle, this solution leads to one Shortening the switch-off time. The restart of a such a device, however, requires a new one Cartridge must be used. This means one additional time and manpower.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Überstromschutzeinrichtung der eingangs genannten Art dergestalt weiterzuentwickeln, daß einerseits möglichst kurze Auslösezeiten bei gutem Selektivverhalten bei einem Fehlerstrom erreicht werden können und andererseits die Betriebs- und Investitionskosten herabgesetzt werden.Proceeding from this, the invention is based on the object an overcurrent protection device of the type mentioned to develop in such a way that on the one hand if possible short tripping times with good selective behavior at one Fault current can be achieved and on the other hand the Operating and investment costs can be reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedem Strang eine galvanisch entkoppelte Überstromschutzeinrichtung zugeordnet ist, deren vorgebbarer Sollwert jeweils mit dem im entsprechenden Strang zulässigen Strom korrespondiert, wobei jeder Überstromschutzeinrichtung eine Verzögerungsschaltung zugeordnet ist, deren Verzögerungszeit derart an die Netzhierarchie angepaßt ist, daß beim Auftreten eines Fehlerstromes in einem bestimmten Strang alle übrigen, ebenfalls vom Fehlerstrom beaufschlagten und hierarchisch übergeordneten Schutzeinrichtungen während der Verzögerungszeit blockiert sind und daß für jede Überstromschutzeinrichtung eine Meßeinrichtung vorgesehen ist, die einen Fehlerstrom unmittelbar nach seinem Entstehen in der ersten Halbwelle als dI/dt-Signal detektiert. This object is achieved in that everyone Strand a galvanically decoupled Overcurrent protection device is assigned, its predeterminable Setpoint with the permissible value in the respective line Current corresponds to each overcurrent protection device a delay circuit is assigned, the Delay time is so adapted to the network hierarchy, that when a fault current occurs in a particular Strand all others, also from the fault current acted upon and hierarchically superordinate Protective devices blocked during the delay time are and that for each overcurrent protection device Measuring device is provided which has a fault current immediately after it emerged in the first half-wave detected as a dI / dt signal.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß gemäß den Anforderungen der Selektionsschutz-Technik nur der fehlerbehaftete Anlagenteil abgeschaltet wird, weil das dI/dt-Meßverfahren eine sehr schnelle Fehlererkennung erlaubt und damit eine Abschaltung in der ersten Halbwelle ermöglicht unmittelbar dann, wenn der von der ohmschen Meßstrecke festgestellte Strom einen vorgegebenen Sollwert überschreitet, wird das Unterbrechungselement angesteuert. Dabei ist jedem Strang eine Schutzeinrichtung zugeordnet, deren vorgebbarer Sollwert jeweils mit dem im entsprechenden Strang zulässigen Stromwert korrespondiert. Durch die somit der Hierarchie angepaßte Dimensionierung der einzelnen Schutzeinrichtungen läßt sich eine hohe Selektivität erreichen, die dennoch kürzestmögliche Auslösezeiten aufweist. Dadurch, daß den jeweiligen Überstrom-Schutzeinrichtungen zusätzlich Verzögerungsschaltungen zugeordnet sind, deren Verzögerungszeiten der Netzhierarchie angepaßt sind, läßt sich eine sogenannte "rückwärtige Verriegelung" realisieren. Alle übrigen, ebenfalls vom Fehlerstrom beaufschlagten und hierarchisch übergeordneten Schutzeinrichtungen werden mit der "rückwärtigen Verriegelung" für die bestimmungsgemäße Abschaltzeit der Schutzeinrichtung blockiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Überstromschutzeinrichtungen, die auf der Messung des Effektivwertes basieren, wird erfindungsgemäß zur Auslösung der Schutzeinrichtung direkt der stetige zeitliche Stromverlauf herangezogen. Eine Meßzeit über mehrere Halbwellen ist daher entbehrlich, so daß ein Fehlerstrom unmittelbar nach seinem Entstehen in der ersten Halbwelle als dI/dt-Signal detektiert wird. Eine solche Überstromschutzeinrichtung ist universell verwendbar, da durch die variable vorgebbare Einstellung des Sollwertes für die Vergleicherschaltung eine Anpassung an jeden gewünschten abzusichernden Strangstrom möglich ist. Anlaufvorgänge und betrieblich zulässige dynamische Stromanstiege können sicher selektiert werden und führen somit nicht zu einem ungewollten Ansprechen der Schutzeinrichtung. Die Verwendung einer ohmschen Meßstrecke für die Strommessung bietet darüber hinaus den Vorteil einer linearen Meßsignalgewinnung, so daß die aus dem Stand der Technik bei der Verwendung von Stromwandlern bekannten Sättigungserscheinungen vermieden werden.The invention is characterized in that according to the Requirements of the selection protection technology only the faulty plant part is switched off because that dI / dt measuring method a very fast error detection allowed and thus a shutdown in the first half-wave enables immediately if that of the ohmic Measuring distance determined current a predetermined setpoint exceeds, the interruption element is driven. A protective device is assigned to each strand, their predefinable setpoint with that in the corresponding The permissible current value corresponds to the string. Through that dimensioning of the individual according to the hierarchy Protective devices can be highly selective achieve the shortest possible trigger times having. In that the respective Additional overcurrent protection devices Delay circuits are assigned, the Delay times are adapted to the network hierarchy realize a so-called "rear locking". All other, also affected by the fault current and higher-level protective devices are provided with the "rear locking" for the intended Switch-off time of the protective device blocked. In contrast to conventional overcurrent protection devices on the Measurement of the effective value is based, is according to the invention to trigger the protective device directly the steady temporal current curve used. A measuring time over Several half-waves are therefore unnecessary, so that one Fault current immediately after its occurrence in the first Half wave is detected as a dI / dt signal. Such Overcurrent protection device can be used universally because through the variable, predefinable setting of the setpoint for the comparator circuit adapts to any desired string current to be protected is possible. Startup procedures and operationally permitted dynamic current increases can safely are selected and therefore do not lead to one unwanted activation of the protective device. The usage offers an ohmic measuring section for current measurement furthermore the advantage of a linear Measurement signal acquisition, so that from the prior art known when using current transformers Signs of saturation can be avoided.

Wenn nach einer bevorzugten Ausführungsform die Versorgungsspannung für die Vergleicherschaltung und die Signalübertragungen mittels einer optischen Kopplung erfolgt, läßt sich eine galvanische Trennung zwischen dem Potential der Sammelschiene, auf der sich die Schutzeinrichtung befindet, und dem Potential der Peripherie erreichen.If according to a preferred embodiment, the Supply voltage for the comparator circuit and the Signal transmission using an optical coupling takes place, a galvanic isolation between the Potential of the busbar on which the Protective device is located, and the potential of the periphery to reach.

Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung das Unterbrechungselement als Halbleiterschalter ausgeführt ist. Hierdurch ergibt sich eine nahezu verzögerungsfreie Abschaltung nach Auftreten eines Fehlerstromes.It is particularly advantageous if after a special Embodiment of the invention the interruption element as Semiconductor switch is executed. This results in an almost instantaneous shutdown after occurrence a fault current.

Wenn der Halbleiterschalter ein Thyristor ist, erfolgt die Unterbrechung des Stromes unmittelbar am Ende der Halbwelle, in welcher der Überstrom festgestellt wurde. Hierzu lassen sich handelsübliche Thyristoren einsetzen, bei denen eine Stromfestigkeit bis zu mehreren tausend Ampere Stromtragfähigkeit im Bereich einer Halbwelle realisiert sind. Eine Erhöhung diese Stromtragfähigkeit bis zu 100 kA würde das gesamte Spektrum der Anwendungsfälle der hier zu betrachtenden Schaltanlagen abdecken.If the semiconductor switch is a thyristor, the Interruption of the current immediately at the end of the half wave, in which the overcurrent was found. To do this use commercially available thyristors, in which one Current resistance up to several thousand amperes Current carrying capacity realized in the range of a half wave are. An increase in this current carrying capacity up to 100 kA would cover the full range of use cases here covering switchgear.

Dadurch, daß das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung zusätzlich auf einen Lasttrennschalter geführt ist, läßt sich mittels der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung der Stromstrang dauernd abschalten. Ein solcher Lasttrennschalter ersetzt dann im praktischen Einsatz die Leistungsschalter aus dem Stand der Technik.The fact that the output signal of the comparator circuit is also led to a switch disconnector by means of the protective device according to the invention Always switch off the power line. Such a Switch disconnector then replaces the in practice State-of-the-art circuit breakers.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.The invention is based on a Exemplary embodiment drawing closer explained.

Dargestellt ist in der Zeichnung ein Dreiphasennetz 1, von dem ein Stromstrang 2 abgezweigt ist, über den ein nicht dargestellter Verbraucher versorgt wird. Im Stromstrang 2 liegen in Reihe geschaltet ein Lasttrennschalter 8, ein Halbleiterschalter 5, der als Triac ausgeführt ist, und eine ohmsche Strommeßstrecke 4. Der Strommeßstrecke 4 nachgeordnet ist eine Vergleicherschaltung 6, welche einen Sollwert 7 enthält und welche über eine Lichtwellenleiterstrecke 11 aus einer Spannungsquelle 10 versorgt wird. Das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung liegt am Halbleiterschalter 5 an und wird darüber hinaus auch an den Lasttrennschalter 8 weitergegeben.A three-phase network 1 is shown in the drawing, from which a current branch 2 is branched off, via which a consumer (not shown) is supplied. In the power train 2 are connected in series with a load break switch 8, a semiconductor switch 5, which is designed as a triac, and an ohmic Strommeßstrecke. 4 Downstream of the current measuring section 4 is a comparator circuit 6 , which contains a setpoint 7 and which is supplied from a voltage source 10 via an optical waveguide section 11 . The output signal of the comparator circuit is present at the semiconductor switch 5 and is also passed on to the load break switch 8 .

Die ohmsche Strommeßstrecke 4 besteht aus einem Leiter bekannten Widerstandes. Über die Messung des Spannungsfalls entlang der Meßstrecke läßt sich eine dem Strangstrom proportionale Spannung gewinnen, welche den Eingang der Vergleicherschaltung 6 bildet. Die Vergleicherschaltung 6 bildet kontinuierlich die Differenz aus ihrem von der Meßstrecke 4 gewonnenen Spannungswert dU/dt und dem Sollwert 7, welcher entweder fest innerhalb der Vergleicherschaltung 6 abgespeichert ist oder von außen veränderbar vorgegeben werden kann.The ohmic current measuring section 4 consists of a conductor of known resistance. A proportional voltage phase current by measuring the voltage drop along the test section can be won, which forms the input of the comparator. 6 The comparator circuit 6 continuously forms the difference between its voltage value dU / dt obtained from the measuring section 4 and the target value 7 , which is either stored permanently in the comparator circuit 6 or can be predetermined to be changeable from the outside.

Sobald ein Überschreiten des Sollwertes festgestellt wird, steuert die Vergleicherschaltung 6 den als Unterbrechungselement dienenden Halbleiterschalter 5 an, so daß dessen Thyristoren nach Erreichen des folgenden Nulldurchganges des Stromes sperren. Hierdurch wird bereits unmittelbar nach Auftreten eines den Sollwert 7 übersteigenden Strangstromes eine Unterbrechung veranlaßt.As soon as it is determined that the setpoint has been exceeded, the comparator circuit 6 controls the semiconductor switch 5 serving as an interruption element, so that its thyristors block after the following zero crossing of the current has been reached. As a result, an interruption is initiated immediately after a phase current exceeding the setpoint 7 occurs .

Zusätzlich wird über den Lasttrennschalter 8, welcher ebenso von der Vergleicherschaltung 6 angesteuert wird, eine zusätzliche galvanische Trennung des Stranges bewirkt.In addition, an additional electrical isolation of the line is effected via the load break switch 8 , which is also controlled by the comparator circuit 6 .

Die Elemente Meßstrecke 4, Vergleicherschaltung 6 und Halbleiterschalter 5 bilden eine bauliche Einheit für eine Überstrom-Schutzeinrichtung 3. Das Potential dieser Schutzeinrichtung entspricht dem Potential des Stromstranges.The elements measuring section 4 , comparator circuit 6 and semiconductor switch 5 form a structural unit for an overcurrent protection device 3 . The potential of this protective device corresponds to the potential of the power line.

Zum Zwecke einer sicheren Entkopplung zwischen der potentialbehafteten Vergleicherschaltung 6 und der Spannungsquelle 10 bzw. der außenliegenden Signalverarbeitungskomponenten 12 werden Lichtwellenleiter eingesetzt.Optical waveguides are used for the purpose of safe decoupling between the potential-sensitive comparator circuit 6 and the voltage source 10 or the external signal processing components 12 .

Durch die dargestellte Lösung wird erreicht, daß Fehlerströme nach äußerst kurzen Fließzeiten erkannt und unterbrochen werden können. Hierdurch ist die Zerstörung der zu schützenden Komponenten erheblich geringer als bei der Verwendung herkömmlicher Schutztechniken.The solution shown ensures that Residual currents recognized after extremely short flow times and can be interrupted. This is the destruction of the components to be protected are considerably less than in the Use of conventional protection techniques.

Claims

1. Protection system for low, medium or high voltage networks with hierarchically structured network levels, with at least one overcurrent protection device being provided in each level for each line, which consists of a current measuring device and an interruption element for the respective line current, the interruption element when a predetermined target value is exceeded can be switched off for the respective permissible phase current, characterized in that each line is assigned a galvanically decoupled overcurrent protection device, the predefinable setpoint value of which corresponds in each case to the current permitted in the corresponding line, with each overcurrent protection device being assigned a delay circuit, the delay time of which is adapted to the network hierarchy in this way that when a fault current occurs in a certain line, all other protective devices, which are also acted upon by the fault current and are hierarchically superior, would be nd the delay time are blocked and that a measuring device is provided for each overcurrent protection device, which detects a fault current immediately after its occurrence in the first half-wave as a dI / dt signal.

2. Protection system according to claim 1, characterized in that in each of the overcurrent protection devices, the current measuring devices are designed as ohmic measuring sections ( 4 ) and that the respective supply voltages for the comparator circuits ( 6 ) can be fed by means of optical coupling from an external source ( 10 ).

3. Protection system according to claim 1 or 2, characterized in that the current interruption element is a semiconductor switch ( 5 ), in particular a thyristor or a high current transistor.

4. Protection system according to one of the preceding claims, characterized in that in the respective overcurrent protection devices, the output signal of the comparator circuit ( 6 ) additionally acts on a load break switch ( 8 ) or a circuit breaker.