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Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines erdschlussbehafteten
Leitungs-oder Kabelabschnittes eines Wechselstrom-Hochspannungsnetzes
Von den in Hochspannungskabel- oder Freileitungsnetzen auftretenden StÏrungen gshört der Erdschluss zu den unangenehmsten Erscheinungen. Während bei Kurzschlüssen oder Doppelerdschlüssendurch verhält- nismässig einfach aufzubauende Auslöser eine sofortige selektive Abschaltung erreicht werden kann, sind die Verhältnisse bei einphasigem Erdschluss erheblich schwieriger. Zumal ein solcher Erdschluss z. B. durch Intermittieren des Fehlerlichtbogens (Gefahr des zweiphasigen Erdschlusses) zu Störungen grössten Ausma- sses führen kann, ist es von grösster Wichtigkeit, den Erdschluss so schnell wie möglich aufzufinden und die fehlerhafte Stelle abzuschalten.
Es sind bereits Geräte bekannt, die es gestatten, erdschlussbehaftete Strecken ausfindig zu machen.
Diese Geräte weisen Richtungsrelais auf, deren Einbau einen erheblichen Aufwand erfordert. Für die Richtungsmessung wird nämlich die dem jeweiligen Erdschlussstrom zugeordnete Spannung benötigt, so dass für jeden. Kabelabgang drei Spezialstromwandler in Summenschaltung oder ein höchstwertiger Summenwandler zusätzlich eingebaut werden müssen und ausserdem die Erdschlussspannung von einem Wandler mit fünf Schenkeln oder von einer aus drei Einphasenwandlern bestehenden Wandlergruppe herangeführt werden muss. Der Einbau dieser Wandler erfordert für die allermeisten Schaltzellen grössere Abmessungen und damit höhere Kosten, so dass solche Meldeanlagen sich nur in grossen Umspannwerken oder in Kraftwerken lohnen.
Das gleiche gilt für eine ferner bekannte Einrichtung zur Ermittlung des erdschlussbehafteten Leitungsabschnittes, welche die bei nicht satten. Erdschlüssen eventuell fehlende Wandlerleistungdurch einen Verstärker ersetzt, wobei der Indikator ein über Ausgangsüberträger gespeistes gleichstromrichtungsabhängiges Messglied ist. Bezugskomponente zum Erdschlussstrom ist aber auch hier die Erdschlussspannung.
Für kleine Anlagen, wie sie beispielsweise in städtischen Mittelspannungsverteilungsnetzen in grosser Zahl vorhanden sind, kann der Einbau wegen der hohen Kosten nicht in Betracht kommen. Gerade in derartigen Stützpunkten von Versorgungsnetzen sowie in Netzumspannstellen und Hochspannungsabnehmeranlagen fehlt bisher die Möglichkeit, schnell und einfach die erdschlussbehafteten Kabelstrecken mit Sicherheit erfassen zu können.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln eines erdschlussbehafteten Leitungs- oder Kabelabschnittes eines Wechselstrom-Hochspannungsnetzes, insbesondere eines in einem Phasenstrang erdschlussbehafteten Abschnittes eines Drehstromnetzes, durch Prüfen der in den einzelnen Leitungs- oder Kabelabschnitten fliessenden, durch den Erdschluss bedingten Ströme mittels Summenstromwandler. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messverfahren zu schaffen, das es ermöglicht, mit verhältnismassig billigen und leicht zu bedienenden Geraten, die gewünschtenfalls leicht und einfach von einer Messstelle zur andern getragen werden können, einen vorhandenen Erdschluss in kurzer Zeit eingrenzen und feststellen zu können. Während die bisher bekannten Melde- und Messeinrichtungen für die Richtungsmessung ausser dem in den Kabeln bzw.
Netzteilen fliessenden, durch den Erdschluss bedingten Strom auch noch die Erdschlussspannung benötigen, geht die Erfindung von dem Gedanken aus, dass es für die Ermittlung der kranken Leitungsstrecke bei einem Erdschluss genügt, lediglich die in den einzelnen Kabeln fliessenden erdschlussbedingten Ströme zu prüfen und in bezug auf ihre Richtung miteinander zu vergleichen. Sie beruht ferner auf der Erkenntnis, dass für das Vergleichen der Richtung der in den einzelnen Kabeln flie-
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ssenden Ströme eine beliebige frequenzgleiche Spannung benutzt werden kann, die keine teueren Spezialwandler erfordert.
Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, dass an den Knotenpunkten bzw. Verzweigungsstellen des Netzes die Summenströme der einzelnen Leitungs- oder Kabelstrecken in bezug auf ihre gegenseitige Phasenlage nacheinander gemessen werden, indem die Phasenlage der Wandlerspannungen einzeln nacheinander mit der Phasenlage einer einem beliebigen Niederspannungsnetz gleicher Frequenz entnommenen Spannung verglichen werden, und dass an den Verzweigungsstellen als Kriterium für den zur Erdschlussstelle hinführenden Leitungs- bzw. Kabelstrang jene Phasenlage des bummenstromesdient, die mit ihrer Polarität in den Ergebnissen der Vergleichsmessungen nur einmal vorkommt.
Für das Vergleichen der Phasenlagen wird gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein Messinstrument mit Mittelnullpunkt benutzt und beim ersten Vergleich einer Wandlerspannung mit der Niederspannung gleicher Frequenz eine in die Zuleitungen einer der Spannungen zum Messinstrument geschaltete Vorrichtung zum Verändern der Phasenlage dieser Spannung auf günstigen Ausschlag des Messinstrumentes eingestellt und für die Prüfung der weiteren Wandlerspannungen der gleichen Verzweigungsstelle in dieser Einstellung belassen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens. Da nach dem erfindungsgemässen Verfahren darauf verzichtet wird, durch Ermittlung der Erdschlussspannung und der in Phase dazu liegenden Komponente des erdschlussbedingten Stromes die Richtung des Energieflusses zu bestimmen, wird gemäss der Erfindung für die Bildung der dem erdschlussbedingten Strom entsprechenden Spannung ein Ringwandler oberhalb der Anschlussstelle der Erdleitung um den Hals des zu prüfenden Kabels gelegt. Vorteilhaft wird ein Ringwandler mit einem zurückklappbaren Joch benutzt, der nacheinander um die Hälse der zu prüfenden Kabel gelegt werden kann.
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung können auch kleine erdschlussbedingte Ströme gut ablesbar erfasst werden, wenn ein gittergesteuerter Verstärker für die Wandlerspannung vorgesehen wird, in den eine Vorrichtung zum Ändern der Phasenlage der verstärkten Spannung eingebaut ist. Als besonders empfindliches Messinstrument wird vorteilhaft ein Galvanometer benutzt. Bei Verwendung eines Galvanometers werden die beiden Spannungen je über einen Transformator an einen Modulator angeschlossen, und das Galvanometer mit Mittelnullpunkt zwischen Mittenanzapfungen der Transformatorenausgangswicklungen geschaltet.
Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. l zeigt ein Spannungsdiagramm eines Drehstromnetzes, bei dem eine Phase einen Erdschluss aufweist ; Fig. 2 gibt ein Spannungs-Strom-Diagramm für die kapazitiven Erdschlussströme wieder ; Fig. 3 veranschaulich einen Kabelanschluss, bei dem um den Kabelhals ein Ringwandler gelegt ist ; Fig. 4 stellt perspektivisch einen Ringwandler mit zurückklappbarem Joch dar ; Fig. 5 zeigt ein Schaltschema eines mit einem gittergesteuerten Verstärker ausgerüsteten Messgerätes ; Fig. 6 gibt schematisch einen Teil eines Hochspannungskabelnetzes wieder, bei dem ein Erdschluss vorhanden ist.
Bei Drehstromnetzen stellen die Netzkapazitäten im normalen Betrieb eine symmetrische Belastung für die Phasen dar. Sobald jedoch in einer Phase ein Erdschluss auftritt, wird diese Symmetrie gestört. In Fig. l ist angenommen, dass bei der Phase T ein Erdschluss vorhanden ist. Infolgedessen weisen nunmehr die Phasen R und S gegenüber Erde eine Spannung DER bzw. UES auf, also Spannungen, die in ihrer Grö- sse der verketteten Phasenspannung entsprechen und zueinander unter einem Phasenwinkel von nur 600 liegen. Diese beiden Spannungen haben, wie Fig. 2 zeigt, kapazitive Ströme JCR bzw. JCS zur Folge. Die beiden Ströme JCR und JCS fliessen von der Speisestelle aus durch die gesunden Leitungen R und S in die einzelnen Netzteile, sodann über Erde zu der Erdschlussstelle und von da aus über die kranke Phase T wieder zur Speisestelle.
In der kranken Phase T fliesst daher ein kapazitiver Strom JCO o, der die geometrische Summe der beiden Ströme JCR und JCS darstellt. Der Strom Ico ist der der Nullspannung Uo zugeordnete kapazitive Strom.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Hochspannungskabelnetz sind an eine Verteilungsstelle I, die zugleich
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fünf. Kabel 11 - 15der ausser dem ankommenden Kabel TI1 drei weitere Kabel 2 - 4vorhanden sind. Das Kabel II führt zu einer weiteren Verzweigungsstelle III, in der es als Kabel III ankommt. Von den drei weiteren Kabeln
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Kabel V, zu einer weiteren Stelle VI führt, an der das Kabelnetz durch einen Kuppelschalter mit einer andern Versorgungsstelle gekuppelt werden kann.
In dem Schema der Fig. 6 ist angenommen, dass in dem Verbindungskabel zwischen den Stellen IV
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und V ein Erdschluss E in der Phase T vorhanden ist. Unter diesen Umständen fliessen in den gesunden Netzleitern R und S die erwähnten kapazitiven Ströme, die sich auf sämtliche Verzweigungen des Netzes gleichmässig verteilen und über Erde bzw. über die Kabelummantelungen zu der Erdschlussstelle E fliessen. Von dieser Stelle aus fliessen die beiden kapazitiven Summenströme JCR und JCS durch den kranken Netzleiter T zur Speisestelle zurück ; sie bilden hier den Strom Jr'0'In Fig. 6 ist durch eingetragene Pfeile veranschaulich, wie die kapazitiven Ströme im Augenblick des Maximums von JCo in den einzelnen Netzleitern gerichtet sind.
Wie aus dem Schema der Fig. 6 ohne weiteres zu ersehen ist, fliessen in die einzelnen Kabel der Verzweigungsstelle I Ladeströme, deren Stärke sich aus der Kapazität der an die betreffenden Kabel an- geschlossenen'Netzteile ergibt. Nur das Kabel 11 führt ausser den Ladeströmen der gesunden Netzleiter auch noch in dem kranken Leiter T den Gesamtrückstrom sämtlicher Ladeströme. Wird daher ein Ringwandler nacheinander um die einzelnen Kabelhälse gelegt, so ergibt sich bei dem Kabel L ein sehr gro- sser Ausschlag des angeschlossenen Messinstrumentes, während der Ausschlag des Instrumentes bei den übri - gen Kabeln - 15 nur verhältnismässig klein ist.
Ausserdem aber weisen die von dem Ringwandler gelieferten Spannungen entsprechend der verschiedenartigen Richtung der erfassten Ströme bei dem Kabel 11 einerseits und den Kabeln 1a bis Is anderseits zueinander entgegengesetzte Phasenlage auf. Durch Feststellung der unterschiedlichen Stromrichtung ergibt sich nach dem Verfahren gemäss der Erfindung, dass das Kabel zu der Erdschlussstellung hinführt.
Entsprechend liegen auch die Verhältnisse in der Verteilungsstelle II. Auch hier ergeben sich ver-
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grosse Ausschläge und die Kabel II, und II, kleine Ausschläge liefern. Auch hier weist ein Kabel, nämlich das Kabel IL, eine zu den Strömen der übrigen Kabel entgegengesetzte Richtung des Wandlerstromes auf, so dass durch Ermittlung dieses Richtungsunterschiedes festgestellt werden kann, dass das Kabel II zu der Erdschlussstelle hinführt.
Bei der Prüfung der Kabel der Verzweigungsstelle III ergibt sich für das Kabel III, eine zu den übrigen Kabeln dieser Verzweigungsstelle entgegengesetzte Stromrichtung, so dass auch hier festgestellt werden kann, dass das Kabel III1 zu der Erdschlussstelle hinführt. Entsprechend liefert die Prüfung der Kabel in der Abzweigstelle IV das Ergebnis, dass das Kabel IVg zu der Erdschlussstelle E hinführt.
InJederderVerteilungsstellenI-IV ergab sich für das zur Erdschlussstelle E hinführende Kabel jeweils ein besonders grosser Ausschlag des Messinstrumentes. Wird nun in der Verteilungsstelle V eine Prüfung der beiden Kabel Vi und Va vorgenommen, so tritt am Messinstrument nur ein äusserst kleiner Ausschlag ein, da nur die Ladeströme der gesunden Leiter R und S, die der Kapazität der von der Station V zur Kuppelstelle VI führenden Leitungsstrecke entsprechen, von dem Ringwandler erfasst werden. Aus der Tatsache, dass hier kein Kabel mit grosser Stromstärke feststellbar ist, ergibt sich, dass die Abnehmeranlage V bereits hinter dem Erdschluss E liegt.
Falls der Erdschluss E nicht zwischen den Stationen IV und V, sondern in dem zu der Kuppelstelle VI führenden Kabel vorhanden wäre, würde sich beim Prüfen der Kabel in der Abnehmeranlage V ergeben, dass beide Kabel einen grossen Ausschlag des Messinstrumentes liefern, wobei die Stromrichtung jedoch bei beiden Kabeln verschieden ist. Aus dieser Tatsache könnte dann gefolgert werden, dass die Erdschlussstelle in dem von der Station V weiterführenden Kabel liegt.
Wie das erläuterte Beispiel des Kabelnetzes nach Fig. 6 zeigt, kann dadurch, dass die in den einzelnen Kabeln fliessenden erdschlussbedingten Ströme in bezug auf ihre Phasenlage zueinander geprüft werden, mit Sicherheit die mit dem Erdschluss behaftete Leitungsstrecke ermittelt werden. Die Lage des Erdschlusses in dem ermittelten Kabel kann sodann durch bekannte Messverfahren auf 1-2 m genau festgestellt werden, so dass die erforderlichen Aufgrabungen nur an der Fehlerstelle selbst vorgenommen zu werden brauchen. Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung können für die einzelnen Kabelanschlüsse Ringwandler, die keinen zusätzlichen Platz erfordern, fest eingebaut werden. In Fig. 3 ist ein solcher Ringwandler bei einem Kabelendverschluss schematisch dargestellt.
Vorteilhafter ist es jedoch, einen Ringwandler mit zurückklappbarem Joch zu verwenden, der dann als einziger Wandler nacheinander um die Hälse der verschiedenen Kabel gelegt werden kann. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Wandlers ist in Fig. 4 dargestellt. Auf einem Rohr 1 aus Isoliermaterial, von dem Fig. 4 nur den oberen Teil zeigt, ist ein Ringwandler 2 befestigt, der ein zurückklappbares Joch 3 aufweist. Durch ein nicht dargestelltes Gestänge, das in dem Rohr 1 angeordnet ist, kann das Joch 3 mittels eines Lenkers 4 herunter in seine Arbeitslage oder aufwärts geklappt werden.
Durch das Rohr 1 können auch die Anschlussleitungen für die Wandlerspulen hindurchgeführt sein, die zweckmässig zu Kontakten einer Steckvorrichtung geführt sind Ein solcher Wandler kann zusammen mit einem tragbaren Messgerät leicht und bequem zu den verschiedenen Netzknotenpunkten bzw. Verteilungsstellen mitgenommen werden, um unter Anwendung des Ver-
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gen des Ringwandlers nach Fig. 4 werden an einen beispielsweise aus drei Widerständen bestehenden Spannungsteiler 5 angeschlossen, der dazu dient, eine mittels eines Umschalters 6 wählbare Gitterspannung auf die Röhre 7 des Verstärkers zu geben. Der Anodenstrom der Röhre 7 steuert über einenTransfor- mator 8 die Gitterspannung einer zweiten Verstärkerröhre 9.
Dabei ist zwischen den Transformator 8 und das Gitter dieser Röhre eine Phasendrehvorrichtung 10 geschaltet, die in bekannter weise aus zwei Kondensatoren und zwei gemeinsam verstellbaren Regelwiderständen besteht. Der Anodenstrom für die Verstärkerröhren 7 und 9 wird von einem Vollweggleichrichter 11 geliefert, der an die eine Sekundärwick-
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Die durch die Rohren 7 und 9 verstärkte und mittels der Phasendrehvorrichtung 10 in ihrer Phasenlage veränderte Wandlerspannung wird über einen Transformator 13 auf einen Modulator 14 gegeben, der in bekannter Weise aus Gleichrichtern besteht. Diesem Modulator wird ferner eine zu der Wandlerspannung frequenzgleiche Wechselspannung zugeführt, die von der zweiten S skundärwicklung des Transformators 12 geliefert wird.
Mittels eines doppelpoligen Umschalters 15 kann diese Spannung wahlweise umgekehrt werden. Die beiden an den Modulator 14 angeschlossenen Wicklungen der Transformatoren 12 und 13 wei-
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Skala den Nullpunkt in der Mitte aufweist.
Der Modulator 14 wirkt in bekannter Weise so, dass sich dann, wenn die beiden ihm zugeführten Spannungen eine Phasenverschiebung von 900 zueinander aufweisen, am Galvanometer 16 kein Ausschlag ergibt. Soll nun der Erdschlussstrom eines Kabels geprüft werden, so wird der Ringwandler nach Fig. 4 um
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richtung 10 die Messvorrichtung so eingestellt, dass sich ein möglichst grosser Ausschlag des Galvanometers 16 ergibt. Sodann wird der Ringwandler um den Hals des nächsten zu prüfenden Kabels gelegt. Der Schalter 15 und die Phasendiehvorrichtung 10 bleiben in der vorher als günstig ermittelten Lage eingestellt.
Durch Ablesung des Galvanometers 16 kann nun sofort festgestellt werden, ob der Erdschlussstrom des zweiten Kabels gleiche oder entgegengesetzte Richtung zu dem Erdschlussstrom des ersten Kabels hat und ob dieser Strom eine grössere oder kleinere Stärke hat. In gleicher Weise kann auch die Richtung und Stärke der in den weiteren Kabeln fliessenden Erdschlussströme festgestellt werden. Beim Anlegen des Ringwandlers nach Fig. 4 muss natürlich darauf geachtet werden, dass dieser die Hälse der zu prüfenden Kabel stets in gleicher Weise umschliesst.
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klappbarem Joch und eines tragbaren Messgerätes beschränkt.
Die Vorteil', der Erfindung werden nämlich in gleicher Weise auch erzielt, wenn bei einer Netzverzweigungsstelle eine Messeinrichtung und für jedes Kabel ein Ringwandler fest eingebaut wird. Dieser Einbau empfiehlt sich in grösseren Schaltanla - gen, in denen meistens bereits summarische Erdschlussmelderelais vorhanden sind. Da in solchen Fällen auch die Erdschlussspannung Uo zur Verfügung steht, kann auf die Phasendrehvorrichtung in dem Messgerät verzichtet werden, wenn die Spannung Uo für den Vergleich der Phasenlagen benutzt wird.
Beim Ansprechen eines Erdschlussmelderelais wird bei einer solchen Anlage dann automatisch ein Drehwähler in Betrieb gesetzt, der die einzelnen Ringwandler nacheinander abtastet. Ein in den Galvanometerkreis zusätzlich eingeschaltetes polarisiertes Relais spricht in diesem Falle bei Umkehrung der Stromrichtung, wie sie eintritt, wenn der Ringwandler des zur Erdschlussstelle führenden Kabels abgetastet wird, an und schaltet über ein Hilfsrelais eine Anzeigevorrichtung, z. B. ein Leuchtfeld ein, das dem betreffenden Kabel zugeordnet ist. Es kann dann sofort der Name oder die Nummer des betreffenden Kabels abgelesen werden.
Die Anzeigen mehrerer solcher Stationen können gewünschtenfalls durch Fern- übertragung an einer zentralen Stelle sichtbar gemacht werden und so sofort einen Überblick über die ungefähre Lage des Erdschlusses geben.
In Umspannstationen mit Kabeln verschieden hoher Spannung kann eine einzige Messeinrichtung für sämtliche Kabel der Station benutzt weiden. Beim Ansprechen irgendeines Erdschlussrelais läuft dann der Wähler der Messeinrichtung über seine gesamte Kontaktbahn und geht wieder in die Ausgangsstellung zu-
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lich das Leuchtfeld des erdschlussbehafteten Kabels eingeschaltet, bis die fehlerhafte Leitung abgeschaltet wird. Wenn in einem zweiten System ein Erdschluss auftritt, beginnt der Wahler erneut anzulaufen, um auch diesen zweiten Erdschluss bzw. das zu ihm führende Kabel festzustellen.
Der selbsttätig ablaufende Prüfvorgang dauert jeweils nur wenige Sekunden, so dass unmittelbar nach dem Ansprechen des Erd-
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schlussmelderelais bereits angezeigt wird, welches der zahlreichen abgehenden Kabel zu dem kranken Netzteil hinführt.
Das Verfahren nach der Erfindung und die ortsfest eingebauten und die tragbaren Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens ermöglichen es, einen Erdschluss sehr schnell und zuverlässig einzugrenzen und so nur die fehlerhafte Strecke abzuschalten, so dass Störungen durch Abschaltung auf einen nur kleinen Netzteil beschränkt werden können. Das Verfahren ist sowohl bei Strahlen- als auch bei Maschennetzen anwendbar.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Ermitteln eines erdschlussbehafteten Leitungs- oder Kabelabschnittes eines Wechselstrom-Hochspannungsnetzes, insbesondere eines in einem Phasenstrang erdschlussbehafteten Abschnittes eines Drehstromnetzes, durch Prüfen der in den einzelnen Leitungs- oder Kabelabschnitten fliessen- den, durch den Erdschluss bedingten Ströme mittels Summenstromwandler, dadurch gekennzeichnet, dass an den Knotenpunkten bzw.
Verzweigungsstellen des Netzes die Summenströme der einzelnen Leitungoder Kabelstrecken in bezug auf ihre gegenseitige Phasenlage nacheinander gemessen werden, indem die Phasenlage der Wandlerspannungen einzeln nacheinander mit der Phasenlage einer einem beliebigen Niederspannungsnetz gleicher Frequenz entnommenen Spannung verglichen werden, und dass an den Verzweigungsstellen als Kriterium für den zur Erdschlussstelle hinführenden Leitungs- bzw. Kabelstrang jene Phasenlage des Summenstromes dient, die mit ihrer Polarität in den Ergebnissen der Vergleichsmessungen nur einmal vorkommt.