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Verfahren und Schaltungsanordnung zur unverzögerten Abschaltung von Kurzschlüssen auf Hochspannungsleitungen nach erfolgter automatischer Wiedereinschaltung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zur Durchführung dieses Verfahrens erforderliche Schaltungsanordnung zur unverzögerten Abschaltung von Kurzschlüssen auf Hochspannungsleitungen in Drehstromnetzen mit oder ohne starr geerdeten Sternpunkt für den Fall, dass nach Wirksamwerden der automatischen Wiedereinschaltung nach einer durch Distanzschutz ausgeschalteten mit Kurzschluss behafteten.
Leitung dieser Kurzschluss erneut auftritt.
Die unverzögerte Abschaltung eines nach einer automatischen Wiedereinschaltung erneut auftretenden Kurzschlusses kann in bekannter Weise durch Strom- oder Energierichtungsvergleich unter Zuhilfe- nahme von Wirkverbindungen als Kabel- oder Hochfrequenzverbindung zwischen den durch die Hochspannungsleitung verbundenen Stationen erzielt werden. Eine bekannte Methode zur Abschaltung von Kurzschlüssen ohne Benutzung von Wirkverbindungen ist die Anwendung von Distanzrelais, deren WiderstandZeit-Kennlinien so gewählt werden, dass bei Kurzschluss an jedem beliebigen Punkt der zu schützenden Leitung eine unverzögerte Abschaltung erfolgt.
Dabei können je nach örtlicher Lage des Kurzschlusses infolge Übergreifen der Widerstand-Zeit-Kennlinie über die zu schützende Leitung hinaus zusätzlich Lei- stungsschalter unverzögert mit ausschalten, deren Leitungen nicht kurzschlussbehaftet sind. Diese unselektive Methode erfordert die automatische Wiedereinschaltung der ausgeschalteten Schalter. Tritt hiebei der Kurzschluss erneut auf, dann müssen die Distanzrelais nach einer Widerstand-Zeit-Kennlinie arbeiten, die jede zusätzliche unselektive Schalterauslösung verhindert. Aus diesem Grunde wird während der stromlosen Pause die Widerstand-Zeit-Kennlinie der Distanzrelais auf eine nunmehr selektiv wirkende Kennlinie zurückgeschaltet. Dadurch kann ein Kurzschluss in der Nähe der Leitungsenden nicht unverzögert abgeschaltet werden.
Die bekannten Methoden, bei denen Wirkverbindungen benutzt werden, erfordern einen verhältnismässig grossen technischen und ökonomischen Aufwand, ohne absolut zuverlässig zu sein, so dass in der Praxis häufiger der Distanzschutz mit Übergreifkennlinie angewandt wird. Diese Methode führt insbesondere in Netzen mit starr geerdetem Sternpunkt zu gefährlichen Schritt- und Berührungsspannungen, sowie zur störenden Beeinflussung von Femmelde-, Fernsteuer- und Signalanlagen durch zu lange dauernde Einwirkung des Kurzschlussstromes. Diese Nachteile können nach dem heutigen Stand der Technik nur durch Anwendung der sehr teueren Hochfrequenz- oder Steuerkabelverbindungen vermieden werden.
Der Zweck der Erfindung ist, die gefährlichen Schritt- und Berührungsspannungen sowie die Beeinflussung von Fernwirkverbindungen bei Auftreten von erneuten Kurzschlüssen nach der automatischen Wiedereinschaltung auf ein zulässiges Mass herabzusetzen und den hohen materiellen und ökonomischen Aufwand, der bei Verwendung von Wirkverbindungen für diesen Zweck erforderlich wäre, zu umgehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die unverzögerte selektive Abschaltung von Kurzschlüssen auf Hochspannungsleitungen für jeden Kurzschlussfall sicherzustellen, wobei sich die Erfindung auf die unverzögerte Abschaltung solcher Kurzschlüsse bezieht, die nach der automatischen Wiedereinschaltung erneut auftreten.
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Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass während der von der automatischen Wiedereinschaltvorrichtung vorgegebenen stromlosen Pause die an den Leitungsenden vor den Stationen entstehenden Spannungen zur Steuerung der Übergreifstufe der Distanzschutzrelais so ausgenutzt werden, dass die Schnellstufe für die Distanzmessung in Übergreifstellung bei beiderseitig offenen Schaltern verbleibt.
Dabei wird bei erneutem Kurzschluss nach der automatischen Wiedereinschaltung eine zweite unverzögerte Abschaltung beider Schalter vorgenommen, während die Distanzrelais von nicht gestörten Nachbarleitungen nach der automatischen Wiedereinschaltung nur einseitig ausgeschalteter Schalter mit ihrer normalen Widerstand-Zeit-Kennlinie arbeiten. Nach diesem Verfahren werden die auftretenden Spannungen an den Sekundärklemmen der an den Leitungsenden angeordneten Spannungswandlereinzeln oder in Kom- bination miteinander zur Wirkung gebracht.
Nach weiteren Merkmalen der Erfindung wird die auftretende Nullspannung am offenen Dreieck der Sekundärwicklungen der an den Leitungsenden angeschlossenen Spannungswandler zur Steuerung benutzt.
Zur unverzögerten Ausschaltung dient eine Kombination derNullspannung mit einer der drei Leiter-ErdeSpannungen. Gleichfalls kann in Netzen ohne starrer Sternpunkterdung eine der drei Leiter-Erde-Spannungen oder eine der drei Leiter-Spannungen zur unverzögerten Ausschaltung benutzt werden.
In einer für die Verwirklichung des Verfahrens erfindungsgemässen Schaltungsanordnung dient der Ausschaltimpuls des Distanzrelais überein oder mehrere Hilfsrelais zur Auswahl der Leiter-Erde-Spannung des vom Kurzschluss betroffenen Leiters. Dabei wird die ausgewählte Leiter-Erde-Spannung einem pha sendrehenden Vierpol zugeführt, dessen Ausgangsspannung mit der Nullspannung summiert wird und am Spannungssteigerungsrelais anliegt. Zum andern wird ein anzugsverzögertes Hilfsrelais in Tätigkeit gesetzt, das nach Wirksamwerden eines Spannungsrückgangsrelais und des Spannungssteigerungsrelais ein abfallverzögertes Relais einschaltet, dessen öffnender Kontakt das Rückschalten der Übergreifstufe auf die Normalkennlinie sperrt. Dieser Entscheid wird bis zur zweiten Ausschaltung des Schalters aufrecht erhalten.
Unabhängig oder abhängig vom Verhalten des Distanzrelais kann das abfallverzögerte Relais unmittelbarvom Spannungssteigerungsrelais, dem nur die Nullspannung zugeführt wird, gesteuert werden. Auch ist es möglich, abhängig oder unabhängig vom Verhalten des Distanzrelais das abfallverzögerte Relais unmittelbar vom Spannungsrückgangsrelais, dem eine der drei Leiter-Spannungen oder eine der drei LeitelErde-Spannungen zugeführt wird, zu steuern. Die Auswahl der zur Wirkung zu bringenden Spannungen ist von der Stellung des Schalters in allen drei Leitern abhängig. Die Ausgangsspannung des phasendrehenden Vierpoles, dem nur die Nullspannung zugeführt wird, wird mit der Leiter - Erde - Spannung summiert.
Fig. l zeigt beispielsweise fürein Teilnetz mit den Stationen 1 ; 2 ; 3 und 4 mit starr geerdetem Sternpunkt die Stellung der Schalter 5-10 bei einpoligem Kurzschluss an einem Leiter an Stelle 11. Die Übergreifstufe der Distanzrelais hat zur zusätzlichen Ausschaltung des Schalters 5 geführt. Eine Ausschaltung des Schalters 10 käme in Frage, wenn der Kurzschluss auf der Leitung zwischen den Stationen 2 und 3, in der Nähe der Station 3 auftritt. Kennzeichnend für den Schaltzustand des Netzes ist die beiderseitige Öffnung der Schalter 7 und 8 des betroffenen Leiters in den Stationen 2 und 3, also am Anfang und Ende der gestörten Strecke und die nur einseitige zusätzliche Öffnung des Schalters 5 des gleichen Leiters der Station 1.
Fig. 1 zeigt ausserdem, dass bei beiderseitiger einpoliger Öffnung der Schalter 7 und 8 an der Sternwicklung 14 der Spannungswandler 12 und 13 die Leiter-Erde-Spannung des betroffenen Leiters fehlt und an der offenen Dreieckwicklung 15 die volle Spannung (Nullspannung) anliegt. In Fig. 2 sind die Zeigerbilder der Spannungen an der Sternwicklung 14 und der Dreieckwicklung 15 im ungestörten Zustand angegeben, wobei die Spannung der Dreieckwicklung praktisch null ist. Die Zeigerbilder nach Fig. 3 zeigen die Spannungen bei einpoligem Erdkurzschluss und beiderseitig abgeschaltetem Leiter, wobei an der Sternwicklung 14 die Spannung 16 des erdschlussbehafteten Leiters gegen Erde fehlt und deshalb an der Dreieckwicklung 15 die volle Spannung 17 auftritt. Diese Nullspannung tritt auch dann auf, wenn etwa ein Dauererdkurzschluss (z.
B. Seilbruch) während der spannungsfreien Pause bestehen bleibt. Ist dagegen nur einer der beiden Schalter 7 oder 8 ausgeschaltet worden, wie es bei Kurzschluss auf einem anschliessen- den Leitungsabschnitt eintreten kann, so stehen nach der Ausschaltung des Kurzschlusses an den Spannungswandlern am offenen und auch am geschlossen gebliebenen Leitungsende wieder alle drei LeiterErde-Spannungen an, sofern an der Sammelschiene der Gegenstation mindestens ein Transformator mit einer Tertiärwicklung und geerdetem Sternpunkt angeschlossen ist. Die Spannung am offenen Dreieck 15 des Spannungswandlers 12 oder 13 wird also bei der nur einseitig einpolig ausgeschalteten Leitung praktisch nicht auftreten.
Die Ausnutzung dieser unterschiedlichen Spannungsverhältnisse zur Steuerung der Übergreifstufe der Distanzrelais ist der Grundgedanke der Erfindung. Sie sieht beispielsweise in Netzen mit starrer Sternpunkt-
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erdung vor, das Auftreten der Nullspannung während der stromlosen Pause, also der Zeit zwischen der Ausschaltung und der verzögert folgenden automatischen Wiedereinschaltung, dazu zu verwenden, die Übergreifstufe der Distanzrelais auch für den Fall eines erneuten Kurzschlusses wirken zu lassen und umgekehrt beim Fehlen dieser Nullspannung die Übergreifstufe nicht wirken zu lassen.
Da es bei Anwendung von Distanzschutz bisher schon üblich war, die Übergreifstufe nach der stromlosen Pause auf Normalkennlinie zurückzuziehen, wirkt also das Verfahren nach der Erfindung nur im Falle der beiderseitigen Ausschaltung einer gestörten Leitung und greift bei nur einseitiger Ausschaltung nicht in den Rhythmus des Distanzrelais einschliesslich der automatischen Wiedereinschaltung ein. Für bestimmte extreme Netzdimensionen und Belastungszustände reicht die Nullspannung allein nicht zur Unterscheidung der vom Kurzschluss betroffenen von der zusätzlich nur an einem Leitungsende ausgeschalteten Leitung aus, weshalb die Erfindung auch die Anwendung von Leiter-Erde-Spannungen allein und auch Kombinationen von Leiter-ErdeSpannungen und der Nullspannung vorsieht.
Die Nullspannung kann in bekannter Weise bei Fehlen der entsprechenden Wicklungen auf dem Spannungswandlersatz auch über einen Hilfswandler in Stern/Dreieck-Schaltung gewonnen werden.
An jedem Spannungswandlersatz, der bei Hochspannungsleitungen zum Anschluss der Distanzrelais ohnehin zur Ausrüstung der Anlage gehört, ist gemäss Fig. l nach der Erfindung eine Schaltungsanordnung 18 zuzuordnen, die in Fig. 4 als Ausführungsbeispiel für den Fall der Kombination Leiter-Erde-Spannung mit Nullspannung dargestellt ist. Der Ausschaltimpuls für den Schalter 19 vom Distanzrelais 20 mit seinem Zusatzrelais 21 für die Steuerung der automatischen Wiedereinschaltung und der Umschaltungseinrichtung von Normalstufe auf Übergreifstufe wird entsprechend dem jeweiligen Kurzschlussfall auf die Hilfsrelais 22, 23 und bzw. oder 24 gegeben.
Dadurch wird die dem Kurzschluss zugeordnete Leiter-ErdeSpannung über Kontakt 25, 26 oder 27 an das Spannungsrückgangsrelais 28 und den phasendrehenden Vierpol 29 gelegt und zugleich die Kontakte 30, 31 oder 32 geschlossen, wodurch das Relais 33 anspricht und nach Ablauf einer Zeitverzögerung seinen Kontakt 34 schliesst. Die an den Eingangsklemmen des Vierpoles 29 anstehende Spannung, die mit der Leiter-Erde-Spannung des gestörten'Leiters phasengleich ist, wird mit Hilfe dieses Vierpoles 29 gedreht und mit der Nullspannung der Dreieckswicklung 15 summiert. Diese Summenspannung wird dem Spannungssteigerungsrelais 35 zugeführt. Ist die Spannung am Relais 28 kleiner als dessen Ansprechwert, wie es z. B. bei einer beiderseitig einpoligen oder dreipoligen Abschaltung einer Drehstromleitung eintritt, so bleibt der Kontakt 36 geschlossen.
Wenn die Summenspannung am Relais 35 dessen Ansprechwert überschreitet und denKontakt 37 schliesst, spricht das Relais 38 nach Schliessen des Kontaktes 34 an und öffnet den Kontakt 39, wodurch nach der automatischen Wiedereinschaltung die Übergreifkennlinie des Distanzrelais 20 noch wirksam bleibt, was gleichbedeutend mit der erneuten Schnellausschaltung ist, wenn nach der Wiedereinschaltung wieder ein Kurzschluss auf der Leitung eintritt. Das Spannungsrückgangsrelais 28 öffnet bei Überschreiten eines bestimmten Wertes der Spannung seinen Kontakt 36, wodurch die gesamte Einrichtung insofern unwirksam bleibt, als die Kontakte 39 des Relais 38 geschlossen bleiben. Damit schaltet das Zusatzrelais 21 während der spannungsfreien Pause der automatischen Wiedereinschaltung die Distanzrelaiskennlinie von der Übergreifstufe auf Normalkennlinie um.
Die Relais 22, 23, 24, 38 sind mit einer Abfallverzögerung versehen, damit der einmal getroffene Entscheid über die Dauer der stromlosen Pause hinaus bis zur etwaigen zweiten Ausschaltung des Schalters 19 wirksam bleibt.
Mit dieser Methode wird die zusätzliche Ausschaltung der Schalter von benachbarten Leitungen nach der Wiedereinschaltung auf Dauer- oder Wiederholungsfehler sicher verhindert und die Schnellauslösung der gestörten Leitung ohne Anwendung von Hilfskanälen zwischen den korrespondierenden Stationen sichergestellt.
Das nach der Erfindung vorgesehene Verfahren ist auch bei mehrpoligen Kurzschlüssen in Netzen mit oder ohne starre Sternpunkterdung anwendbar. Die Unterscheidung der beiderseitig ausgeschalteten Leitung von zusätzlich durch Wirkung der Übergreifstufe der Distanzrelais nur an einem Ende ausgeschalteten nicht mit Kurzschluss behafteten Leitungen ist, da bei mehrpoligem Kurzschluss stets nur dreipolige Schalterauslösungen vorgenommen werden, durch alleinige Kontrolle der nach der ersten Ausschaltung an den Leitungsenden auftretenden drei Leiter-Erde-Spannungen oder der drei Leiter-Spannungen oder auch nur einer dieser Spannungen möglich.
Bei einer beiderseitig dreipoligen ausgeschalteten Leitung treten bis auf unbedeutende Beeinflussungsspannungen durch etwa vorhandene Parallelstromkreise praktisch keine Spannungen an den beiden Leitungsenden auf, während bei nur an einem Leitungsende dreipolig ausgeschalteter Leitung die volle Spannung des Drehstromsystems auftritt, allerdings jetzt unter der Voraussetzung, dass das andere nicht abgeschaltete Leitungsende beispielsweise über einen Netztransformator von rückwärts unter Spannung bleibt.
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Für solche Netze könnte auch die Schaltanordnung nach Fig. 4 benutzt weiden, weil bei der beiderseitig abgeschalteten Leitung sowohl die Leiter-Erde-Spannungen als auch die Nullspannung fehlen und weil bei der nur einseitig dreipolig ausgeschalteten Leitung alle drei Leiter-Erde-Spannungen (also auch die von der Auswahlschaltung ausgewählte Spannung) voll vorhanden, die Nullspannung dagegen wieder nicht vorhanden ist. Die Schaltung nach Fig. 4 ist daher universell anwendbar.
In Netzen ohne starr geerdeten Sternpunkt ist es auch möglich, die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 dadurch zu vereinfachen, dass an Stelle der drei Relais 22, 23 und 24 nur das Relais 24 vorgesehen wird, das nach Schliessen seines Kontaktes eine der drei Leiter-Erde-Spannungen an das Relais 28 legt, dass aber der Vierpol 29, das Relais 33 und das Relais 35 wegfallen. Das Spannungsrückgangsrelais 28 schliesst bei Unterschreiten seines Ansprechwertes den Kontakt 36, über den direkt das Hilfsrelais 38 mit der schon beschriebenen Wirkung geschaltet wird. Diese vereinfachte Schaltung ist auch bei mehrpoligem Kurzschluss in Netzen mit oder ohne starr geerdetem Stempunkt unter der Voraussetzung anwendbar, dass die Rückspeisung über einen angeschlossenen Transformator gesichert ist.
In besonderen Fällen, beispielsweise in Netzen mit starr geerdetem Sternpunkt, bei denen auf die betreffende Station stets aus dem nachgeordneten Netz über die Transformatoren rückwärts eingespeist wird, ist es ausreichend, nach Fig. 4 nur die Nullspannung der Wicklung 15 des Spannungswandlers zur Steuerung das Relais 28 zu benutzen und die Relais 22, 23, 24, 28 und 33 wegzulassen und dafür das Relais 35 mit seinem Kontakt 37 direkt auf das Relais 38 arbeiten zu lassen.
Zur Verwirklichung der Schalt- und Steuerfunktionen der geschilderten Schaltungsanordnung ist es auch möglich, elektronische Bauelemente einzusetzen.
Der Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung gegenüber den bekannten Schnellabschaltverfahren liegt darin, dass die beiderseitige Schnellauslösung ohne Anwendung von Hilfskanälen (Kabel- oder TFHVerbindungen) zwischen den korrespondierenden Stationen erzielt wird, u. zw. unabhängig davon, an welcher Stelle der Kurzschluss auf der Leitung auftritt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur selektiven und unverzögerten Abschaltung von ein-und mehrpoligen Kurzschlüssen an Hochspannungsleitungen nach erfolgter automatischer Wiedereinschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass während der von der automatischen Wiedereinschaltvorrichtung vorgegebenen stromlosen Pause die an den Leitungsenden vor den Stationen entstehenden Spannungen zur Steuerung der Übergreifstufe der Distanzschutzrelais in der Weise ausgenutzt werden, dass bei offenen Schaltern an beiden Enden der Leitung die Schnellstufe für die Distanzmessung in Übergreifstellung verbleibt und damit bei erneutem Kurzschluss nach der automatischen Wiedereinschaltung eine zweite unverzögerte Abschaltung beider Schalter vorgenommen wird,
während die Distanzrelais von nicht gestörten Nachbarleitungen nach der automatischen Wiedereinschaltung mit nur an einem der beiden Leitungsenden ausgeschalteten Schaltern mit ihrer normalen Widerstand-Zeit-Kennlinie arbeiten.