AT413770B - Entfernungsbestimmung eines einpoligen erdschlusses auf einer stichleitung - Google Patents

Description

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AT 413 770 B

Die vorliegende Erfindung betrifft die Erdschluß - Ortung an Stichleitungen in Drehstromnetzen durch Messung der Leiterströme und Phasenspannung nur an einer Messstelle. Dabei wird angenommen, dass die Leitungsparameter im symmetrischen Komponentensystem bekannt sind. 5

Derzeit ist die Bestimmung der Fehlerentfemung an einer Stichleitung sehr schwierig. Meist werden die Stiche zu Ringen geschaltet und durch Auftrennen an anderen Stellen eine Eingrenzung des fehlerhaften Segmentes durchgeführt. In vielen Fällen ist eine Bildung eines Ringes gar nicht möglich. Die Erdschlusssuche ist jedenfalls sehr aufwendig. Wenn die Fehler-io entfernung rasch ermittelt werden kann, kann die Suchzeit stark verkürzt werden. Damit werden die eventuelle Schäden an der Fehlerstelle, die Wahrscheinlichkeit für einen Doppelerdschluss und die Gefahr für Personen stark reduziert.

Eines der größten Probleme bei der Suche des Fehlers am Stich ist, dass die Bestimmung des 15 Übergangswiderstandes an der Fehlerstelle kaum oder nicht möglich ist. Außerdem ist der Leitungswiderstand von der Messstelle bis zur Fehlerstelle üblicherweise um eine Größenordnung kleiner als der Übergangswiderstand.

Um den Übergangswiderstand aus der Betrachtung zu eliminieren werden meist Messungen 20 von zwei Seiten aus durchgeführt wie z.B. in der EP 0933643, die ein Verfahren zur Bestimmung eines fehlerbehafteten Knotens in einem Drehstromnetz mit zwei Messstellen, zwischen denen Leitungsabschnitte liegen, offenbart. Allerdings sind, wie bereits oben erwähnt, nicht immer zwei Messstellen verfügbar, bzw. auch die Schaltung zu Ringen dauert lange bzw. ist gar nicht möglich. 25

Die meisten bekannten Verfahren benötigen für die Bestimmung der Entfernung die Information vor Eintritt des Erdschlüsse. Dadurch ist eine Widerholung der Messung während des Erdschlusses nicht mehr möglich. Vor allem ist eine Wiederholung der Messung nicht möglich, wenn zur genaueren Eingrenzung der Fehlerstelle eine Umschaltung des Netzes erfolgt, da 30 dann die Referenzwerte vor Eintritt des Erdschlusses nicht mehr zutreffen. Auch eine Änderung des Belastungszustandes bewirkt, dass die Referenzwerte nicht mehr gültig sind.

Die bekannten Verfahren zu der Bestimmung der Fehlerentfernung von einer Messstelle aus setzen einerseits niederohmige Übergangswiderstände von einigen Ohm und anderseits sym-35 metrische Belastungen voraus, damit die Einflüsse des Gegensystems vernachlässigbar werden. Beide Situation sind aber in der Praxis kaum anzutreffen.

Aus der DE 44 13 649 C2 ist ein Messverfahren zur Ortung von Dauererdschlüssen bekannt, bei dem die Stromänderungen, die durch Zu- oder Abschalten einer Kapazität zu der Sekun-40 därwicklung einer Erdschluss-Löschspule hervorgerufen wird, erfasst werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur jederzeit wiederholbaren Messung der Entfernung von einer Messstelle bis zum Erdschluss bei einpoligen Erdschlüssen auf Stichleitungen in einem Drehstromnetz zu schaffen. Die Messung soll auch für hochohmige Fehler im 45 Bereich von kOhm mit etwas reduzierter Genauigkeit möglich sein.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Bestimmung eines erdschlussbehafteten Abganges und zur Bestimmung der Entfernung eines einpoligen Erdschlusses auf einer Stichleitung in einem Drehstromnetz mit nur einer Messstelle gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 50 - Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an einer Messstelle A1; - Berechnung der symmetrischen Komponenten für einen Zeitpunkt t1; - Änderung der Nullimpedanz; - Erneutes Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an der Messstelle 55 A1; 3

AT 413 770 B - Berechnung der symmetrischen Komponenten für einen Zeitpunkt t2; - Aufstellen der Gleichungen entsprechend dem Bild 4; - Lösen der Gleichungen getrennt nach Real- und Imaginärteil mit dem Ergebnis der Fehlerentfernung x und des Übergangswiderstandes Rf. 5

Das Relais wird mit der Änderung der Impedanz dZp synchronisiert, wobei dies nach bekannte Verfahren wie z.B. drahtgebunden, per LWL, per Telefon, per GSM oder per Funk erfolgen kann. Das Relais wird dabei auf die beiden definierten Zustände t1 und t2 synchronisiert. io Im folgenden wird die Erfindung anhand von Schaltbildern beispielhaft näher beschrieben. Dabei zeigen:

Bild 1 ein Drehstromnetz mit zwei Abgängen;

Bild 2 das Ergebnis einer Umformung des Netzes von Bild 1; 15 Bild 3 eine Betrachtung der Fehlerentfernung vom Umspannwerk aus;

Bild 4 Ersatzschaltung für die Bestimmung der Fehlerentfernung.

Im Bild 1 ist ein Drehstromnetz mit zwei Abgänge dargestellt. Die Einspeisung erfolgt über einen Transformator. Die Änderung der Nullimpedanz dZp kann über den Sternpunkt des Einspeise-20 transformators oder mit Hilfe eines Sternpunktbildners erfolgen. Ebenso kann eine Änderung der Nullimpedanz durch eine andere bekannte dreiphasige Anschaltung erfolgen.

Die Änderung der Nullimpedanz kann z.B. durch Zuschalten eines Widerstandes oder einer Kapazität direkt am Sternpunkt oder mit Hilfe eines Transformators erfolgen. Eine Änderung der 25 Nullimpedanz ist auch durch eine Verstimmung der Erdschlusslöschspule möglich oder durch eine aktive Einspeisung mit Hilfe einer „Stromeinspeisung“.

Die Darstellung erfolgte für ein gelöschtes Netz, das Verfahren ist aber auch für andere Sternpunktbehandlungen gültig, wie zB. isoliertes Netz, hochohmig geerdete Netze, niederohmig 30 geerdete Netze. Sollte in diesem Fall kein Sternpunkt verfügbar sein kann die Änderung der Nullimpedanz auch alternativ nach einem der bekannten Verfahren erfolgen wie zB. Zuschalten eines Unsymmetriekondensators in einer Phase, Zuschalten einer Induktivität in einer Phase.

Das Verfahren dient zur Entfernungsbestimmung eines nieder- oder hochohmigen Erdschlus-35 ses bis in den Bereich von einigen kOhm an einer Stichleitung. In der Darstellung ist der Erdschluss im Abgang A dargestellt. Der Einbauort des Relais kann im Abgang im Umspannwerk (Relais A1, Relais B) oder auch entlang der Leitung (Relais A2) installiert werden. Ein im Umspannwerk installiertes Relais ermittelt die Entfernung "Distanz A1x" bis zur Fehlerstelle. Ein am Stich installiertes Relais bestimmt hingegen die Entfernung "Distanz A2x" bis zur Fehlerstelle. 40

In den weiteren Betrachtungen wird der Abgang A betrachtet, wobei das Restnetz im Abgang B zusammengefasst wird. Das Verfahren ist aber auch für nur eine Stichleitung geeignet.

Im Bild 2 ist das Ergebnis der Umformung des oben beschriebene Netzes mit Hilfe der "Sym-45 metrischen Komponenten" dargestellt. Die Umformung erfolgt nach den bekannten Regeln und wird hier nicht beschrieben. Im Bild ist die Kopplung der Systeme durch den Erdschluss und den Übergangswiderstand RF bereits eingezeichnet. Für die weitern Betrachtungen im Bild 3 wird die Fehlerentfernung vom Umspannwerk aus so betrachtet. Hierzu werden die Leitungsabschnitte A1 und A2 zusammengefasst. Um den relevanten Stromverlauf anschaulicher darzustellen werden die Komponentensysteme ineinander geschachtelt dargestellt. Außerdem werden die folgenden Annahmen getroffen: > Im Abgang werden die Kapazitäten gegen Erde im Mit- und Gegensystem vernachlässigt, 55 da für die Entfernungsbestimmung die Längsimpedanzen der Leitungen wesentlich sind. 4

AT 413 770 B > Die Entfernung vom Relais bis zur Fehlerstelle ist die Unbekannte x. Die Längsimpedanzen werden mit Hilfe der Leitungsbeträge Z' berücksichtigt. Die Daten für die Leitungsbeläge Z' sowie die verlegten Leitungslängen sind entsprechend den Installationen üblicherweise in den Betriebsmitteldatenbanken bzw. den üblichen Aufzeichnungen verfügbar. 5 > Durch die übliche Symmetrie der Leitungen sind die Längsimpedanzen im Mit- und Gegen system identisch angenommen. > Das Restnetz wird als Kapazität vor der Messung berücksichtigt. > Die verteilten Nullkapazitäten werden zu einer Kapazität Co zusammengefasst. io Im Relais werden die drei Spannungen Uie, U2e und U3e gegen Erde und die drei Leiterströme lLi, lL2 und lL3 gemessen. Aus diesen können nach den bekannten Verfahren die symmetrischen Komponenten Ui, U2l U0 sowie h, l2, und l0 berechnet werden. Die Nullspannung U0 und der Nullstrom l0 können alternativ auch mit Hilfe der bekannten Verfahren auch direkt gemessen werden. 15

Das neue Verfahren beruht darauf, den Störeinfluss des Kreisstromes im Gegensystem, verursacht durch Egegen zu beseitigen. Egegen entsteht, sobald eine betriebsmäßige übliche unsymmetrische Belastung des Netzes erfolgt. Außerdem wird der Störeinfluß des Laststrom hinter der Fehlerstelle durch die Impedanz Z3 berücksichtigt. 20

Im Bild 4 ist die Ersatzschaltung zum Aufstellen der Gleichungen für die beiden Zeitpunkte t1 und t2 aufgeführt. Die Zeitpunkte t1 und t2 liegen nur einige Sekunden auseinander, da die Einschwingvorgänge im Bereich von einigen Perioden abgeklungen sind. 25 Der Vorteil des Verfahrens sind: • Die Messung kann jederzeit wiederholt und auf Plausibilität überprüft werden. • Die Messung kann auch nach Netzumschaltungen zur Fehlereingrenzung durchgeführt werden. 30 · Es können auch über mehrere Messungen statistische Mittelwerte durchgeführt werden, um kleine Störeinflüsse durch Laständerungen zu reduzieren. • Der störende Einfluß der Gegenspannung Egegen wird kompensiert. • Der störende Einfluß des Laststromes wird kompensiert. • Die Parallelschaltung des unbekannten Restnetzes und der normalerweise unbekannten 35 Größe der Quellimpedanz des Trafos, die außerdem abhängig von der Stufenstellung des

Transformators ist, wird bei der Berechnung berücksichtigt. Für eine Entfernungsbestimmung sind die unbekannten Größen Co, RF und x zu bestimmen. 40 Die Parallelschaltung Z1H =Z1Tr // CiRest kann entweder aus der differentiellen Messungen des Mitsystems oder aus der differentiellen Messungen des Gegensystems nach der folgenden Formel ermittelt werden. 45 _dU1_dU1 = dl, = dl2 (1)

Mit den differentiellen Werten: dU, = l/1(t2) - Um, bzw cf/1 = /1(t2) - /2(t1).

Entsprechend Bild 4 können die folgenden drei Gleichungen aufgestellt werden, wobei die zu so berechnenden Komponenten nach Real- und Imaginärteil aufgeteilt werden: (2)

Ua = x * (ZV* + # * ZV) * /1 + (Z3L_* + / * Z3LJ) * (/1 - (/,_* + / * lfJ))

Uf_R + / * Ifj) - h) * (Z3 R + I * Z3 ,) + (Eg_R + / * EJi = - (x* (Z,LR + i* Zi/_j) + (Z,h_r + i* Zihj)) * h (3) 55

Claims (4)

1. 5 AT 413 770 B (ILr + i* //_,) *(Rf + x* (Z1t_R +;* Z1LJ) **) + (** (Z1L_R + /* Z\u) (4) + (Zi h_r + i * Zi h /)) * /2 -1/0 - = (Z3_R + i * Z3J) * (/, - (/,_* + / * /,_,)) 5 Legende: Uu h, U2, /2. U0 _R 10 X K Rf Z1L Z3 15 Zw Symmetrische Komponenten Real - Teil Imaginär-Teil Fehlerentfemung gemessen ab Relaiseinbauort Verhältnis von Mitimpedanz zu Nullimpedanz der Leitung Widerstand der Fehlerstelle Impedanzbelag der Leitung im Mitsystem Impedanz der Leitung von der Fehlerstelle bis zur Last + Impedanz der Last Ersatzimpedanz bestehend aus der Transformator - Nullimpedanz und der Kapazität des Restnetzes gegen Erde Wesentlich ist, daß der Übergangswiderstand Rf an der Fehlerstelle als ohmscher Widerstand betrachtet werden kann. 20 Werden die Gleichungen (2) bis (4) getrennt nach Realteil und Imaginärteil betrachtet, so erhält man sechs Gleichungen. Erfolgt die Messung für zwei unterschiedliche Nullimpedanzen zum Zeitpunkt t1 und t2, so erhält man zwölf Gleichungen für zwölf Unbekannte. Diese können nun mit den bekannten Verfahren der Algebra symbolisch oder numerisch gelöst werden. 25 Als Ergebnis der Berechnung erhält man: 30 35 X Rf Eg_R + / * Eg,_/ Z3_r + / * Zzj lf_R_1 + i * lf_l_1 lf_R_2 + i * lf_l_2Zi h_r + i * Z-tHj Entfernung bis zur Fehlerstelle Widerstand der Fehlerstelle Gegenspannung Impedanz der Leitung von der Fehlerstelle bis zur Last + Impedanz der Last Strom über die Fehlerstelle zum Zeitpunkt t1 Strom über die Fehlerstelle zum Zeitpunkt t2 Ersatzimpedanz bestehend aus der Transformator - Nullimpedanz und der Kapazität des Restnetzes gegen Erde Aus diesen Werten kann zusätzlich der kapazitiver Anteil des Nullstromes berechnet werden: (5) /c = /0 - If 40 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Bestimmung eines erdschlussbehafteten Abganges und zur Bestimmung der 45 Entfernung eines einpoligen Erdschlusses auf einer Stichleitung in einem Drehstromnetz mit nur einer Messstelle gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an einer Messstelle A1; - Berechnung der symmetrischen Komponenten der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme für einen Zeitpunkt t1; 50 - Änderung der Nullimpedanz; - Erneutes Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an der Messstelle A1; - Berechnung der symmetrischen Komponenten für einen Zeitpunkt t2; - Ermitteln der Fehlerentfemung x und des Übergangswiderstandes Rf durch Lösen der 55 Gleichungen (2) bis (4) getrennt nach Real- und Imaginärteil: 6 AT 413 770 B Ul = X * (ZV* + / * ZV,) * /1 + (Z3LJ? + / * Z3LJ) * (/1 - (/,_* + / * /,_,)) (2) (/Lr + i * //_/) - h) * (Z3_R + / * Z3 /) + (Eg_* + / * El,) = (3) = (x * {Z\l_R + ί* Z11 /._/) + (Z-IH R + / * ZiH_/)) * /2 5 r + i* If 1)* {Rf + x* (ZV r + i* Z'u 1)* k) + (x* (ZV κ + / * ZV /) (4) + (Z,~H R + i*Zw 1))* h-U0 = = (Z3_R + / * Z3 /) * (/1 - (//F R + / * /,_,))
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Nullimpedanz im Sternpunkt des Speise-Transformators oder eines Sternpunktbildners erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Nullimpedanz durch Verstimmung einer Erdschlusslöschspule, Zuschaltung eines Widerstandes, Zuschaltung einer Kapazität oder mit Hilfe einer „Stromeinspeisung“ erfolgt. 20
4. 4. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit den gewonnenen Daten der Berechnung der Fehlerentfernung, des Übergangswiderstandes Rf, und des Stromes lF über die Fehlerstelle die Berechnung des kapazitiven 25 Stromes des erdschlussbehafteten Abganges erfolgt. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 30 35 40 45 50 55