Verfahren und Anordnung zur Fehlerortsbestimmung auf elektrischen Leitungen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Fehlerortsbestimmung auf elektrischen Leitungen.
Bei Leitungsanlagen, z. B. bei langen Freileitungen zur Übertragung elektrischer Energie, ist mit Betriebsstörungen zufolge Lei tungsunterbrechungen oder Kurzschliissen zu rechnen. Zur Erleichterung der Behebung solcher Störungen sind Fehlerortsbestimmungen bekannt, aus denen die Lage des Fehlerortes bestimmt werden kann. Bei bekannten Verfahren werden Scheinwiderstandsmessungen vorgenommen, aus denen sich der Fehlerort berechnen lässt. Diese Berechnungen sind oft sehr umständlich und erschweren in starkem Masse die praktische Anwendbarkeit dieser Methoden. Ferner sind Methoden bekannt, bei denen aus der Bestimmung der Laufzeit reflektierter Impulse die Entfernung des Fehlerortes bestimmt wird.
Solehe Messungen erfordern sehr umfangreiche Apparaturen, die denen der Radarteehnik ahnlich sind. Fiir ihre Bediemmg ist speziell geschultes Personal erforderlich, welches dauernd in Ubung bleiben muss. Diese Voraussetzungen sind zum Beispiel in Elektrizitätswerkbetrieben schwer zu erfüllen. Die Messmethoden nach dem Re flexionsverfahren können vereinfacht werden, indem auf der zu untersuchenden Leitung stehende Wellen erzeugt werden, wobei aus den sich ergebenden Resonanzfrequenzen und aus der an sich bekannten Fortpflanzungsgeschwindigkeit die Entfernung des Fehlerortes direkt bestimmt werden kann. Bei der Erregung stehender Wellen ist es wichtig, zu wissen, ob die Erregung der Grundwelle oder die einer Oberwelle vorliegt.
Dies erfordert die Aufzeichnung des Impedanzverlaufes über einen grösseren Frequenzbereich hinweg.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Impedanzverlaufes, gemessen am Anfang einer homogenen aber gestörten, nämlich kurzgeschlossenen Freileitung. Mit steigender Frequenz nimmt die Impedanz zunächst zu ttnd erreieht zum Beispiel bei 5 kHz den ersten Extremwert, ein Maximum, und fällt dann auf ein Minimum und steigt bei 15 kHz wieder auf ein Maximum usw. Die Extremwerte folgen sich in Abständen der Grundfrequenz. Die Leitung bildet ein Lechersystem. Die Erregung bei der tiefsten Frequenz bedeutet die Erregung des Lechersystems auf seiner Grundfrequenz f o.
Für diese Frequenz ist bekanntlich der Abstand biEr zum : urzsehluss oder Unterbruch gleich 1/4 der Wellenlänge, also a=#/4=·c/fo. Mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit c von 300 000 km/sek. ergibt sich im Beispiel die Entfernung des Felilers ,,300000km/sek.....
5000 sek-i
Aus der Impedanzerhöhung bei der Grundfrequenz ergibt sich ferner, dass am Fehlerort ein Kurzschluss oder jedenfalls eine Ableitung besteht, dessen Widerstandswert kleiner ist als der Wellenwiderstand von beispielsweise 500 Ohm. Wäre am Fehlerort eine Un- terbrechung vorhanden, so ergäbe sich eine Verringerung des Impedanzwertes, und der Verlauf würde etwa der plmktierten Kurve entsprechen. Wenn zufällig eine Ableitung gleich dem Wellenwiderstand vorhanden ist, so treten keine Reflexionen und damit keine Impedanzänderungen auf, und eine Ortsbestimmung ist nicht möglich.
Nachteilig bei solchen Messungen wirken sich die auf der Leitung praktisch immer vorhandenen und meistens sehr hohen Störspannungen aus, die von benachbarten stromfüh- renden Leitungen induziert werden. Neben der Grundwelle von zum Beispiel 50 Hz und ihren Oberwellen sind vor allem Impulsspannungen vorhanden, herrührend von den im Netz fast ständig irgendwo auftretenden Schaltvorgängen. Aufgabe vorliegender Erfindlmg ist es, den Einfluss dieser Störungen auf die Messung wirklmgslos zu machen.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass die Leitung mittels einer Messspannung erregt wird, deren Frequenz sich stetig ändert und wobei die Frequenzlage der Extremwerte der Impedanz und die Nulldurch- gänge des Phasenwinkels aufgezeichnet werden unter Anwendung von Massnahmen, dass Störströme und-spannungen auf der Leitung die Aufzeichnung praktisch nicht beeinflus- sen, so dass aus dem Vergleich der Aufzeiehnung an der fehlerfreien Leitung mit der Aufzeichnung an der fehlerhaften Leitung der Fehlerort direkt herauslesbar ist.
Die Doppelaufzeichnung der Impedanzmaxima und-minima (Kurve Z) sowie der Nulldurchgänge des Phasenwinkels (Kurve p), welche grundsätzlich eine Resonanzlage anzeigen, ermögliehen eine gegenseitige Kontrolle der Ablesung.
Die Aufzeichnung erfolgt besonders vor teilhaft in logarithmischem Frequenzmassstab, weil dann die-charakteristische Form eines Impedanzverlaufes, bei an sich gleicher Art des Fehlers, für jede Frequenz und somit für jeden Fehlerabstand gleich aussieht. Dadurch wird das Erkennen der Frequenzlage der durch den gesuchten Fehler sich ergebenden Änderungen im Verlauf der Aufzeichnung erleichtert.
Der logarithmische Frequenzverlauf md die Doppelaufzeichnung der Impedanz und des Phasenwinkels ist besonders vorteilhaft, wenn, was praktisch meistens vorkommt, ausser der Fehlerstelle noch andere Reflexions- stellen auch bei an sich intakter Leitung z. B. an Abzweigungen, Transformatorstationen usw. vorhanden sind, aus deren Aufzeich- nungen die tatsäehlich gesuchte Resonanz herauszulesen ist. Dieses Herauslesen erfolgt zweckmässig durch Vergleich mit einer voraus an der gesunden Leitung gemachten Aufzeichnung.
Diese vorgängigen Messungen müs- sen natürlich für alle in Frage kommenden Leiterschleifenkombinationen, also zum Beispiel der einzelnen Leiter unter sich, der einzelnen Leiter mit der Erde oder mit einem allfälligen Erdseil usw., durchgeführt werden.
Die Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, dass die Leitung an den Ausgang eines Verstärkers mit hohem Innenwiderstand angeschaltet ist, dessen Eingang mit einem Oszillator mit stetig verän- derbarer Frequenzeinstellung verbunden ist, und dass die Spannung der Leitung über Anpassmittel an zwei Modulatoren geschaltet ist, in deren Ausgänge je eine Schreibspule für die Aufzeichnung der Extremwerte der Impedanz und die Nulldurchgänge des Phasenwinkels eingeschaltet ist, und dass den Modulatoren aus einer ebenfalls mit dem Oszillator verbundenen Verstärkerstufe Hilfsspannungen zugeführt werden,
wobei in bezug auf den Messstrom die Hilfsspannung des NIodulators für die Impedanz in Phase und diejenige des Modulators für den Phasenwin- kel über einen nachstellbaren Phasenschieber um 90 phasenverschoben zugeführt wird, und dass mit der Frequenzeinstellung des Oszillators die Nachstellung des Phasenschiebers und der Papiervorschub der Schreibvorrichtung gekuppelt ist, so dass in Abhängigkeit der Frequenz eine laufende störungsfreie Aufzeichnung der Extremwerte der Impedanz und der Nulldurchgänge des Phasenwinkels erfolgt.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels der Messanordnung (Fig. 2) näher erläutert. Ein Oszillator 0 mit stetig veränderbarer Frequenz steuert zwei unter sich bezüglieh Frequenz und Phasenverlauf ähnliche Verstärker V1 und V2. Die Frequenzeinstellung des Oszillators erfolgt durch einen Antriebsmotor AT. Die Frequenz des Oszillators ändert sich logarithmisch mit der Verstellung in einem Frequenzbereich von etwa 500 Hz bis 100 kHz. Im Falle von Messungen von Freileitungen entspricht dies einem Messbereich der Fehlerortentfernung zwischen 150 und 0, 75 Ion. An den Verstärker V1 ist über den Trenn-und Schutztrans- formator T1 und die Klemmen 1 und 2 die zu untersuchende Leitung L angeschlossen.
Der Verstärker V1 weist einen hohen Innenwiderstand auf, so dass der auf der Leitung fliessende Strom weitgehend unabhängig ist von der an der Leitung liegenden Spannung.
Diese Spannung kann daher als Mass für die am Anfang der Leitung vorhandene Impedanz angesehen werden.
Die Spannung Z7 ist über eine Anpassschaltung AP1 auf den Modulator Mi geschaltet. Mit dem Modulatorausgang ist die Schreibspule S einer Schreibvorrichtung sosie über den Gleichrichter G1 das Messgerät Gz verbunden. Gz zeigt den Momentanwert der Leitungsimpedanz an, Si schreibt diesen Wert als Kurve Z in Abhängigkeit der Frequenz auf den Papierstreifen St. Dieser Pa pierstreifen wird durch die Zackenrollen Zr des Papiervorschubes in Abhängigkeit der Oszillatoreinstellung durch den Antriebsmotor AT gleichzeitig vorwärtsbewegt.
Die Aufzeichnung erfolgt in logarithmischem Fre quenzmassstab. Parallel zum Eingang des Mo dulators Mi ist der Eingang eines weiteren Modulators 312 geschaltet, dessen Ausgang mit der zweiten Schreibspule S2 der Schreibvorrichtung sowie über den Gleichrichter G2 mit dem Messgerät G# verbunden. G# hat seine Nullage in der Mitte und zeigt den je weiligen Phasennulldurchgang an. Si schreibt den ungefähren Phasenverlauf und die genaue Frequenzlage der Phasennulldurchgänge auf.
Die Modulatoren Ma und M2 erhalten vom Verstärker V2 ihre Hilfsspannungen U20 bzw.
U30 mit der Frequenz der momentanen Mess- spannungen Pi über den Transformator T2 und die Anpassschaltung AP2. Der Frequenz- und Phasengang der Anpassmittel, der Transformatoren'und der Verstärker sind unter sich gleich gewählt, so dass die Spannung Ft0 und U20 am Modulator All über den ganzen Frequenzbereich in der Phase übereinstimmen, vorausgesetzt, dass an den Klemmen 1 und 2 die momentane Impedanz gerade rein ohmisch ist, was immer im Moment einer Resonanz auf der Leitung der Fall ist. Der Modulator 1122 erhalt die Hilfsspannung U30 über den Phasenschieber PS um 90 phasenverschoben.
Im Moment einer Resonanz auf der Leitung stehen die Spannungen Uio und U30 um 90 gegeneinander verschoben, so dass dann der Ausgangsstrom in der Schreibspule S2 gerade Null ist und der Schreibstift gerade durch die Nullinie des Phasendiagramms läuft. Die Phasenversehiebung von 90 wird über den ganzen Messfrequenzbereioh ständig nachgestellt. Zu diesem Zweck erfolgt eine stetige mechanische Nachstellung des Phasenschiebers durch den Oszillatorverstellantrieb AT. Dem Phasenschieber ist ein Trennverstärker TV nachgeschaltet, um den Phasenschieber nicht zu belasten.
Die Modulatoren gil und M2 haben die Eigenschaft, dass sie den für die Betätigung der Schreiber über die Spulen S1 und S2 flie ssenden Gleichstrom nur auf Grund der tatschlich vorhandenen Messspannung auf der Leitung erzeugen. Störspannungen, die infolge von Induktionswirkungen dur benach- barte Leitungen ebenfalls auf die Modulatoren gelangen, erzeugen zwar in Verbindung mit den Hilfsspannungen ebenfalls Ausgangsströme. Diese sind aber durchwegs Wechsel- ströme mit verhältnismässig hoher Frequenz, auf welche die Schreibsysteme infolge ihrer mechanischen Trägheit nicht ansprechen.
Letztere sprechen nur auf Gleichstrom an und schreiben somit nur den Wert derjeni- gen Spannungskomponente auf, die in ihrer Frequenz mit der Frequenz des Verstärkers V2 übereinstimmt, also nur die tatsächliche Messspannung, da der Verstärker V2 frei ist von den auf der Leitung vorhandenen Stö rlmgen. Die Modulatoren wirken somit als frequenzselektive Gleichrichter.
Die Modulatoren sind Gegentaktmodula- toren, z. B. Ringmodulatoren. Ihr Aufbau muss elektrisch genau symmetriseh sein, damit keine Fehlgleiehströme auf Grund der Störströme auftreten können. Sie müssen ferner ausreichend hoch belastbar sein, damit sie die oft sehr grossen Störströme aufnehmen können, ohne dass die Demodulation gestört wird. Zur Entlastung dieser Modulatoren sind Hoehpassfilter Hui vorgesehen, welche die Messströme über 500 Hz in voller Höhe durch- lassen und die Starkstromgrundwelle von 50 Hz und ihre Oberwellen auf ein für die Modulatoren noch tragbares Mass reduzieren.
Zum Schutze der Apparatur gegen hohe Störspannungen sind ferner die Schutztrans- formatoren T1, Tj. vorgesehen. Ferner sind Anpassdämpfungsmittel D vorgesehen, um Änderungen des Phasenganges bei sich ändernder Leitungsimpedanz klein zu halten.
Diese AnpaBmittel AP1 im gesamten erfordern eine entsprechende Nachbildung AP2 im Ausgang des Verstärkers V2, damit die Phasen der Spannungen U20 und U1o iiber den ganzen Messfrequenzbereich übereinstim men.
Durch einen Umsehalter ZT kann die Messeinrichtung entweder auf die Leitung oder auf einen für Prüfzweeke vorgesehenen Ersatzwiderstand E geschaltet werden.
Die Wirkungsweise ist folgende : Die zu prüfende Leitung, welche eine Freileitung sei, wird an die Klemmen 1 und 2 angeschlos- sen. Bei Einschalten der Messeinrichtung wird zunächst eine tiefe Frequenz, z. B. 500 Hz, am Oszillator 0 erzeugt. Diese Frequenz wird über den Verstärker Vi und den Schutztrans- formator T1 auf die Leitung gegeben.
Die sich einstellende Spannung U1 gelangt über die Dämpfungsglieder D und den Trenntransformator Tao und das Hoehpassfilter Hop1 au die Modulatoren Mi und Mg. Das Hochpassfilter SIP1 dämpft zunäehst die auf die Leitung durch Übersprechen von andern Leitungen gelangenden Störspannungen auf einen für die Modulatoren zulässigen Wert, ohne diese zu übersteuern. Aus dem Gemisch von Messspannungen und Störspannungen wird von den Modulatoren eine nur der Messspannung entsprechende Gleichstromkomponente durch- gelassen.
Zu diesem Zweck erhalten die Modulatoren gleichfrequente Hilfsspannungen, die frei sind von irgendwelchen Störspannungen direkt vom Oszillator 0 über V2, T2 und AP2. Bei den auf der Leitung entstehenden Resonanzen liegen die Spannungen lT20 und Ouzo in Phase, und es gelangt auf die Schreib- spule S1 ein der Spannung Ulo proportionaler Strom. Der Modulator M2 erhält ebenfalls eine störspannungsfreie Hilfsspannung U30, welche aber um 90 gegenüber U20 phasenver schoben ist.
Infolgedessen fliesst im Ausgang über die Schreibspule S2 ein Gleichstrom, welcher, wenigstens in der Umgebung des Nulldurchgendes des Phasenwinkels, diesem proportional ist und nicht beeinflusst ist durch messfrequenzfremde Störspannungen.
Der Antrieb AT verstellt den Oszillator, so dass die Messspannung mit stetig zunehmen- der Frequenz auf die Leitung gelangt. Es sei angenommen, dass nun die Impedanz der Leitung gemäss der Fig. 1 mit steigender Frequenz zunimmt. Da der Verstärker unabhängig von der Ausgangsspannung einen konstanten Strom liefert, steigt die Spannung U10 und damit die vom Schreiber durch S1 ge zeichnete Kurve an und erreicht bei 5 kHz die erste Resonanzstelle. Gleichzeitig ist der Pha senwinkel (p gleich Null geworden. Bei dieser Resonanzfrequenz sind U : Lo und U20 genau in Phase, während U10 und U30 eine Phasen versehiebung von 90 aufweisen.
Die Span nungsaufzeichnung von Si entspricht hier dem bestehenden Impedanzwert. Mit weitersteigender Frequenz fällt Z wieder ab, und der Winkel So nimmt negativ zu. Bei 10 kHz wird die zweite Resonanzstelle erreicht, wo Z ein Minimum wird. q7 ist nach Durchlauf eines negativen Maximums wieder Null geworden.
Mit weitersteigender Frequenz erscheinen abwechselnd weitere Minima und Maxima mit jeweils 5 kHz Abstand. Die Aufzeichnung auf dem Papier wird infolge des logarithmisehen FrequenzmaBstabes immer enger und schwankt immer rascher zwischen Minimum und Maximum ; entsprechend häufen sich die Phasennulldurehgänge. Der Frequenz der ersten Resonanzstelle von 5 kHz entspricht zufolge der hier vorhandenen--Erregung eine Entfernung
4 der reflektierenden Fehlerstelle von 15 km bei Freileitungen.
Für die Modulatoren Mi und M2 können Ring-Sperrsehichtmodulatoren verwendet werden. Für den Gleichrichter Mi eignet sich auch ein Gegentaktröhrenmodulator, wobei die Gittersteuerung durch die Hilfsspannung erfolgt. Die Vorspannung der Gitter ist so gewählt, dass bei F'ehlen der Hilfsspannung oder der Messspannung der Gleichrichter gesperrt ist. Erst wenn Messspannung und Hilfsspannung gleichzeitig vorhanden sind, entsteht bei Frequenz-und Phasenübereinstimmung der Strom fur, Si und Gz.
Für die genaue Aufzeichnung des Null durehganges des Phasenwinkels ist es wesent lich, dass der Phasenschieber PS genau arbei ; tet. Der an sich bekannte Phasenschieber besteht zweekmässig aus verstellbaren Konden satoren und verstellbaren. Widerständen, deren Werte stetig mit der Verstellung des Oszillators geändert werden. Der Aufwand hierfür kann wegen der erforderlichen Genauigkeit gross werden. Um dies zu vermeiden, kann auch ein nur angenäherter Vorabgleich bei Verstellen des Oszillators vorgenommen werden, wobei der genaue Abgleich durch eine zusätzliche Phasenkorrektur auf elek trischem Wege erfolgt.
Zu diesem Zweeke werden die Spannungen U20 und U30 einem weiteren Modulator M3 zugeführt. Der Modulatorausgang ist auf die Spule S3 eines elektromechanischen Verstellwerkes geschaltet. Dieses Verstellwerk korrigiert zusätzlich den Phasenabgleicher so, dass ständig eine genaue Phasenversehiebung von 90 erreieht wird.
Für die Auswertung von Z und ç ist vor allem die Aufzeichnung im Gebiete der Grundresonanz von Wichtigkeit, während die der höheren Harmonischen eher unerwünscht ist.
Bei logarithmischem Frequenzmassstab ist die Periode der Schreibbewegung für die Grundfrequenz über den ganzen Frequenzbereich konstant, während sie mit zunehmender Ordnungszahl der Harmonischen rasch zunimmt.
Dureh geeignete Wahl der bewegten Masse des Schreibers kann erreicht werden, dass die Schreibamplitude für die Aufzeichnung der Grundfrequenz maximal ist lmd dass sie mit zunehmender Ordnungszahl der Harmonisehen rasch abnimmt. Eine so korrigierte Kurve ist für die Auswertung von Vorteil.
Diese Bewegungskorrektur des Schreibers ist mit einer entsprechenden aber konstanten Phasennacheilung der Aufzeichnung verbunden, welche durch entsprechende Korrektur des Papiervorschubes kompensiert werden kann.
PATENTANSPRt} Cl IE :
I. Verfahren zur Fehlerortsbestimmung auf elektrischen Leitungen aus der Frequenzlage von auf der Leitung angeregter, stehender Wellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung mittels einer Messspannung erregt wird, deren Frequenz sich stetig ändert und wobei die Frequenzlage der Extremwerte der Impedanz und die Nulldurchgänge des Phasenwinkels aufgezeichnet werden unter Anwendung von Massnahmen, dass Störströme und-spannungen auf der Leitung die Aufzeichnung praktisch nicht beeinflussen, so dass aus dem Vergleich der Aufzeiehnung an der fehlerfreien Leitung mit der Aufzeich- nung an der fehlerhaften Leitung der Fehler- ort direkt herauslesbar ist.