Bei einem Erdstromrichtungsrelais in einem Drehstromnetz (insbesondere in der Nähe von Generatoren in Sammelschienenschaltung) besteht oft das Problem, dass die vorhandenen Erdströme nicht zur Anregung oder Auslösung des Relais ausreichen.
Es wurde daher in der Vergangenheit in der Praxis an die offene Dreieckswicklung eines Transformators ein motorisch steuerbarer Widerstand mit Abgriff zur Erzeugung eines Erdstromes im Drehstromnetz angeschlossen. Beim Auftreten einer Verlagerungsspannung wurde der Widerstandswert dann soweit kontinuierlich erniedrigt, bis der gewünschte Erdstrom zum Auslösen des Relais gegeben war. Diese Anordnung ist sehr aufwändig und teuer, wobei der Widerstand nicht für alle Anwendungsfälle einsetzbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben, bei der die obengenannten Nachteile beseitigt sind.
Die Lösung erfolgt erfindungsgemäss mit einer steuerbaren Belastungseinrichtung zur Erdstromerzeugung in einem Drehstromnetz mit einem an das Drehstromnetz angeschlossenen Transformator, der eine Sekundärwicklung in offener Drei eckschaltung aufweist, an die ein steuerbarer Widerstand zur Erdstromerzeugung angeschlossen ist, wobei der Widerstand eine Kombination von Teilwiderständen ist, die von Schaltgliedern miteinander kombinierbar sind, und wobei die Schaltglieder von einer Automatisierungseinrichtung gesteuert sind.
Diese Einrichtung ist mit standardmässigen Bauteilen einfach realisierbar, wobei im Betrieb auch ein gutes zeitliches Verhalten gegeben ist. Die Einrichtung ist flexibel von kleinen bis zu grossen Stromstärken, insbesondere von 0,1 A bis 400 A, speziell 1 A bis 300 A einsetzbar in der Sekundärwicklung. Bevorzugt wird für die Automatisierungseinrichtung ein Standardprodukt in Modultechnik, z.B. eine speicherprogrammierbare Einrichtung, verwendet.
Mit Vorteil sind die Widerstände dual oder binär gestuft schaltbar. Dadurch ist die Widerstandsänderung sehr einfach ausgestaltet. Hierzu können einfache Ausgangsrelais der Automatisierungseinrichtung verwendet werden.
Es ist günstig, wenn die Widerstände in Abhängigkeit von der an der Sekundärwicklung auftretenden Verlagerungsspannung gesteuert sind. Dadurch ist eine gute Anpassung des Erdstromes an die Eingangsempfindlichkeit des Erdstromrichtungsrelais möglich, wobei die Auslösesicherheit gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Zur Messung der Verlagerungsspannung können Analogeingabebaugruppen oder -module der Automatisierungseinrichtung zum Einsatz kommen.
Bevorzugt dient der Erdstrom zur Anregung eines Erdstromrichtungsrelais, wodurch ein sicheres Auslösen und eine sichere Fehlererkennung gegeben ist. Die Selektivität der Erdschlusserfassung ist dabei voll gewährleistet. Eine bevorzugte Anwendung der Einrichtung ist die Erdschlussrichtungserfassung bei Generatoren in Sammelschienenschaltung (wie in der Zeichnung gezeigt).
Ausführungsbeispiele der Erfindung, weitere Details und Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Ein Drehstromnetz mit angeschlossener Belastungseinrichtung,
Fig. 2 und 3 Anschlussbilder der Belastungseinrichtung mit schaltbaren Widerständen,
Fig. 4 ein Kennliniendiagramm zum Schaltverhalten der Belastungseinrichtung,
Fig. 5 und 6 Tabellen zum logischen Schaltverhalten der Belastungseinrichtung und
Fig. 7 ein Blockdiagramm zur Verschaltung der logischen Module (Software- oder Netzwerkbausteine) der Belastungseinrichtung.
In Fig. 1 ist eine dreiphasige Drehstromnetzanordnung gezeigt, bei der zwei Generatoren G1, G2 elektrisch mit einem Netz N verbunden sind. In die entsprechenden Anschlussleitungen sind Schaltelemente zum Trennen und Verbinden der elektrischen Verbindungen, insbesondere Leistungsschalter LS, zwischengeschaltet.
Den jeweiligen Generatoren G1, G2 ist jeweils ein Erdstromrichtungsrelais R1 bzw. R2 zugeordnet. Diese erhalten über jeweils zugeordnete Stromwandler SW Stromsignale der jeweiligen Generatoren G1 und G2 zur Erdstromerfassung.
Bei besonders geringen Erdströmen ist oftmals eine sichere Auslösung durch die Erdstromrichtungsrelais R1, R2 nicht immer möglich. Daher ist vorliegend eine Belastungseinrichtung B vorgesehen, die zur Erhöhung des Erdstromes dient.
Die Belastungseinrichtung B umfasst zunächst einen an das Netz N angeschlossenen Transformator Tr, der zumindest eine Sekundärwicklung S1 aufweist. Die Sekundärwicklung S1 ist als offene Dreieckswicklung ausgeführt, an die eine steuerbare Widerstandskombination W anlegbar ist. Diese wird nachfolgend auch als Widerstand W bezeichnet.
Die Widerstandskombination W umfasst eine vorgegebene Anzahl von in dieser Figur nicht näher gezeigten Teilwiderständen, die von Schaltgliedern miteinander kombinierbar sind. Die Schaltglieder sind von einer Automatisierungseinrichtung A gesteuert. Die Teilwiderstände weisen Widerstandswerte von beispielhaft unter einem Ohm, insbesondere zwischen 0,75 und 0,05 Ohm auf.
Die Teilwiderstände werden bevorzugt dual gestuft geschaltet, wobei die jeweils erzeugte Widerstandskombination in Abhängigkeit von der an der Sekundärwicklung S1 auftretenden Verlagerungsspannung gesteuert wird. Dazu kann die Automatisierungseinrichtung A gegebenenfalls Messwerteingänge zum Erfassen der Verlagerungsspannung an der Sekundärwicklung S1 aufweisen.
Als Automatisierungseinrichtung A wird bevorzugt eine speicherprogrammierbare Automatisierungseinrichtung mit modulartigen Ein- und Ausgabebaugruppen verwendet. Eine derartige Einrichtung ist dem Fachmann allgemein auch unter dem Namen "Simatic" bekannt. Eine derartige Automatisierungseinrichtung kann auf einfache Weise programmiert oder parametriert werden, sodass die hierzu realisierende Funktion der Erdstromerhöhung einfach möglich ist. Siehe hierzu auch die Fig. 2 bis 7.
Die Wirkungsweise der gesamten Einrichtung wird nachfolgend detaillierter anhand einer fachtechnischen Funktionsbeschreibung mit Bezug auf die Fig. 2 bis 7 erläutert. Die Figuren und die Funktionsbeschreibung ergänzen dabei einander.
Variable Load Resistor Unit (B)
Die Vorgabe lautet:
Erfassung von Erdschlüssen, die Verlagerungsspannungen im Drehstromnetz hervorrufen und zwischen 20-100% der Leiter/Erde-Spannung betragen. Zur selektiven Erdschlusserfassung wird ein Nullstrom benötigt, der mindestens den kleinsten Einstellwert des Erdschlussrichtungsrelais von 0.002 xIn überschreitet (entspricht 190 A auf der E-Trafosekundärseite).
Bei Auftreten einer Verlagerungsspannung in einem isolierten Netz muss dieser Nullstrom erzeugt werden. Das geschieht mit einem Ohmschen Widerstand in Abhängigkeit von der auftretenden Verlagerungsspannung. Da aber bei einer Erdstromerzeugungseinrichtung nur begrenzte Ströme für die Primärseite er zeugt werden sollen, ist ein regelbarer Belastungswiderstand erforderlich.
In der vorliegenden Schaltung wird ein binärgestaffelter steuerbarer Widerstand W, bestehend aus vier Teilwiderständen T, verwendet, die von leistungsstarken Schaltgliedern, insbesondere Schützen SG, nach Bedarf kurzgeschlossen werden. Die Ansteuerung der Schütze SG erfolgt abhängig von der Höhe der Verlagerungsspannung mit einer unter dem Namen "Simatic S5" bekannten Automatisierungseinrichtung A mit einer Analog-Input-Baugruppe AIB, einer Stromversorgung PS und einer Digital-Input-Baugruppe DIB. Durch die Nutzung von drei Schützen SG ergibt sich eine Staffelung des steuerbaren Widerstandes W in 2<3> = 8 Stufen, die - abhängig von der auftretenden Verlagerungsspannung (U0) - kurzgeschlossen werden können. Dabei wird der erzeugte Erdstrom nahezu konstant gehalten.
Die Eingänge der Simatic-Steuerung A sind wie folgt beschaltet:
Die Digitaleingänge DE werden über Hilfsrelais 125 V &tilde& (-K21, -K22, -K31, -K32) angesteuert mit einem Anregesignal der Erdstromrichtungsrelais R1 bzw. R2 (Prot. Trip) des Trafoschutzschrankes sowie von der Schalterstellung der Leistungsschalter LS der Generatoren G1 bzw. G2 (Gen. C.B.). Diese Eingänge DE werden über LED auf der Digital Input-Baugruppe DIB angezeigt. Analogeingänge AE werden von den Messwertumformern für U0 und I0 angesteuert. Der U0 Messwertumformer ist angeschlossen an einem 5:1 Spannungsteiler -R02. Der I0-Messwertumformer ist an einem Kleinstromwandler angeschlossen.
Der Blockier- bzw. Reset-Eingang an der Digital-Input-Baugruppe DIB kann über einen Leuchttaster durch Drücken und Rechtsdrehen angesteuert werden. Eine weisse Meldelampe signalisiert die Blockierung der Belastungseinrichtung B.
Die Ausgänge der Simatic A steuern die drei Hilfsschütze -K11, -K12, -K13, deren Kontakte die leistungsstarken Schütze -K01, -K02, -K03 (460 V, 60 Hz) betätigen. Wegen der hohen Strombelastung sind drei Kontakte (je 90 A) parallelgeschaltet und schliessen die Belastungswiderstandselemente oder Teilwiderstände T in vorgegebener Weise (siehe auch Fig. 4 bis 7) kurz.
Daneben sind folgende Signale auf Klemmleiste verdrahtet.
- Failure not in protection zone (Fehler ausserhalb des Schutzbereichs)
- Pick-up + U0 too low (= Schutzrelais regt an aber Belastung misst kein U0)
- I0 too low (Erdstrom zu gering).
Alle der oben genannten Output-Signale werden auf der Relaisbaugruppe über LED signalisiert. Beschreibung des Signalflusses
Die gesamte Steuerung oder Belastungseinrichtung B wird gestartet über die Schutzanregung des jeweiligen Erdstromrichtungsrelais R1 bis R2 (der Erdstromrichtungrelais in den Fig. 2 und 3 nicht näher dargestellt) und der Einschaltmeldung C.B.1ON bzw. C.B.2ON des Leistungsschalters LS des betreffenden Generators G1 bzw. G2 (Netzwerk N1). Wenn der Leistungsschalter LS nicht eingeschaltet ist, braucht bei einer Anregung kein Erdstrom erzeugt werden. Der Erdschluss wird dann über U0-Messung erfasst, wobei dann zeitverzögert ein Auslösesignal abgesetzt wird.
Sind diese Bedingungen erfüllt, wird eine Zeitstufe t1 gestartet (Netzwerk 2).
Zusätzlich zu den Erdschlussrelais wird von der Belastungseinrichtung B die Verlagerungsspannung am Transformator Tr über einen Messwertumformer gemessen (Netzwerk N1). Die Zeitstufe t1 (Netzwerk N2) deckt die Einschwingzeit des U0-Messwertumformers von ca. 0,4 s ab. Nach Ablauf von t1 wird abgefragt ob U0 den Mindestwert überschreitet (Netzwerk N2).
T1 ist eine Taktzeit, nach deren Ablauf jedesmal kontrolliert wird, ob die Bedingung U > Umin (> 100 V) erfüllt ist.
Das Anregesignal wird über Netzwerk N4 auf ein UND-Gatter geführt, das ebenfalls das negierte U > Umin-Signal auswertet und gegebenenfalls zur Meldung: "Anregung und U <" führt.
Wenn die Bedingung: "Anregung und U <" erfüllt ist, startet ein Flipflop und damit die Zeitstufe t2 (Netzwerk N3). Dies dient zur Überwachung, ob ein aussenliegender Fehler nach Ablauf der Zeit vorliegt oder nicht (t2 APPROX 4 s). Gleichzeitig wird während dieser Zeit die Bedingung für die Ansteuerung der Schütze SG aufrecht erhalten. Die Schütze SG sind nur während t2 angeregt!
Parallel zu t2 wird ein Impuls erzeugt und die Zeitstufe t3 (Netzwerk N6) gestartet. Der Impuls gibt die Freigabe für die Spannungsauswertung der CPU weiter. Nur während des einmaligen Impulses wird die anstehende Spannung ausgewertet und gespeichert. Änderungen der U0-Spannung werden nicht weiter berücksichtigt. Der Impuls setzt über ein ODER das Signal "I0 too low" zurück, damit bei dem Messvorgang der aktuelle Strom ausgewertet und gemeldet wird. Sobald die Anregebedingungen der 7RE26 bzw. der Generatorschaltstellung entfallen, werden die Speicherbausteine N3 und N4 zurückgesetzt.
Die Zeitstufe t3 (Netzwerk N6) überdeckt die Einschwingzeit des Strommesswertumformers von ca. 0,4 s. Über UND werden die Zeitstufe und die Stromabfrage verknüpft. Sie bilden damit die Meldung: "I0 too low" (I < 190 A).
Bezugszeichenliste
N Netz
LS Leistungsschalter
G1, G2 Generator
R1, R2 Erdstromrichtungsrelais
Tr Transformator
B Belastungseinrichtung
A Automatisierungseinrichtung
S1, S2 Sekundärwicklung
SW Stromwandler
W Widerstand
I0 Erdstrom
U0 Verlagerungsspannung
SG Schütze oder Schaltglieder
T Teilwiderstände
DE Digitaleingänge
AE Analogeingänge
With an earth current directional relay in a three-phase network (especially in the vicinity of generators in busbar connection) there is often the problem that the existing earth currents are not sufficient to excite or trip the relay.
In the past, therefore, a motor-controlled resistor with a tap for generating a ground current in the three-phase network was connected to the open delta winding of a transformer. When a zero sequence voltage occurred, the resistance value was then continuously reduced until the desired earth current for triggering the relay was given. This arrangement is very complex and expensive, and the resistor cannot be used for all applications.
The invention has for its object to provide a device in which the disadvantages mentioned above are eliminated.
According to the invention, the solution is provided with a controllable load device for generating earth current in a three-phase network with a transformer connected to the three-phase network, which has a secondary winding in an open triangular circuit to which a controllable resistor for generating earth current is connected, the resistor being a combination of partial resistors which of switching elements can be combined with one another, and wherein the switching elements are controlled by an automation device.
This device can be easily implemented using standard components, and there is also good temporal behavior during operation. The device is flexible from small to large currents, in particular from 0.1 A to 400 A, especially 1 A to 300 A can be used in the secondary winding. A standard product in modular technology is preferred for the automation device, e.g. a programmable logic device used.
The resistors can advantageously be switched in dual or binary steps. This makes the change in resistance very simple. Simple output relays of the automation device can be used for this.
It is advantageous if the resistances are controlled as a function of the zero sequence voltage occurring on the secondary winding. This enables a good adaptation of the earth current to the input sensitivity of the earth current directional relay, the tripping reliability being improved compared to the prior art. Analog input modules or modules from the automation device can be used to measure the zero sequence voltage.
The earth current is preferably used to excite a directional earth current relay, which ensures safe tripping and reliable fault detection. The selectivity of the earth fault detection is fully guaranteed. A preferred application of the device is the earth fault direction detection in generators in busbar connection (as shown in the drawing).
Exemplary embodiments of the invention, further details and advantages are explained in more detail below with reference to the drawing. Show it:
1 A three-phase network with connected load device,
2 and 3 connection diagrams of the load device with switchable resistors,
4 shows a characteristic diagram for the switching behavior of the loading device,
5 and 6 tables for the logical switching behavior of the loading device and
Fig. 7 is a block diagram for interconnecting the logic modules (software or network modules) of the load device.
1 shows a three-phase three-phase network arrangement in which two generators G1, G2 are electrically connected to a network N. Switching elements for separating and connecting the electrical connections, in particular circuit breakers LS, are interposed in the corresponding connecting lines.
A respective earth current directional relay R1 or R2 is assigned to the respective generators G1, G2. These receive current signals from the respective generators G1 and G2 for earth current detection via respectively assigned current transformers SW.
With particularly low earth currents, safe tripping by the earth current directional relays R1, R2 is often not always possible. Therefore, a load device B is provided in the present case, which serves to increase the earth current.
The loading device B initially comprises a transformer Tr connected to the network N, which has at least one secondary winding S1. The secondary winding S1 is designed as an open triangular winding to which a controllable resistance combination W can be applied. This is also referred to below as resistor W.
The resistor combination W comprises a predetermined number of partial resistors, not shown in this figure, which can be combined with one another by switching elements. The switching elements are controlled by an automation device A. The partial resistors have resistance values of, for example, less than one ohm, in particular between 0.75 and 0.05 ohms.
The partial resistors are preferably switched in two stages, the resistance combination generated in each case being controlled as a function of the displacement voltage occurring at the secondary winding S1. For this purpose, the automation device A may have measured value inputs for detecting the zero sequence voltage on the secondary winding S1.
A programmable automation device with module-like input and output modules is preferably used as the automation device A. Such a device is generally known to the person skilled in the art under the name "Simatic". Such an automation device can be programmed or parameterized in a simple manner, so that the function of increasing the earth current, which is implemented for this purpose, is easily possible. See also FIGS. 2 to 7.
The mode of operation of the entire device is explained in more detail below on the basis of a technical functional description with reference to FIGS. 2 to 7. The figures and the functional description complement each other.
Variable Load Resistor Unit (B)
The default is:
Detection of earth faults that cause displacement voltages in the three-phase network and between 20-100% of the phase-to-earth voltage. For selective earth fault detection, a zero current is required that exceeds at least the smallest setting value of the earth fault directional relay of 0.002 xIn (corresponds to 190 A on the secondary transformer side).
If a zero sequence voltage occurs in an isolated network, this zero current must be generated. This happens with an ohmic resistance depending on the displacement voltage that occurs. However, since only limited currents for the primary side are to be generated in an earth current generating device, an adjustable load resistance is required.
In the present circuit a binary staggered controllable resistor W, consisting of four partial resistors T, is used, which are short-circuited as required by powerful switching elements, in particular contactors SG. The contactors SG are controlled depending on the level of the displacement voltage using an automation device A known under the name "Simatic S5" with an analog input module AIB, a power supply PS and a digital input module DIB. The use of three contactors SG results in a staggering of the controllable resistance W in 2 <3> = 8 steps, which - depending on the displacement voltage (U0) that occurs - can be short-circuited. The generated earth current is kept almost constant.
The inputs of the Simatic control A are connected as follows:
The digital inputs DE are controlled via auxiliary relays 125 V & tilde & (-K21, -K22, -K31, -K32) with an excitation signal from the earth current directional relays R1 or R2 (Prot. Trip) of the transformer protection cabinet and from the switch position of the circuit breakers LS of the generators G1 and G2 (Gen. CB). These DE inputs are indicated by LEDs on the digital input module DIB. Analog inputs AE are controlled by the transducers for U0 and I0. The U0 transducer is connected to a 5: 1 voltage divider -R02. The I0 transducer is connected to a small current transformer.
The blocking or reset input on the digital input module DIB can be activated by pressing the light button and turning it clockwise. A white indicator lamp signals that the load device B is blocked.
The outputs of the Simatic A control the three auxiliary contactors -K11, -K12, -K13, whose contacts operate the powerful contactors -K01, -K02, -K03 (460 V, 60 Hz). Because of the high current load, three contacts (90 A each) are connected in parallel and short-circuit the load resistance elements or partial resistors T in a predetermined manner (see also FIGS. 4 to 7).
In addition, the following signals are wired to the terminal strip.
- Failure not in protection zone
- Pick-up + U0 too low (= protective relay activates but load does not measure U0)
- I0 too low.
All of the above-mentioned output signals are signaled on the relay module via LEDs. Description of the signal flow
The entire control or loading device B is started via the protective excitation of the respective earth current directional relay R1 to R2 (the earth current directional relay is not shown in detail in FIGS. 2 and 3) and the switch-on message CB1ON or CB2ON of the circuit breaker LS of the generator G1 or G2 concerned (Network N1). If the circuit breaker LS is not switched on, no earth current needs to be generated when an excitation occurs. The earth fault is then detected via U0 measurement, with a trip signal then being sent with a time delay.
If these conditions are met, a time stage t1 is started (network 2).
In addition to the earth fault relays, the load device B measures the zero sequence voltage at the transformer Tr via a transducer (network N1). The time stage t1 (network N2) covers the settling time of the U0 transducer of approx. 0.4 s. After t1 has elapsed, a query is made as to whether U0 exceeds the minimum value (network N2).
T1 is a cycle time, after which it is checked each time whether the condition U> Umin (> 100 V) is fulfilled.
The excitation signal is fed via network N4 to an AND gate, which also evaluates the negated U> Umin signal and, if necessary, leads to the message: "Excitation and U <".
If the condition: "excitation and U <" is met, a flip-flop starts and thus the time stage t2 (network N3). This is used to monitor whether there is an external fault after the time has elapsed or not (t2 APPROX 4 s). At the same time, the condition for activating the contactors SG is maintained during this time. The SG contactors are only excited during t2!
A pulse is generated in parallel with t2 and the time stage t3 (network N6) is started. The pulse transmits the enable for the voltage evaluation of the CPU. The applied voltage is only evaluated and saved during the single pulse. Changes in the U0 voltage are no longer taken into account. The pulse resets the signal "I0 too low" via an OR, so that the current current is evaluated and reported during the measuring process. As soon as the starting conditions of the 7RE26 or the generator switch position no longer apply, the memory modules N3 and N4 are reset.
The time stage t3 (network N6) covers the settling time of the current transducer of approx. 0.4 s. The time step and the current query are linked via AND. They thus form the message: "I0 too low" (I <190 A).
Reference list
N network
LS circuit breaker
G1, G2 generator
R1, R2 earth current directional relay
Tr transformer
B loading device
A automation device
S1, S2 secondary winding
SW current transformer
W resistance
I0 earth current
U0 zero sequence voltage
SG contactors or switching elements
T partial resistors
DE digital inputs
AE analog inputs