DE10143595C1

DE10143595C1 - Entfernungsbestimmung eines einpoligen Erdschlusses auf einer Stichleitung

Info

Publication number: DE10143595C1
Application number: DE10143595A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Druml; Andreas Kugi
Original assignee: EDC GmbH
Current assignee: Sprecher Automation At GmbH
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: ATA13312002A; AT413770B

Abstract

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: DOLLAR A - Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an einer Messstelle A1; DOLLAR A - Berechnung der symmetrischen Komponenten für einen Zeitpunkt t1; DOLLAR A - Änderung der Nullimpedanz; DOLLAR A - erneutes Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an der Messstelle A1; DOLLAR A - Berechnung der symmetrischen Komponenten für einen Zeitpunkt t2; DOLLAR A - Aufstellen der Gleichungen entsprechend dem Bild 4; DOLLAR A - Lösen der Gleichungen getrennt nach Real- und Imaginärteil mit dem Ergebnis der Fehlerentfernung x und des Übergangswiderstandes R¶f¶.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines erdschlussbehafteten Abganges in einem Drehsrtomnetz nach dem Oberbegriff des Anspruchs. Dabei wird angenommen, dass die Leitungsparameter im sym metrischen Komponentensystem bekannt sind.

Derzeit ist die Bestimmung der Fehlerentfernung 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 Erdschlusssu che ist jedenfalls sehr aufwendig. Wenn die Fehlerentfernung rasch ermittelt wer den 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 Be stimmung des Übergangswiderstandes an der Fehlerstelle kaum oder nicht mög lich ist. Außerdem ist der Leitungswiderstand von der Messstelle bis zur Fehler stelle üblicherweise um eine Größenordnung kleiner als der Übergangswider stand.

Um den Übergangswiderstand aus der Betrachtung zu eliminieren werden meist Messungen von zwei Seiten aus durchgeführt wie z. B. in der EP 0933643 A1 ein Verfahren zur Bestimmung eines fehlerbehafteten Knotens in einem Drehstrom netz mit zwei Messstellen, zwischen denen Leitungsabschnitte liegen, offenbart. Allerdings sind, wie bereits oben erwähnt, nicht immer zwei Messstellen verfüg bar, bzw. auch die Schaltung zu Ringen dauert lange bzw. ist gar nicht möglich.

Die meisten bekannten Verfahren benötigen für die Bestimmung der Entfernung die Information vor Eintritt des Erdschlusse. Dadurch ist eine Wiederholung der Messung während des Erdschlusses nicht mehr möglich. Vor allem ist eine Wie derholung der Messung nicht möglich, wenn zur genaueren Eingrenzung der Feh lerstelle eine Umschaltung des Netzes erfolgt, da dann die Referenzwerte vor Eintritt des Erdschlusses nicht mehr zutreffen. Auch eine Änderung des Belas tungszustandes 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 eini gen Ohm und anderseits symmetrische 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 Dauererdschlüs sen bekannt, bei dem die Stromänderungen, die durch Zu- oder Abschalten einer Kapazität zu der Sekundärwicklung einer Erdschluss-Löschspule hervorgerufen wird, erfasst werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur jederzeit wiederholbaren Mes sung der Entfernung von einer Messstelle bis zum Erdschluss bei einpoligen Erd schlüssen auf Stichleitungen in einem Drehstromnetz zu schaffen. Die Messung soll auch für hochohmige Fehler im Bereich von kOhm mit etwas reduzierter Ge nauigkeit 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 gekennzeich net durch die folgenden Schritte:

- Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an einer Mess stelle A1;
- Berechnung der symmetrischen Komponenten für einen Zeitpunkt t1;
- Änderung der Nullimpedanz;
- Erneutes Messen der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme an der Messstelle A1;
- Berechnung der symmetrischen Komponenten für einen Zeitpunkt t2;
- Aufstellen der Gleichungen entsprechend dem Bild 4;
- Ermitteln der Fehlerentfernung x und des Übergangswiderstandes R_F durch Lösen der Gleichungen (2) bis (4) getrennt nach Real- und Imaginärteil

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 definier ten Zustände t1 und t2 synchronisiert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Schaltbildern beispielhaft näher be schrieben. Dabei zeigen:

Bild 1 ein Drehstromnetz mit zwei Abgängen;

Bild 2 das Ergebnis einer Umformung des Netzes von Bild 1;

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 Einspeisetransformators oder mit Hilfe eines Sternpunktbild ners 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 er folgen. Eine Änderung der 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 z. B. isoliertes Netz, hochohmig geer dete Netze, niederohmig geerdete Netze. Sollte in diesem Fall kein Sternpunkt verfügbar sein kann die Änderung der Nullimpedanz auch alternativ nach einem der bekannten Verfahren erfolgen wie z. B. Zuschalten eines Unsymmetriekonden sators in einer Phase, Zuschalten einer Induktivität in einer Phasen.

Das Verfahren dient zur Entfernungsbestimmung eines nieder- oder hochohmigen Erdschlusses 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 installier tes Relais bestimmt hingegen die Entfernung "Distanz A2x" bis zur Fehlerstelle.

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 "Symmetrischen 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 R_F bereits einge zeichnet.

Für die weitern Betrachtungen im Bild 3 wird die Fehlerentfernung vom Um spannwerk aus betrachtet. Hierzu werden die Leitungsabschnitte A1 und A2 zu sammengefasst. 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 ver nachlässigt, da für die Entfernungsbestimmung die Längsimpedanzen der Leitungen wesentlich sind.
- Die Entfernung vom Relais bis zur Fehlerstelle ist die Unbekannte x. Die Längsimpedanzen werden mit Hilfe der Leitungsbeläge Z' berücksichtigt. Die Daten für die Leitungsbeläge Z' sowie die verlegten Leitungslängen sind ent sprechend den Installationen üblicherweise in den Betriebsmitteldatenbanken bzw. den üblichen Aufzeichnungen verfügbar.
- Durch die übliche Symmetrie der Leitungen sind die Längsimpedanzen im Mit- und Gegensystem identisch angenommen.
- Das Restnetz wird als Kapazität vor der Messung berücksichtigt.
- Die verteilten Nullkapazitäten werden zu einer Kapazität Co zusammenge fasst.

Im Relais werden die drei Spannungen U_1e, U_2e und U_3e gegen Erde und die drei Leiterströme I_L1, I_L2 und I_L3 gemessen. Aus diesen können nach den bekannten Verfahren die symmetrischen Komponenten U₁, U₂, U_o sowie I₁, I₂, und I_o berech net werden. Die Nullspannung U_o und der Nullstrom I_o können alternativ auch mit Hilfe der bekannten Verfahren auch direkt gemessen werden.

Das neue Verfahren beruht darauf, den Störeinfluss des Kreisstromes im Gegen system, verursacht durch E_gegen zu beseitigen. E_gegen entsteht, sobald eine be triebsmäßige übliche unsymmetrische Belastung des Netzes erfolgt. Außerdem wird der Störeinfluß des Laststrom hinter der Fehlerstelle durch die Impedanz Z₃ berücksichtigt.

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 Sekun den auseinander, da die Einschwingvorgänge im Bereich von einigen Perioden abgeklungen sind.

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.
- Es können auch über mehrere Messungen statistische Mittelwerte durchge führt werden, um kleine Störeinflüsse durch Laständerungen zu reduzieren.
- Der störende Einfluß der Gegenspannung E_gegen wird kompensiert.
- Der störende Einfluß des Laststromes wird kompensiert.
- Die Parallelschaltung des unbekannten Restnetzes und der normalerweise unbekannten Größe der Quellimpedanz des Trafos, die außerdem abhängig von der Stufenstellung des Transformators ist, wird bei der Berechnung be rücksichtigt.

Für eine Entfernungsbestimmung sind die unbekannten Größen Co, R_F und x zu bestimmen.

Die Parallelschaltung Z_1H = Z_1Tr // C_1Rest kann entweder aus der differentiellen Messungen des Mitsystems oder aus der differentiellen Messungen des Gegen systems nach der folgenden Formel ermittelt werden.

Mit den differentiellen Werten: dU₁ = U_1(t2) - U_1(t1) bzw d/1 = I_1(t2) - I_2(t1).

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

Legende
U₁, I₁, U₂, I₂, U_o Symmetrische Komponenten
_{_R} Real-Teil
_{_I} Imaginär-Teil
X Fehlerentfernung gemessen ab Relaiseinbauort
K Verhältnis von Mitimpedanz zu Nullimpedanz der Leitung
R_f Widerstand der Fehlerstelle
Z'_1L Impedanzbelag der Leitung im Mitsystem
Z₃ Impedanz der Leitung von der Fehlerstelle bis zur Last + Impedanz der Last
Z_1H Ersatzimpedanz bestehend aus der Transformator- Nullimpedanz und der Kapazität des Restnetzes gegen Erde

Wesentlich ist, daß der Übergangswiderstand R_f an der Fehlerstelle als ohmscher Widerstand betrachtet werden kann.

Werden die Gleichungen (2) bis (4) getrennt nach Realteil und Imaginärteil be trachtet, so erhält man sechs Gleichungen. Erfolgt die Messung für zwei unter schiedliche Nullimpedanzen zum Zeitpunkt t1 und t2, so erhält man zwölf Glei chungen für zwölf Unbekannte. Diese können nun mit den bekannten Verfahren der Algebra symbolisch oder numerisch gelöst werden.

Als Ergebnis der Berechnung erhält man:
X Entfernung bis zur Fehlerstelle
R_f Widerstand der Fehlerstelle
E_{g_R+}i.E_{g_I} Gegenspannung
Z_{3_R+}i.Z_{3_I}, Impedanz der Leitung von der Fehlerstelle bis zur Last + Impedanz der Last
I_{f_R_1+}i.I_{f_I_1} Strom über die Fehlerstelle zum Zeitpunkt t1
I_{f_R_2+}i.I_{f_I_2} Strom über die Fehlerstelle zum Zeitpunkt t2
Z_{1H_R+}i.Z_{1H_I} Ersatzimpedanz bestehend aus der Transformator- Nullimpedanz und der Kapazität des Restnetzes gegen Erde

Aus diesen Werten kann zusätzlich der kapazitiver Anteil des Nullstromes berech net werden:

I_C = I_o - I_F (5)

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung eines erdschlussbehafteten Abganges und zur Be stimmung der 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 Mess stelle A1;
- Berechnung der symmetrischen Komponenten der drei Phasenspannungen und der drei Leiterströme für einen Zeitpunkt t1;
- 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 Fehlerentfernung x und des Übergangswiderstandes R_f durch Lö sen der Gleichungen (2) bis (4) getrennt nach Real- und Imaginärteil:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Nullimpedanz im Sternpunkt des Speise-Transformators oder eines Sternpunktbildners erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Nullimpedanz durch Verstimmung einer Erdschlusslösch spule, Zuschaltung eines Widerstandes, Zuschaltung einer Kapazität oder mit Hilfe einer "Stromeinspeisung" erfolgt.

4. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit den gewonnenen Daten der Berechnung der Fehlerentfernung, des Ü bergangswiderstandes R_F, und des Stromes I_F über die Fehlerstelle die Berech nung des kapazitiven Stromes des erdschlussbehafteten Abganges erfolgt.