DE10151160A1

DE10151160A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ortung von Erdschlüssen in Drehstromnetzen durch Messung der Leiterströme

Info

Publication number: DE10151160A1
Application number: DE2001151160
Authority: DE
Inventors: Gerhard Drumi; Andreas Kugi
Original assignee: EDC GmbH
Current assignee: EDC GmbH
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-05-08
Also published as: AT413771B; ATA15582002A

Abstract

Verfahren zur bestimmung eines erdschlussbehafteten Abganges in einem Drehstromnetz mit nur einer Messstelle gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: DOLLAR A È Kontinuierliches Abtasten und Speichern der drei Leiterströme I¶1¶, I¶2¶ und I¶3¶ an der Messstelle A. DOLLAR A È Berechnung des Nullstromes I¶0n¶ = (I¶1n¶ + I¶2n¶ + I¶3n¶) für jeden Abtastzeitpunkt n. DOLLAR A È Kontinuierliche Ermittlung des Betrages und des Winkels der Ströme I¶1¶, I¶2¶, I¶3¶ und I¶0¶ nach bekannten Verfahren wie z. B. der FET, DFT oder ähnlichen aus den gespeicherten Daten. Als Referenzsignal für die Winkelmessung dient ein Synchronisationssignal, dass entweder von extern zugeführt wird oder z. B. intern mit Hilfe eines internen langsamen PLL (Phase Locked Loop) direkt aus dem Nullstrom I¶0¶ gewonnen wird. DOLLAR A È Kreuzkorrelation des Nullstromes I¶0¶ und der Leiterströme I¶1¶, I¶2¶ und I¶3¶ mit einem vorgegebenen Pulsmuster. DOLLAR A È Wird über die Kreuzkorrelation eine Taktung (Änderung der Nullimpedanz nach dem vorgegebenen Muster) erkannt, so wird der Auswertealgorithmus gestartet. DOLLAR A È Aus dem Pulsmuster werden die Stromänderungen DELTAI¶0¶, DELTAI¶1¶, DELTAI¶2¶ und DELTAI¶3¶ in den Leitern nach Betrag und Winkel mit Zuordnung zur Änderung der Nullimpedanz dZ¶P¶ ermittelt. DOLLAR A È Die Richtung der Impedanzänderung des Nullsystem dZ¶P¶ wird aus dem Pulsmuster abgeleitet DOLLAR A È in den gesunden Abgängen ist nach Betrag und Winkel: DELTAI¶0¶ = DELTAI¶1¶ = DELTAI¶2¶ = DELTAI¶3¶. DOLLAR A È In erdschlussbehafteten Abgängen sind zwei Stromänderungen nach...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Erdschluss-Ortung in Drehstromnetzen durch Messung der drei Leiterströme an einer Messstelle und Auswertung nach der Pulsmethode.
Das Prinzip der Erdschlussortung nach der Pulsmethode ist in dem Buch "Schutztechnik in elektrischen Netzen", VDE Verlag Seite 163 ff. beschrieben.
Um den Nachteil von Wirkleistungsrichtungsrelais, die sehr empfindlich auf falsche Bebürdung und Strom- und Winkelfehler reagieren, wird in der DE 27 11 629 ein Verfahren beschrieben um diese Nachteile zu beseitigen. Hierzu wird die Induktivität der Erdschluss-Löschspule in einem gelöschten Netz periodisch geändert. Die über die Fehlerstelle fließende periodische Stromänderung wird als Kriterium für das Vorhandensein eines Dauererdschlusses verwendet. Die Stromänderungen des Nullsystems werden durch eine Holmgreenschaltung oder durch Kabelumbauwandler erfasst, gleichgerichtet, differenziert und zur Anzeige gebracht. Dieses Verfahren funktioniert gut, solange der Übergangswiderstand der Fehlerstelle sehr niederohmig ist.
Wird der Übergangswiderstand hochohmig (einige 100 Ohm), so erfolgt eine stärkere Kopplung der Stromänderung auf die Verlagerungsspannung. Eine Stromänderung über die Fehlerstelle bewirkt dann auch eine Änderung der Verlagerungsspannung U_NE. Diese Änderung der Verlagerungsspannung U_NE führt in der Folge dazu, dass die periodische Änderung auch in den gesunden Abgängen zu erkennen ist, wodurch eine Unterscheidung zwischen kranken und gesunden Abgängen nicht mehr durchgeführt werden kann. Aus diesem Grunde wurde in der DE 44 13 649 eine "Unsymmetrische Taktung" eingeführt. Dadurch ist es möglich aus einer Messung des Betrages des Nullstromes zu erkennen, ob die Verstimmung einem Stromanstieg oder einer Stromabsenkung entspricht. Der Referenzwert für die Bewertung der Taktung wird durch das Pulsmuster auch bei kontinuierlicher Taktung und Netzumschaltungen zuordenbar. In der DE 44 29 310 wird hingegen die Synchronisation mit Hilfe eines Spannungserfassungselementes durchgeführt. Beide Verfahren setzen eine Überkompensation des Netzes voraus und es werden nur Betragsänderungen des Nullstromes ausgewertet.
Eine weitere Erhöhung des Übergangswiderstandes führt dazu, dass auch bei unsymmetrischer Taktung keine unterschiedliche Stromänderung erkennbar ist. Der über die Fehlerstelle fließende Strom wird um die Güte des Resonanzkreises verstärkt, sodass sich die Stromänderungen angleichen.
Ein anderes in der EP 0 696 830 beschriebenes Verfahren misst die Nullstromänderung im Sternpunkt und vergleicht diese mit dem Nullstrom in den Abgängen. Die Erdschluss- Löschspule wird solange verstimmt, bis im erdschlussbehafteten Abgang ein Summenstrom mit der gleichen Phasenlage erkannt wird, wie die Stromänderung im Sternpunkt. Außerdem muss der Summenstrom einen eingestellten Schwellwert überschreiten. Dies bedeutet, dass die Erdschluss-Löschspule so eingestellt werden muss, dass das Netz um mindestens den erdschlussbehafteten Leitungsabschnitt plus dem Schwellwert unterkompensiert betrieben wird. Dieses Verfahren erfordert eine große Fehlkompensation, wodurch eventuell der Strom über die Fehlerstelle unzulässig vergrößert wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Pulsortung so zu verbessern, dass diese auch für höherohmige Fehlerwiderstände geeignet ist. Ein weiterer Vorteil des Prinzips der Pulsortung ist, dass die Relais auch in der "Tiefe" des Netzes installiert werden können und keine zusätzliche Verbindung z. B. Leittechnik, Modem usw. mit der Takteinrichtung benötigen. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei Installationen der Relais in der Tiefe trotz Erkennung von hochohmigen Erdschlüssen keine Spannungswandler benötigt werden. Im Mittelspannungsnetz ist eine Nachrüstung von Spannungswandlern sehr kostenintensiv. Stromwandler sind meist vorhanden oder können vor allem in Kabbelnetzen relativ günstige als Niederspannungskabelumbauwandler nachgerüstet werden, da die Isolationsfestigkeit durch das Kabel selbst gegeben ist.
Die Funktionalität der Erdschlussortung ist durch diese Erfindung über den ganzen Verstellbereich der Erdschlusslöschspule gegeben und ist sogar für isolierte Netze anwendbar, wenn im Nullsystem eine Veränderung der Nullimpedanz gegen Erde durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren und Vorrichtung zur Ortung von Erdschlüssen in Drehstromnetzen durch Messung der drei Leiterströme an einer Messstelle und Auswertung nach der Pulsmethode gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Kontinuierliches Abtasten und Speichern der drei Leiterströme I₁, I₂ und I₃ an der Messstelle A.
- Berechnung des Nullstromes I_0n = (I_1n + I_2n + I_3n)/3 für jeden Abtastzeitpunkt n.
- Kontinuierliche Ermittlung des Betrages und des Winkels der Ströme I ₁, I ₂, I ₃ und I ₀ nach bekannten Verfahren wie z. B. der FFT, DFT oder ähnlichen aus den gespeicherten Daten. Als Referenzsignal für die Winkelmessung dient ein Synchronisationssignal, dass entweder von extern zugeführt wird oder z. B. intern mit Hilfe eines internen langsamen PLL (Phase Locked Loop) direkt aus dem Nullstrom I ₀ gewonnen wird.
- Kreuzkorrelation des Nullstromes I ₀ und der Leiterströme I ₁, I ₂ und I ₃ mit einem vorgegeben Pulsmuster.
- Wird über die Kreuzkorrelation eine Taktung (Änderung der Nullimpedanz nach dem vorgegebenen Muster) erkannt, so wird der Auswertealgorithmus gestartet.
- Aus dem Pulsmuster werden die Stromänderungen ΔI ₀, ΔI ₁, ΔI ₂ und ΔI ₃ in den Leitern nach Betrag und Winkel mit Zuordnung zur Änderung der Nullimpedanz dZ ≙ ermittelt.
- Die Richtung der Impedanzänderung des Nullsystem dZ ≙ wird aus dem Pulsmuster abgeleitet.
- In den gesunden Abgängen ist nach Betrag und Winkel: ΔI ₀ = ΔI ₁ = ΔI ₂ = ΔI ₃
- In erdschlussbehafteten Abgängen sind zwei Stromänderungen nach Betrag und Winkel gleich groß. Die Stromänderung im erdschlussbehafteten Leiter ist zusammengesetzt aus der gleichen Stromänderung wie in den beiden gesunden Leitern plus der Stromänderung, die über die Fehlerstelle fließt.
- Ist ein Pulsmuster im differentiellem Nullstrom ΔI ₀ erkennbar und sind alle Stromänderungen nach Betrag und Richtung gleich groß, so entspricht dies einem gesunden Abgang. Im anderen Fall ist der Abgang erdschlussbehaftet.
- Um Störeinflüsse zu reduzieren können Schwellwerte für die erlaubten Abweichungen definiert werden, bzw. die Bewertung nach einer zwei- oder mehrwertigen Logik z. B. Fuzzy Logic bzw. mit anderen wahrscheinlichkeitstheoretischen Methoden
- Anzeige des Ergebnisses der Auswertung.

Durch die differenzielle Messung der Pulsung wird das System um den aktuellen Arbeitspunkt linearisiert. Die folgenden Einflüsse werden dadurch eliminiert bzw. stark reduziert:

- Übersprechen des Laststromes durch Wandlerfehler.
- Übersprechen des Laststromes durch Phasensplitting.
- Einfluss der Kreisströme bei Ringschaltungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Schaltbildern beispielhaft beschrieben. Dabei zeigen:
Bild 1 Ein Drehstromnetz mit zwei Abgängen;
Bild 2 Vereinfachtes dreiphasiges Ersatzschaltbild mit einem gesunden Abgang B und einem erdschlussbehafteten Abgang A;
Bild 3 Darstellung der drei Leiterströme im gesunden Abgang B in Abhängigkeit von der Spulenstellung und einem angenommenen Erdschlusswiderstand von 500 Ohm;
Bild 4 Darstellung der drei Leiterströme im erdschlussbehafteten Abgang A in Abhängigkeit von der Spulenstellung und einem angenommenen Erdschlusswiderstand von 500 Ohm;
Im Bild 1 ist ein Drehstromnetz mit zwei Abgängen dargestellt. Die Einspeisung erfolgt über einen Transformator. Die Änderung der Nullimpedanz dZ_P kann über den Sternpunkt des Einspeisetransformators 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 oder mit Hilfe eines Transformators am Sternpunkt des Transformators oder über einen Sternpunktsbildner erfolgen. Eine Änderung der Nullimpedanz ist auch durch eine kleine Verstimmung der Erdschlusslöschspule oder mit Hilfe einer aktiven Stromeinspeisung möglich. Die definierten Pulsmuster können auch kontinuierliche Änderungen beinhalten wie z. B. Dreieck, Sägezahn usw. Das Verfahren ist nicht auf die Grundschwingung von 50 Hz beschränkt. Die Stromeinspeisung kann z. B. durch eine Rundsteueranlage oder einen beliebigen aktiven oder passiven Unter- oder Oberschwingungsgenerator erfolgen. Im Relais werden nur die definierten Frequenzen bzw. Frequenzgemische für die Auswertung verwendet.
Die Darstellung in den Bildern im Anhang erfolgt für ein gelöschtes Netz, das Verfahren ist aber auch für andere Sternpunktbehandlungen gültig, wie z. B. isoliertes Netz, hochohmig geerdete Netze usw. Die einzige Vorraussetzung ist, dass eine Möglichkeit besteht, die Nullimpedanz zu ändern.
Das Verfahren dient zur Erkennung von nieder- und hochohmigen Erdschlüssen bis in den Bereich von einigen kOhm. In der Darstellung ist der Erdschluss im Abgang A dargestellt. Der Einbauort des Relais kann im Abgang im Umspannwerk (Relais A1, Relais B1) oder auch entlang der Leitung (Relais A2) installiert werden.
Im Bild 2 ist das vereinfachte Ersatzschaltbild dargestellt und die Betrachtung auf einen erdschlussbehafteten Abgang A und einen gesunden Abgang B reduziert. Die Längsimpedanzen der Leitungen werden für die folgenden Betrachtungen vernachlässigt. In den Relais werden jeweils die drei Leiterströme I ₁, und I ₃ nach Betrag und Winkel gemessen und der Nullstrom 10 ermittelt. Der Nullstrom kann alternativ auch direkt gemessen werden z. B. mit Hilfe der Holmgreenschaltung oder Kabelumbauwandler.
Bei niederohmigen Erdschlüssen kann die Rückwirkung auf die Verlagerungsspannung U ≙ durch den Stromes I ≙ über die Fehlerstelle mit der Impedanz R_F vernachlässigt werden. Ein wesentliches Pulsmuster ist nur im Leiter 1 und im Nullstrom des erdschlussbehafteten Abganges A erkennbar.
Bei einem höherohmigen Erdschluss prägt der Pulsstrom durch den Spannungsabfall am Fehlerwiderstand R_F auch der Verlagerungsspannung ein Pulsmuster auf. Die Größe nach Betrag und Richtung ist abhängig von der aktuellen Abstimmung der Petersenspule. Durch die komplexe Änderung der Verlagerungsspannung U ≙ um ΔU ≙ ändert sich in allen drei Leitern die Spannung gegen Erde auch um diesen komplexen Zeiger ΔU ≙. In den gesunden Leitern bewirkt dies eine Stromänderung von
Im erdschlussbehafteten Leiter hingegen wird durch das Pulsmuster die Stromänderung wie folgt:
In einem gesunden Abgang sind die Stromänderungen in allen drei Leitern sowie im Nullstrom nach Betrag und Winkel gleich groß.
In einem erdschlussbehafteten Abgang weicht die Stromänderung im erdschlussbehafteten Leiter von den Strömen in den beiden gesunden Leitern ab. Damit weicht auch die Summenstromänderung ΔI ₀ von den beiden anderen Strömen ab. Diese Eigenschaft wird für die Ermittlung und Anzeige des erdschlussbehafteten Abganges verwendet werden.
In der einfachsten Form kann auf Gleichheit der Stromänderungen überprüft werden. Vorteilhaft für die Unterdrückungen von Störeinflüssen ist, wenn Schwellwerte für erlaubte Abweichungen von der Gleichheit der Stromänderungen nach Betrag und Winkel eingeführt werden.
Um Störeinflüsse noch weiter zu unterdrücken, können komplexe Bewertungen angewendet werden wie z. B. eine mehrwertige Logik oder wahrscheinlichkeitstheoretische Methoden.
Im Bild 3 sind die drei Leiterströme I_1B, I_2B und I_3B des gesunden Abganges B dargestellt. Der Fehlerwiderstand R_F ist konstant und die Petersenspule wird von unterkompensiert bis überkompensiert verändert. Die Leiterströme beschreiben in der komplexen Ebene einen rechtsdrehenden Kreis.
Im Bild 4 sind die zugehörigen Ströme im erdschlussbehafteten Abgang B dargestellt. Es ist erkennbar, dass sich der Strom im erdschlussbehafteten Leiter 1 anders verhält. Werden nur die Stromänderungen betrachtet, so ergeben sich die oben beschriebenen Verhältnisse.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung eines erdschlussbehafteten Abganges in einem Drehstromnetz nach der Pulsmethode gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Kontinuierliches Abtasten und Speichern der drei Leiterströme I₁, I₂ und I₃ an der Messstelle A.

- Berechnung des Nullstromes I_0n = (I_1n + I_2n + I_3n)/3 für jeden Abtastzeitpunkt n.

- Kontinuierliche Ermittlung des Betrages und des Winkels der Ströme I ₁, I ₂, I ₃ und I ₀ nach bekannten Verfahren wie z. B. der FFT, DFT oder ähnlichen aus den gespeicherten Daten. Als Referenzsignal für die Winkelmessung dient ein Synchronisationssignal, dass entweder von extern zugeführt wird oder z. B. intern mit Hilfe eines internen langsamen PLL (Phase Locked Loop) direkt aus dem Nullstrom I ₀ gewonnen wird.

- Kreuzkorrelation des Nullstromes I₀ und der Leiterströme I ₁, I ₂ und I ₃ mit einem vorgegeben Pulsmuster.

- Wird über die Kreuzkorrelation eine Taktung (Änderung der Nullimpedanz nach dem vorgegebenen Muster) erkannt, so wird der Auswertealgorithmus gestartet.

- Aus dem Pulsmuster werden die Stromänderungen ΔI ₀, ΔI ₁, ΔI ₂ und ΔI ₃ in den Leitern nach Betrag und Winkel mit Zuordnung zur Änderung der Nullimpedanz dZ ≙ ermittelt.

- Die Richtung der Impedanzänderung des Nullsystem dZ ≙ wird aus dem Pulsmuster abgeleitet.

- In den gesunden Abgängen ist nach Betrag und Winkel: ΔI ₀ = ΔI ₁ = ΔI ₂ = ΔI ₃

- In erdschlussbehafteten Abgängen sind zwei Stromänderungen nach Betrag und Winkel gleich groß. Die Stromänderung im erdschlussbehafteten Leiter ist zusammengesetzt aus der gleichen Stromänderung wie in den beiden gesunden Leitern plus der Stromänderung, die über die Fehlerstelle fließt.

- Ist ein Pulsmuster im differentiellem Nullstrom ΔI ₀ erkennbar und sind alle Stromänderungen nach Betrag und Richtung gleich groß, so entspricht dies einem gesunden Abgang. Im anderen Fall ist der Abgang erdschlussbehaftet.

- Anzeige des Ergebnisses der Auswertung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Nullimpedanz im Sternpunkt des Speise-Transformators bzw. an einem Sternpunktsbildner erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Nullimpedanz stufig durch Schalten eines Widerstandes, einer Kapazität, einer Induktivität oder einer aktiven Stromeinspeisung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Nullimpedanz kontinuierlich durch Verstellen der Erdschluss- Löschspule oder mit Hilfe einer aktive Stromeinspeisung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das diskrete oder kontinuierliche Pulsmuster so gewählt wird, dass aus der Stromänderung die Richtung der Nullimpedanzänderung erkennbar ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oben beschriebene Impedanzänderung nicht auf die Grundschwingung begrenzt ist. Die aktive oder passive Impedanzänderung kann auch anderen Frequenzbereiche oder Frequenzgemische verwenden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schwellwerte für erlaubte Abweichungen von der Gleichheit der Stromänderungen nach Betrag und Winkel eingeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass komplexe Bewertungen der Abweichungen von der Gleichheit der Stromänderungen angewendet werden wie z. B. eine mehrwertige Logik oder wahrscheinlichkeitstheoretische Methoden.