DE102005016720A1

DE102005016720A1 - Spannungsamplitudenunabhängiges Netzüberwachungsgerät zur Diagnose von Phasenausfällen in Mehrphasenversorgungssystemen

Info

Publication number: DE102005016720A1
Application number: DE200510016720
Authority: DE
Inventors: Roland Fleischmann; Peter Harmsen; Martin Maier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-10-12
Also published as: FR2884320A1; CN1858610A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein selbstversorgendes, spannungsamplitudenunabhängiges Netzüberwachungsgerät zur Diagnose von Phasenausfällen und Phasenamplitudenverminderungen in Mehrphasenversorgungssystemen. Die Erfindung nutzt die Diagnose der Dreieckspannungen oder Sternspannungen hinsichtlich ihrer zeitlichen Nullstellen und deren auftretenden zeitlichen Verschiebungen. Dadurch löst das spannungsamplitudenunabhängige Netzüberwachungsgerät das weithin bekannte Problem der Nichterkennung von Phasenausfällen und Phasenamplitudenverminderungen durch spannungsamplitudenabhängige Netzüberwachungsgeräte. Die Diagnose ist sicherer, da die relevanten Größen mit Hilfe eines Zeitfensters von den Störspannungen, die möglicherweise vom Verbraucher herrühren, getrennt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzüberwachungsgerät sowie ein Verfahren zur Diagnose eines Phasenausfalls für das Netzüberwachungsgerät in einem Mehrphasenversorgungssystem.
Ein derartiges Netzüberwachungsgerät kommt in der weit verbreiteten Mehrphasen- oder Drehstromtechnik zum Einsatz. Hierbei kann es sich beispielsweise um industrielle oder auch um konsumerorientierte Anwendungen handeln. In der Regel dienen Mehrphasenversorgungssysteme dazu, dem Endverbraucher hohe elektrische Leistungen zur Verfügung zu stellen. Das Netzüberwachungsgerät übernimmt in diesem Kontext eine Schutz- und Überwachungsfunktion, insbesondere weil bei den meisten Anwendungen hohe Leistungen involviert sind, und es im Zusammenhang mit einem Phasenausfall zu Schäden an den betriebenen Geräten kommen kann, muss beispielsweise der Phasenausfall unverzüglich gemeldet, beziehungsweise Schutzmassnahmen eingeleitet werden. Dazu überwachen Netzüberwachungsgeräte, auch als Netzüberwachungsrelais bezeichnet, Größen des Mehrphasenversorgungssystems, wie beispielsweise Spannung, Strom, Phasenfolge oder daraus ableitbare Größen wie Leistung, Phasenverschiebung, Asymmetrie. Insbesondere unterscheidet man die so genannte Sternspannung (U1, U2, U3), die die zeitliche Abhängigkeit der jeweiligen Phasenspannung darstellt, von der so genannten Dreieckspannung, die als Phasenspannungsdifferenz definiert ist. Beispielsweise lauten die Dreieckspannungen im Dreiphasenversorgungssystem: U12 = U1 – U2; U23 = U2 – U3; U31 = U3 – U1.
Heute bekannte Netzüberwachungsgeräte funktionieren in aller Regel nach dem so genannten Ruhestromprinzip. Das bedeutet, dass nach dem Anlegen der Versorgungsspannung ein Melderelais angezogen wird. Bei Auftreten eines Fehlers oder beim Ausfall der Versorgungsspannung fällt dieses Melderelais in den Ruhezustand zurück und meldet damit einen Fehler. Eine detaillierte Anzeige, welcher Fehler zu diesem Schaltvorgang geführt hat, ist dabei aber nicht möglich. Diesem Nachteil kann man dadurch begegnen, dass das Netzüberwachungsgerät mit einer Hilfsspannung betrieben wird. Aus dieser Hilfsspannung die z.B. aus einem eigens abgesicherten Stromzweig kommt, wird die Versorgungsspannung für die Mess- und Auswerteeinrichtung des Netzüberwachungsgerätes gewonnen. Kommt es nun zu einem Fehler auf dem zu überwachenden dreiphasigen Versorgungsnetz, meldet das Netzüberwachungsgerät diesen Fehler durch Betätigen eines beispielsweise nach dem Arbeitsstromprinzip arbeitenden Melderelais. Dadurch ist eine detailliertere Fehlermeldung möglich. Nachteilig ist hier aber, dass eine vom zu
überwachenden Versorgungsnetz abgekoppelte Hilfsspannung erforderlich ist, diese auch verdrahtet werden muss und dass bei Ausfall dieser Hilfsspannung die Mess- und Auswerteeinrichtung nicht funktionsfähig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Phasenausfall oder einen Phasenamplitudenabfall unabhängig von der Netzspannung des Netzüberwachungsgerätes zu detektieren, sodass das Netzüberwachungsgerät auf einem möglichst weiten Spannungsbereich einsetzbar ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, nicht allein die Phasenspannungsamplitude als Diagnosemittel heranzuziehen, da bei einem Phasenausfall noch Störspannungen anliegen, die beispielsweise von einer der anderen Phasen über den Endverbraucher eingespeist werden. Diese Spannungsrückspeisung kann zu einer Fehldiagnose führen, sodass ein Phasenausfall oder ein Phasenamplitudenabfall nicht als solcher erkannt wird. Bei einem spannungsamplitudenunabhängigen Netzüberwachungsgerät soll die Wahrscheinlichkeit dieser Fehldiagnose minimiert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Netzüberwachungsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1, nämlich einem Netzüberwachungsgerät zur Diagnose eines Phasenausfalls in einem Mehr phasenversorgungssystem, wobei das Netzüberwachungsgerät Mittel zur Detektion des Phasenausfalls aufweist, dessen Diagnose mittels einer zeitlichen Verschiebung des Nulldurchganges mindestens einer Dreieckspannung oder Sternspannung des Mehrphasenversorgungssystems vorgesehen ist.
Diese Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Netzüberwachungsgeräts ist ein Netzüberwachungsgerät, das einen Phasenausfall oder eine Phasenamplitudenverminderung einer Phase des Mehrphasenversorgungssystems präzise diagnostiziert.
Da das Netzüberwachungsgerät Mittel zur Detektion der zeitlichen Verschiebung der Dreieckspannung oder Sternspannung mittels der zeitlichen Verschiebung des Nulldurchgangs der Dreieckspannung oder Sternspannung innerhalb eines Zeitfensters aufweist, werden aufgrund der zeitlichen Selektion durch das Zeitfenster andere Störsignale effizient unterdrückt, wobei durch eine vorteilhafte Wahl der Zeitdauer des Zeitfensters der Filtereffekt weiter optimiert wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsbeispiele derselben werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines beispielhaften Dreiphasenversorgungssystems mit einem selbstversorgten Netzüberwachungsgerät bei Phasenausfall, und
2 zeitliche Spannungsverläufe der zugehörigen Stern- und Dreieckspannungen des Dreiphasenversorgungssystems aus 1.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines beispielhaften Dreiphasenversorgungssystems mit einem selbstversorgten Netzüberwachungsgerät 1. In diesem Beispiel ist eine der drei Phasen L1, L2, L3 aus einem nicht näher definierten Grund unterbrochen. Der Ausfall der zweiten Phase L2 ist im Blockschaltbild mit einer physischen Unterbrechung 2 der zweiten Phase L2 angedeutet. Dieses Dreiphasenversorgungssystem versorgt einen Verbraucher 3, wie zum Beispiel, einen Drehstrommotor, der durch drei Impedanzen Z1, Z2, Z3 verdeutlicht wird. Weiterhin sind die drei beteiligten Dreieckspannungen U12, U23, U31 in Form von Pfeilen zwischen den Phasenleitungen eingetragen. Das Netzüberwachungsgerät 1 ist lediglich an die drei Phasen L1, L2, L3 angeschlossen und ist demzufolge selbstversorgend zu nennen, da keine weitere externe Spannungsquelle benötigt wird. Die Messkreise 4, 5, 6 sind mit den Phasen elektrisch verbunden, wodurch eine Fehlermeldung ausgelöst werden kann, falls eine der drei Phasen L1, L2, L3 ausfällt oder sich deren Amplitude verringert. Fällt, wie hier beispielhaft beschrieben, die zweite Phase L2 aus, löst das Netzüberwachungsgerät 1 die entsprechende Fehlermeldung „Phasenausfall" aus. Da auch in diesem Ausführungsbeispiel mit den entsprechenden Mitteln der Phasenausfall mit Hilfe der zeitlichen Verzögerung des Nulldurchgangs der Stern- oder Dreieckspannungen detektiert wird, ist eine Fehldiagnose aufgrund von Störspannungen, die am Messkreis 5 anliegen sehr gering. In der Regel sind Spannungen problematisch, die über den Verbraucher 3 an den Phasenausfall detektierenden Messkreis 5 zurückgespeist werden. So fällt, zum Beispiel, wie im Blockschaltbild angezeigt, ein Teil der Sternspannung U1 über der Impedanz Z1 des Verbrauchers 3 ab, aber ein weiterer Teil dieser Spannung liegt am Messkreis 5 an. Dies ist ein ernstes Problem für herkömmliche spannungsamplitudenabhängige Überwachungsgeräte. Im Ausführungsbeispiel ist eine „irrtümliche" Nichtmeldung des Phasenausfalls der Phase L2 ausgeschlossen, weil der Phasenausfall der Phase L2 eindeutig identifizierbar ist. Erstens erfährt die Dreieckspannung U31 als einzige keine zeitliche Verschiebung, da sie nicht von L2 abhängt, und zweitens erfahren die Dreieckspannungen U12, U23 eine zeitli che Verschiebung. Diese Konstellation ist eindeutig für den Ausfall der Phase L2. Diese Verschiebungen werden – wie zuvor beschreiben – dadurch detektiert, dass die Nullstellen der Dreieckspannungen U12, U23 aus, beziehungsweise, in das beobachtete Zeitfenster wandern.
2 zeigt die zeitlichen Spannungsverläufe der zugehörigen Stern- U1, U2, U3 und Dreieckspannungen U12, U23, U31 des Dreiphasenversorgungssystems aus 1. Da in 1 der Ausfall der Phase L2 vorgegeben ist, liegt die Sternspannung U2 im Zeitgraph auf der Null Volt Linie. Die Sternspannungen U1, U3 hingegen folgen um 120 Grad zeitlich voneinander verschoben einer Sinusschwingung. Weiterhin kann man an den Dreieckspannungen U12, U23 erkennen, dass diese von ihrer Position während des Normalbetriebes (kein Phasenausfall) abgewichen sind. Die Dreieckspannung U12 ist nun identisch mit der Sternspannung U1, was bedeutet, dass sich die Nullstellen der Dreieckspannung U12 aus dem observierten Zeitfenster verschoben haben müssen. Die Nullstellen der Dreieckspannung U23 erfolgen ebenfalls zur gleichen Zeit, wie die Nullstellen der Sternspannung U3, was ebenfalls auf eine zeitliche Verschiebung der Dreieckspannung U23 hindeutet. Nur die Dreieckspannung U31 hat Nullstellen, die nicht mit den Nullstellen einer der beiden Sternspannungen U1, U3 übereinstimmen. Mit anderen Worten, eine Nichtänderung der zeitlichen Position der Nullstellen der Dreieckspannung U31, bedeutet, dass deren beitragende Sternspannungen U1, U3 nicht ausgefallen sein können, wohingegen sich die Nullstellen der Dreieckspannungen U12, U23 ändern müssen, da jeweils nur noch eine Sternspannung U1, U3 zur Dreieckspannung U12, U23 beiträgt, und deren Nullstellen „übernommen werden".
Die zeitliche Verschiebungen, die die Dreieckspannungen U12, U23 erfahren, sind zudem geeignet neben einem Ausfall auch einen Spannungsabfall der Phase L2 zu ermitteln, und stellen sich dabei als kontinuierliche Funktionen der Amplitude der Sternspannung U2 dar. In diesem beispielhaften Fall werden die Nullstellen der Dreieckspannung U23 nicht mit den Nullstellen der Sternspannung U3 koinzidieren, sondern sie werden sich von ihrer ursprünglichen Position aus diesen lediglich annähern.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein selbstversorgendes, spannungsamplitudenunabhängiges Netzüberwachungsgerät zur Diagnose von Phasenausfällen und Phasenamplitudenverminderungen in Mehrphasenversorgungssystemen. Die Erfindung nutzt die Diagnose der Dreieckspannungen oder Sternspannungen hinsichtlich ihrer zeitlichen Nullstellen und deren auftretenden zeitlichen Verschiebungen. Dadurch löst das spannungsamplitudenunabhängige Netzüberwachungsgerät das weithin bekannte Problem der Nichterkennung von Phasenausfällen und Phasenamplitudenverminderungen durch spannungsamplitudenabhängige Netzüberwachungsgeräte. Die Diagnose ist sicherer, da die relevanten Größen mit Hilfe eines Zeitfensters von den Störspannungen, die möglicherweise vom Verbraucher herrühren, getrennt werden können.

Claims

Netzüberwachungsgerät (1) zur Diagnose eines Phasenausfalls in einem Mehrphasenversorgungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzüberwachungsgerät Mittel zur Detektion des Phasenausfalls aufweist, dessen Diagnose mittels einer zeitlichen Verschiebung des Nulldurchganges mindestens einer Dreieckspannung (U12, U23, U31) oder Sternspannung (U1, U2, U3) des Mehrphasenversorgungssystems vorgesehen ist.
Netzüberwachungsgerät (1) nach Anspruch 1, wobei das Netzüberwachungsgerät (1) Mittel zur Detektion der zeitlichen Verschiebung der Dreieckspannung (U12, U23, U31) oder Sternspannung (U1, U2, U3) mittels der zeitlichen Verschiebung des Nulldurchgangs der Dreieckspannung (U12, U23, U31) oder Sternspannung (U1, U2, U3) innerhalb oder außerhalb eines Zeitfensters aufweist.
Netzüberwachungsgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Netzüberwachungsgerät (1) Mittel zur Ausgabe einer Fehlermeldung aufweist.
Netzüberwachungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Netzüberwachungsgerät (1) zur Energieselbstversorgung vorgesehen ist.
Netzüberwachungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Netzüberwachungsgerät (1) mindestens einen Messkreis (2, 3, 4) enthält.
Netzüberwachungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messkreis (2, 3, 4) bei Phasenausfall oder Phasenamplitudenverminderung zur Auslösung einer entsprechenden Fehlermeldung vorgesehen ist.
Verfahren zur Diagnose eines Phasenausfalls für ein Netzüberwachungsgerät (1) in einem Mehrphasenversorgungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenausfall mittels der zeitlichen Verschiebung des Nulldurchganges mindestens einer Dreieckspannung (U12, U23, U31) oder Sternspannung (U1, U2, U3) des Mehrphasenversorgungssystems detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zeitliche Verschiebung der Dreieckspannung (U12, U23, U31) oder Sternspannung (U1, U2, U3) durch die zeitliche Verschiebung des Nulldurchgangs der Dreieckspannung (U12, U23, U31) oder Sternspannung (U1, U2, U3) innerhalb oder außerhalb eines Zeitfensters detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei eine Fehlermeldung erfolgt, falls der Nulldurchgang der Dreieckspannung (U12, U23, U31) oder Sternspannung (U1, U2, U3) außerhalb oder innerhalb des Zeitfensters detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Messkreis (2, 3, 4) bei Phasenausfall oder Phasenamplitudenverminderung eine entsprechende Fehlermeldung auslöst.