DE102010052346A1

DE102010052346A1 - Messeinrichtung zur Netzspannungsmessung in elektrischen Mittel- oder Hochspannungsnetzen

Info

Publication number: DE102010052346A1
Application number: DE201010052346
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Dipl Ing H Horstmann GmbH
Current assignee: Dipl Ing H Horstmann GmbH
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-05-31

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung (1) zum quantitativen Messen der Höhe einer Netzspannung (U1) in einem Elektrizitäts-Verteilnetz im Mittel- oder Hochspannungsbereich anhand eines über eine Auskoppelimpedanz (Z1; C1) kapazitiv abgegriffenen, zur Netzspannung (U1) proportionalen Spannungssignals (UZ1), mit einer Auswerteinrichtung (2) zur Bestimmung der Höhe der Netzspannung (U1) anhand des abgegriffenen Spannungssignals. Die Auswerteinrichtung (2) weist einen in Reihe mit der Auskoppelimpedanz (Z1; C1) an der zu messenden Netzspannung (U1) angeschlossenen oder anzuschließenden, umschaltbaren Spannungsteiler (4) auf, welcher mindestens zwei größenmäßig bekannte Impedanzen (Z2, Z3) und mindestens zwei unterschiedliche Schaltzustände aufweist. In diesen Schaltzuständen liegen verschiedene Gesamt-Impedanzen und entsprechend auch unterschiedliche Spannungsteiler-Spannungen (U2, U3) vor. Die Auswerteinrichtung (2) weist weiterhin eine Messeinheit (6) auf, die in den verschiedenen Schaltzuständen des Spannungsteilers (4) die jeweils vorliegenden Spannungsteiler-Spannungen (U2, U3) misst und zur quantitativen Ermittlung der Netzspannung (U1) und/oder der Auskoppelimpedanz (Z1; C1) auswertet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum quantitativen Messen der Höhe einer Netzspannung in einem Elektrizitäts-Verteilnetz im Mittel- oder Hochspannungsbereich anhand eines über eine Auskoppelimpedanz kapazitiv abgegriffenen, zur Netzspannung proportionalen Spannungssignals, mit einer Auswerteinrichtung zur Bestimmung der Höhe der Netzspannung anhand des abgegriffenen Spannungssignals.
Ferner betrifft die Erfindung auch einen Kurzschlussanzeiger mit mindestens einer solchen Messeinrichtung.
In elektrischen Energie-Verteilnetzen im Mittel- und/oder Hochspannungsbereich ab 1 kV, wobei die Grenze zwischen Mittel- und Hochspannung in der Praxis nicht eindeutig definiert ist (im Allgemeinen liegt die Grenze im Bereich von 30 bis 100 kV), ist bisher die jeweilige Spannung nicht mit einfachen Mitteln zugänglich, weil sie z. B. in Schaltanlagen mit Schutzgas-Kapselung nicht zum direkten Abgriff zugänglich ist.
Die IEC 61243-5 beschreibt einen kapazitiven Spannungsabgriff zur rein qualitativen Feststellung „Spannung vorhanden/nicht vorhanden”.
Es sind allerdings auch Geräte im Einsatz, die das kapazitiv ausgekoppelte Spannungssignal zur quantitativen Anzeige der Spannungshöhe auswerten. Da allerdings in der Praxis der Wert der jeweils vorhandenen effektiven Auskoppelimpedanz, die von der jeweiligen Auskoppelkapazität sowie zusätzlichen Abgleich- und Leitungskapazitäten bestimmt wird, sehr stark streut, ist die quantitative Ermittlung der Netzspannung bisher sehr ungenau.
Neuerdings wird für viele Anwendungsfälle eine höhere Genauigkeit der quantitativen Spannungsanzeige gefordert, und zwar mit einer Genauigkeit von möglichst +/–1% bei einer Netzgenauigkeit von 10%, d. h. mit einer Toleranz des Netz-Spannungsbandes von +/–10%.
Um diese höhere Genauigkeit zu erreichen, müsste zur Anpassung an die jeweils stark unterschiedlichen und zudem größenmäßig unbekannten Auskoppelimpedanzen eine Kalibrierung der Spannungsmessung und Spannungsanzeige erfolgen. Dazu müsste die zu kalibrierende Anlage freigeschaltet, d. h. von der Netzspannung getrennt werden, und es müsste eine genaue, größenmäßig bekannte Referenzspannung eingespeist werden. Die Spannungsanzeige wäre dann auf die Referenzspannung zu kalibrieren. Diese Art der Kalibrierung wäre allerdings mit einem sehr hohen Aufwand verbunden, so dass sie für den praktischen Einsatz eher ungeeignet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Messeinrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der die zur Steigerung der Messgenauigkeit erforderliche Kalibrierung der Spannungsanzeige mit einfachen Mitteln und geringerem Aufwand möglich ist.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Kurzschlussanzeiger mit mindestens einer integrierten Messeinrichtung nach der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 5 sowie des abhängigen Anspruchs 6.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die Auswerteinrichtung einen in Reihe mit der Auskoppelimpedanz an der zu messenden Netzspannung anzuschließenden oder angeschlossenen, umschaltbaren Spannungsteiler aufweist, wobei der Spannungsteiler mindestens zwei größenmäßig bekannte Impedanzen und mindestens zwei unterschiedliche Schaltzustände aufweist, in denen verschiedene Gesamt-Impedanzen und entsprechend auch unterschiedliche Spannungsteiler-Spannungen vorliegen, wobei die Auswerteinrichtung weiterhin eine Messeinheit aufweist, die in den verschiedenen Schaltzuständen des Spannungsteilers die jeweils vorliegenden Spannungsteiler-Spannungen misst und zur quantitativen Ermittlung der Netzspannung und/oder der Auskoppelimpedanz unter Berücksichtigung der bekannten Impedanzen des Spannungsteilers auswertet.
Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung beispielhaft genauer erläutert werden. Dabei zeigen:
1 ein vereinfachtes, schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung und
2 die Messeinrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
Zu der anschließenden Beschreibung wird ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal des/jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels eine erfinderische Bedeutung haben.
Wie sich zunächst aus 1 ergibt, wird aus einer Netzspannung U1 über eine Auskoppelimpedanz Z1 ein Spannungssignal UZ1 ausgekoppelt. Die Auskoppelimpedanz Z1 setzt sich aus einer Auskoppelkapazität C1 (siehe dazu 2) sowie aus nicht dargestellten Abgleich- und Leitungskapazitäten zusammen.
Eine erfindungsgemäße Messeinrichtung 1 dient zum quantitativen Messen der Höhe der Netzspannung U1 anhand des abgegriffenen Spannungssignals UZ1. Dazu weist die Messeinrichtung 1 eine Auswerteinrichtung 2 auf.
Erfindungsgemäß weist die Auswerteinrichtung 2 einen in Reihe mit der Auskoppelimpedanz Z1 bzw. C1 an der zu messenden Netzspannung U1 angeschlossenen oder anzuschließenden, umschaltbaren Spannungsteiler 4 auf. Der Spannungsteiler 4 weist seinerseits mindestens zwei Impedanzen Z2, Z3 sowie ein Schaltelement S1 mit mindestens zwei unterschiedlichen Schaltzuständen auf, in denen verschiedene Gesamt-Impedanzen und deshalb auch unterschiedliche Spannungsteiler-Spannungen U2 oder U3 vorliegen. Die Impedanzen Z2, Z3 sind zur weiteren Auswertung bezüglich ihrer Größen genau definiert, d. h. die Größen sind – beispielsweise durch vorheriges Ausmessen – genau bekannt. Die Auswerteinrichtung 2 weist weiterhin eine Messeinheit 6 auf, die in den verschiedenen Schaltzuständen des Spannungsteilers 4 die jeweils vorliegenden Spannungsteiler-Spannungen U2 und U3 misst und zur quantitativen Ermittlung der Netzspannung U1 unter Berücksichtigung der Werte der Impedanzen Z2, Z3 auswertet. Über die Ermittlung der Netzspannung U1 kann zudem bei Bedarf auch die Größe der jeweils effektiv vorhandenen Auskoppelimpedanz Z1 bzw. C1 bestimmt werden.
Gemäß 1 ist das Schaltelement S1 als Umschalter ausgebildet, um nacheinander für die erste Messung die Impedanz Z2 und dann für die zweite Messung Z3 „einzuschalten”.
Bei der bevorzugten Ausführung gemäß 2 sind die Impedanzen Z2, Z3 des Spannungsteilers 4 von Kapazitäten C2 und C3 gebildet. Alternativ können jedoch auch Widerstände oder Induktivitäten eingesetzt werden, was insbesondere bei Widerständen wegen geringerer Toleranzen eine noch höhere Genauigkeit bietet. Bei diesem Beispiel ist die eine Impedanz C2 immer aktiv, und über das Schaltelement S1 kann die andere Impedanz C3 parallel zu- und abgeschaltet werden, um die Gesamtimpedanz zu ändern.
Die Messeinrichtung 6 steuert auch selbsttätig, automatisch über eine gestrichelt angedeutete Steuerverbindung 8 das Schaltelement S1 an und kann mit Vorteil einen Mikrocomputer aufweisen. Zudem ist bevorzugt eine nicht dargestellte, insbesondere digitale Anzeigeeinheit zur visuellen, bevorzugt numerischen Anzeige der ermittelten Netzspannung U1 vorgesehen.
Für eine Anwendung in dreiphasigen Netzen ist für jede Phase eine gleichartige Messeinrichtung 1 vorhanden.
Die quantitative Bestimmung der Netzspannung U1 soll im Folgenden anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß 2 genauer erläutert werden.
S1 ist offen (Messung 1):
woraus durch Umstellen folgt:
S1 ist geschlossen (Messung 2):
woraus durch Umstellen folgt:
Gleichsetzen der Gleichungen (1) und (2) und Umstellen nach U₁:
Diese Gleichung zeigt: Da C2 und C3 bekannt sind, U2 und U3 durch diese gemessen werden und damit auch bekannt sind, kann U1 – die Netzspannung – eindeutig und auf sehr einfache Weise berechnet werden.
Dadurch kann zudem auch bei Bedarf die vorhandene, effektive Auskoppelimpedanz genau berechnet werden:
Einsetzen von (3) in (1) und Umstellen nach C1 ergibt:
Es ist weiterhin vorteilhaft, mindestens eine erfindungsgemäße Messeinrichtung 1 in einen Kurzschlussanzeiger zu integrieren, wie er häufig für Netzstationen in elektrischen Mittel- oder Hochspannungsnetzen eingesetzt wird. Für eine dreiphasige Anzeige sind natürlich drei Messeinrichtungen 1 vorgesehen. Bevorzugt ist der Kurzschlussanzeiger als Kurz- und Erdschluss-Richtungsanzeiger insbesondere für dreiphasige Netze ausgebildet.
Die Erfindung ermöglicht auf sehr einfache Weise und berührungslos eine genaue Bestimmung der Netzspannung U1 ohne Vorgabe einer genauen Kalibrierspannung. Dabei muss auch der genaue Wert der Auskoppelimpedanz Z1 nicht bekannt sein, es muss nur sichergestellt sein, dass Z1 bei allen Messungen konstant ist. Etwaige Änderungen über längere Zeiten hinweg, z. B. durch Alterung, sind jedoch unproblematisch, weil die beschriebene erfindungsgemäße „automatische Kalibrierung” jederzeit wiederholt werden kann, z. B. auch automatisiert in vorbestimmten Zeitabständen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Es wird ausdrücklich betont, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf alle Merkmale in Kombination beschränkt sind, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal auch losgelöst von allen anderen Teilmerkmalen für sich eine erfinderische Bedeutung haben. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im jeweiligen unabhängigen Anspruch definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des jeweiligen unabhängigen Anspruchs weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEC 61243-5 [0004]

Claims

Messeinrichtung (1) zum quantitativen Messen der Höhe einer Netzspannung (U1) in einem Elektrizitäts-Verteilnetz im Mittel- oder Hochspannungsbereich anhand eines über eine Auskoppelimpedanz (Z1; C1) kapazitiv abgegriffenen, zur Netzspannung (U1) proportionalen Spannungssignals (UZ1), mit einer Auswerteinrichtung (2) zur Bestimmung der Höhe der Netzspannung (U1) anhand des abgegriffenen Spannungssignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (2) einen in Reihe mit der Auskoppelimpedanz (Z1; C1) an der zu messenden Netzspannung (U1) angeschlossenen oder anzuschließenden, umschaltbaren Spannungsteiler (4) aufweist, wobei der Spannungsteiler (4) mindestens zwei größenmäßig bekannte Impedanzen (Z2, Z3) und mindestens zwei unterschiedliche Schaltzustände aufweist, in denen verschiedene Gesamt-Impedanzen und entsprechend auch unterschiedliche Spannungsteiler-Spannungen (U2, U3) vorliegen, wobei die Auswerteinrichtung (2) weiterhin eine Messeinheit (6) aufweist, die in den verschiedenen Schaltzuständen des Spannungsteilers (4) die jeweils vorliegenden Spannungsteiler-Spannungen (U2, U3) misst und zur quantitativen Ermittlung der Netzspannung (U1) und/oder der Auskoppelimpedanz (Z1; C1) auswertet.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzen (Z2, Z3) des Spannungsteilers (4) von Kapazitäten (C2, C3) oder von Widerständen oder Induktivitäten gebildet sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) von einem Mikrocomputer gebildet ist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine insbesondere digitale Anzeigeeinheit zur visuellen, bevorzugt numerischen Anzeige der ermittelten Netzspannung (U1).
Kurzschlussanzeiger für Netzstationen in elektrischen Mittel- oder Hochspannungsnetzen, gekennzeichnet durch mindestens eine integrierte Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kurzschlussanzeiger nach Anspruch 5 in einer Ausgestaltung als Kurz- und Erdschluss-Richtungsanzeiger.