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Die Erfindung bezieht sich auf ein Fehlerüberwachungssystem für eine von einer Einspeisestelle z. B. eines Umspannwerks gespeiste Verteilnetzstation eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, wobei die Verteilnetzstation mindestens eine der Einspeisestelle zugewandte Eingangsseite mit einem zugehörigen eingangsseitigen Lastschalter und mindestens eine der Eingangsseite abgewandte Ausgangsseite mit einem zugehörigen ausgangsseitigen Lastschalter aufweist. Das Fehlerüberwachungssystem umfasst eine der Verteilnetzstation lokal zugeordnete Messeinrichtung zur Erfassung sowohl einer eingangsseitigen Lastflussinformation an der Eingangsseite der Verteilnetzstation als auch einer ausgangsseitigen Lastflussinformation an der Ausgangsseite der Verteilnetzstation. Bei der Lastflussinformation kann es sich insbesondere um eine Information über den elektrischen Stromfluss handeln, die optional von einer Information über die elektrische Spannung begleitet sein kann.
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Es ist bekannt, in Hochspannungsverteilnetzen, wie sie beispielsweise mit Spannungen zwischen 1 kV und 480 kV gängig sind, an einspeisenden Abgängen eines Umspannwerks Schutzgeräte vorzusehen, die bei einem erkannten Fehlerfall den betreffenden Abgang freischalten. Unter Freischaltung wird hierbei das Abschalten, d. h. Abkoppeln, des nachgelagerten Netzabschnitts von der Einspeisung verstanden. Auf diese Weise kann dann der Fehlerfall im nachgelagerten Netzabschnitt näher untersucht und behoben werden, um anschließend den betroffenen Netzabschnitt wieder an das speisende Umspannwerk anzukoppeln. Entsprechend sind derartige Schutzgeräte dafür ausgelegt, in der benötigen Weise elektrische Ströme, Spannungen und daraus abgeleitete Größen zu messen und zu berechnen sowie die betreffenden Ab- und Zuschaltvorgänge auszuführen.
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An die einspeisenden Abgänge eines Umspannwerks sind typischerweise sogenannte Verteilnetzstationen angekoppelt, bei denen es sich insbesondere um sogenannte Trafostationen handeln kann, die Mittelspannung in Niederspannung transformieren. Dabei sind meist eine Vielzahl von Verteilnetzstationen in offenen oder geschlossenen Ringkonfigurationen oder in Stichleitungskonfigurationen an das Umspannwerk bzw. dessen Einspeiseabgänge gekoppelt. Die einzelnen Verteilnetzstationen stehen über Kabel- oder Freileitungen miteinander bzw. mit den Einspeisestellen in Verbindung. Sowohl in den Verteilnetzstationen selbst als auch in den Kabel- oder Freileitungsverbindungen und in nachgelagerten Netzabschnitten der jeweiligen Verteilnetzstation zu Netzendverbrauchern können elektrische Fehler auftreten, vorliegend auch kurz als Fehler bezeichnet, die ein Abschalten des fehlerbehafteten Netzabschnitts erforderlich machen. Fehlertypen dieser Art sind insbesondere Kurzschlüsse, Erdkurzschlüsse und Erdschlüsse. Bei erkanntem Fehler wird zuerst der betroffene Netzabschnitt durch das zugehörige Schutzgerät an der Einspeisestelle freigeschaltet, d. h. von dieser abgekoppelt. Anschließend wird der Fehler innerhalb des abgekoppelten Netzabschnitts lokalisiert. Dazu werden sogenannte Kurzschluss- und Erdschlussanzeigegeräte eingesetzt, auch kurz als Kurzschluss- bzw. Erdschlussanzeiger bezeichnet. Derartige Geräte werden beispielsweise von der Anmelderin unter den Baureihenbezeichnungen IKI-20 und IKI20a vertrieben und sind dafür eingerichtet, zu erkennen, ob und wenn ja in welche Richtung ein entsprechender Fehlerstrom durch die Messtelle geflossen ist, bevor der betroffene Netzabschnitt an der Einspeisestelle abgekoppelt wurde. Die Kurzschluss- und Erdschlussanzeiger sind in der Lage, elektrische Ströme und elektrische Spannungen zu messen und die daraus zur Fehlererkennung erforderlichen, abgeleiteten Größen zu ermitteln. Um den Fehler möglichst selektiv zu orten, werden die Kurzschluss- bzw. Erdschlussanzeiger meist am Eingang und an dem oder den Ausgängen einer Trafostation bzw. Verteilnetzstation installiert.
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Für eine möglichst kontinuierliche Energieversorgung ist es wünschenswert, alle nicht vom Fehler betroffenen Netzabschnitte möglichst rasch wieder an das Umspannwerk ankoppeln zu können, insbesondere schon bevor der Fehler behoben ist. Dazu muss zunächst der fehlerbehaftete Netzabschnitt, d. h. insbesondere der entsprechende Kabel-/Leitungsabschnitt, selektiv und möglichst engmaschig herausgeschaltet werden, bevor die nicht betroffenen Netzabschnitte wieder an die Einspeisestelle angekoppelt werden können. Das selektive Herausschalten des fehlerbehafteten Abschnitts erfolgt über die Lastschalter an der Eingangsseite und/oder der Ausgangsseite der jeweiligen Verteilnetzstation. In heutzutage üblichen Fehlerüberwachungssystemen wird zuständigem Netzbetriebspersonal ein von einem Kurzschluss-/Erdschlussanzeiger erkannter Fehler vor Ort oder über eine Fernübertragungsstrecke ferngemeldet, woraufhin das Netzbetriebspersonal für eine ferngesteuerte oder vor Ort manuelle Lastschalter-Abschaltung an der entsprechenden Verteilnetzstation sorgt. Die Lastschalter dürfen nur bis zu einer zulässigen Grenzlast geschaltet werden, weshalb in einem Überlastfall bei einem aufgetretenen Fehler zunächst abgewartet wird, bis der Lastfluss über den Lastschalter nach Freischalten des betroffenen Netzabschnitts durch das zugehörige, vorgelagerte Schutzgerät unter die Grenzlast abgeklungen ist.
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Mögliche Schwierigkeiten dieser herkömmlichen Fehlerüberwachungssysteme liegen darin, dass meist nicht über alle Fehleranzeigen durch Fernübertragung informiert werden kann, da nicht überall die notwendige Kommunikationsinfrastruktur zur Verfügung steht, und dass das Betriebspersonal bis zur manuellen Freischaltung des fehlerbehafteten Netzabschnitts und der Wiederzuschaltung des fehlerfreien Netzabschnitts oftmals relativ viel Zeit benötigt, in der Energie hilfsweise aus Netzersatzanlagen geliefert werden muss, sofern diese verfügbar sind.
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Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Fehlerüberwachungssystems der eingangs genannten Art zugrunde, das die oben erwähnten Schwierigkeiten herkömmlicher Systeme ganz oder teilweise vermeidet.
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Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Fehlerüberwachungssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2. Erfindungsgemäß ist der jeweiligen Verteilnetzstation lokal eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der beiden an der Eingangs- bzw. Ausgangsseite der Verteilnetzstation vorgesehenen Lastschalter mindestens in Abhängigkeit von einer eingangsseitig erfassten Lastflussinformation und/oder einer ausgangsseitig erfassten Lastflussinformation zugeordnet.
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Beim System nach Anspruch 1 ist die Steuereinrichtung dafür ausgelegt, anhand der ihr von der Messeinrichtung zugeführten eingangsseitigen und ausgangsseitigen Lastflussinformationen zu ermitteln, ob ein Fehler vor der Eingangsseite der Verteilnetzstation, hinter der Ausgangsseite der Verteilnetzstation oder zwischen Eingangs- und Ausgangsseite vorliegt, und einen ermittelten Fehler vor der Eingangsseite als ein Abschaltkriterium für den eingangsseitigen Lastschalter heranzuziehen, einen ermittelten Fehler zwischen Eingangs- und Ausgangsseite als ein Abschaltkriterium für den eingangsseitigen und den ausgangsseitigen Lastschalter heranzuziehen und einen ermittelten Fehler hinter der Ausgangsseite als ein Abschaltkriterium nur für den ausgangsseitigen Lastschalter heranzuziehen.
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Unter dem Begriff Abschaltkriterium ist hierbei vorliegend zu verstehen, dass es sich um eine notwendige, aber nicht in jedem Fall hinreichende Bedingung für ein tatsächliches Abschalten des betreffenden Lastschalters handelt. Denn je nach Situation kann ein solches tatsächliches Abschalten des Lastschalters noch an ein oder mehrere weitere Abschaltkriterien bzw. Bedingungen gekoppelt sein.
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Diese Auslegung der Steuereinrichtung ermöglicht es dem System lokal und selbsttätig, abhängig vom erkannten Fehlerort vor, hinter oder innerhalb der Verteilstation den oder die Lastschalter abzuschalten, um nur einen möglichst kleinen Teil des betroffenen Netzabschnitts abzukoppeln und einen möglichst großen Teil des betroffenen Netzabschnitts schnellstmöglich wieder an die Einspeisestelle ankoppeln zu können. Manuelle Eingriffe durch Netzbetriebspersonal sind dazu ebenso wenig zwingend notwendig wie eine Fernmeldung eines von einer Verteilnetzstation erkannten Fehlers zu anderen Verteilnetzstationen oder anderweitigen Betriebsstätten des Energieversorgungsnetzes.
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Beim Fehlerüberwachungssystem nach Anspruch 2 ist die Steuereinrichtung dafür ausgelegt, anhand der ihr von der Messeinrichtung zugeführten eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Lastflussinformation zu ermitteln, ob und in welcher Entfernung ein Fehler vor der Eingangsseite der Verteilnetzstation vorliegt und/oder ob und in welcher Entfernung ein Fehler hinter der Ausgangsseite der Verteilnetzstation vorliegt, und einen ermittelten Fehler vor der Eingangsseite nur dann als ein Abschaltkriterium für den eingangsseitigen Lastschalter heranzuziehen, wenn die zugehörige Fehlerentfernung unter einem vorgebbaren Eingangsentfernungsgrenzwert liegt, und/oder einen ermittelten Fehler hinter der Ausgangsseite nur dann als ein Abschaltkriterium für den ausgangsseitigen Lastschalter heranzuziehen, wenn die zugehörige Fehlerentfernung unter einem vorgebbaren Ausgangsentfernungsgrenzwert liegt.
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Die so ausgelegte Steuereinrichtung ermöglicht ebenfalls eine selbsttätige und lokale Freischaltung, d. h. Abkopplung, eines möglichst kleinen, vom Fehler tangierten Netzabschnitts, und zwar in diesem Fall unter Ermittlung und Auswertung der Entfernung des Fehlerortes von der zugehörigen Verteilnetzstation. Dadurch kann beispielsweise eine unnötige Abschaltung unterbleiben, wenn die Steuereinrichtung feststellt, dass der Fehlerort weiter entfernt ist als eine nachgeordnete Verteilnetzstation, die in diesem Fall die Abschaltung vornehmen kann, so dass die Ankopplung der eigenen Verteilnetzstation an die Einspeisestelle von der Steuereinrichtung beibehalten wird. Analoges gilt für den von der Steuereinrichtung erkannten Fall, dass der Fehlerort in größerer Entfernung vor der eigenen Verteilnetzstation liegt als eine vorgelagerte Verteilnetzstation, die dann ihrerseits den Fehler erkennen und den betroffenen Netzabschnitt freischalten kann. Dazu kann in Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ein entsprechender Eingangsentfernungsgrenzwert und/oder Ausgangsentfernungsgrenzwert festgelegt sein. Im übrigen ergeben sich für die Auslegung gemäß Anspruch 2 die gleichen Vorteile, wie sie oben zur Auslegung gemäß Anspruch 1 erwähnt sind. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in der Steuereinrichtung beide Auslegungsmaßnahmen kombiniert.
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In einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Messeinrichtung und die Steuereinrichtung in ein gemeinsames, der Verteilnetzstation lokal zugeordnetes, d. h. am Ort der Verteilnetzstation installiertes Überwachungsgerät integriert.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung dafür ausgelegt, als Lastflussinformation eine Fehlerstrominformation und/oder eine Fehlerspannungsinformation zu erfassen. Die Erfassung erfolgt vorzugsweise richtungsselektiv, so dass erkannt werden kann, in welcher Richtung von der Messstelle sich ein aufgetretener Fehler befindet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung koppelt die Steuereinrichtung die Entscheidung darüber, ob der jeweilige Lastschalter tatsächlich abgeschaltet wird, zusätzlich an die detektierte Bedingung, dass der momentane Stromfluss einen zulässigen Laststrom-Grenzwert des Lastschalters nicht überschreitet. Damit vermeidet das System ein unerwünschtes Schalten des betreffenden Lastschalters unter Überlast. Die Steuereinrichtung wartet vielmehr ab, bis nach Abkopplung des betroffenen Netzabschnitts durch das Schutzgerät an der Einspeisestelle der Stromfluss über den Lastschalter an der Verteilnetzstation den vorgegebenen Grenzwert unterschritten hat.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuereinrichtung einen zusätzlichen, externen Eingang auf, über den ihr von außen eine Meldung über einen innerhalb der Verteilnetzstation erkannten Fehler zugeführt werden kann, wobei die Steuereinrichtung eine derartige Meldung als ein Abschaltkriterium sowohl für den eingangsseitigen als auch den ausgangsseitigen Lastschalter heranzieht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung für eine Verteilnetzstation, die über eine Hilfseinspeisung parallel zu einer Haupteinspeisung verfügt, ist der Hilfseinspeisung ein eingangsseitiger Reserve-Lastschalter zugeordnet, und die Steuereinrichtung ist dafür ausgelegt, einen ermittelten Fehler vor der Haupteinspeisungs-Eingangsseite oder hinter der Haupteinspeisungs-Ausgangsseite der Verteilnetzstation als ein Zuschaltkriterium für den eingangsseitigen Reserve-Lastschalter heranzuziehen. So kann das System wiederum lokal und selbsttätig die Verteilnetzstation von der Haupteinspeisung abkoppeln und an die Hilfseinspeisung ankoppeln, wenn die Steuereinrichtung der Verteilnetzstation das Auftreten eines Fehlers zwischen ihrer Verteilnetzstation und der zugehörigen Einspeisestelle detektiert.
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In einer Weiterbildung der Erfindung für eine Verteilnetzstation, die über einen Zusatzabgang vom Hauptstrang zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite verfügt, sind dem Zusatzabgang Mittel zur Lastflusserfassung und Fehlermeldung an die Steuereinrichtung zugeordnet, und die Steuereinrichtung ist dafür ausgelegt, eine von diesen Mitteln abgegebene Fehlermeldung als ein Ab- oder Zuschaltkriterium für den eingangsseitigen und/oder den ausgangsseitigen Lastschalter heranzuziehen. Damit eignet sich das System auch für Konfigurationen mit Abgangsverzweigungen in einer oder mehreren Verteilnetzstationen. In einer Ausgestaltung dieser Systemkonfiguration weisen die Mittel zur Lastflusserfassung und Fehlermeldung für den Zusatzabgang analog zum Hauptstrang eine Zusatz-Messeinrichtung und eine Zusatz-Steuereinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung des Hauptstrangs eine Abschaltinformation der Zusatz-Steuereinrichtung für den Zusatzabgang als ein Nichtabschaltkriterium für den eingangsseitigen und/oder den ausgangsseitigen Lastschalter heranzieht. Dadurch kann wiederum lokal und selbsttätig der Zusatzabgang bei einem aufgetretenen Fehler abgekoppelt werden und gleichzeitig die Eingangsseite und/oder die Ausgangsseite des Hauptstrangs der Verteilnetzstation angekoppelt bleiben.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild eines hier interessierenden Teils eines Energieversorgungsnetzes mit in einer geschlossenen Ringkonfiguration an eine Umspannwerk-Einspeisestelle angekoppelten Verteilnetzstationen und zugehörigem Fehlerüberwachungssystem,
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2 eine detailliertere Blockdiagrammdarstellung einer der Verteilnetzstationen von 1 mit zugeordnetem Fehlerüberwachungssystem,
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3 bis 5 Darstellungen entsprechend 1 für einen jeweiligen Fehlerfall mit unterschiedlichen Fehlerorten,
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6 eine Darstellung entsprechend 1 zur Veranschaulichung einer Fehlerentfernungsauswertefunktionalität des Fehlerüberwachungssystems,
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7 eine Darstellung entsprechend 1 für eine Variante mit offener Ringkonfiguration der Verteilnetzstationen und einer Hilfseinspeisung für eine der Verteilnetzstationen und
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8 eine Darstellung entsprechend 1 für eine Variante mit einer Abgangsverzweigung in einer der Verteilnetzstationen.
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Der in 1 gezeigte, hier interessierende Teil eines elektrischen Energieversorgungsnetzes beinhaltet ein übliches Umspannwerk mit einem Einspeiseabgang 1, an den in einer geschlossenen Ringstruktur 2 vier Verteilnetzstationen 2a, 2b, 2c, 2d, alternativ eine beliebige andere Anzahl von Verteilnetzstationen, angekoppelt sind. Die Ankopplung erfolgt an entsprechenden Ankoppelstellen 3a, 3b, an denen sich je ein Schutzgerät 4a, 4b befindet, die dafür ausgelegt sind, bei einem im Ring 2 auftretenden Fehler den Ring 2 vom Einspeiseabgang 1 des Umspannwerks wegzuschalten, d. h. abzukoppeln.
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Jede Verteilnetzstation 2a bis 2d beinhaltet eine dem Einspeiseabgang 1 zugewandte Eingangsseite 5 und eine davon abgewandte Ausgangsseite 6 sowie eine Ortsnetz-Trafoeinheit 7. Die Trafoeinheit 7 ist an eine Sammelschiene 8 gekoppelt, die einerseits über einen eingangsseitigen Lastschalter 9 mit der Eingangsseite 5 und über einen ausgangsseitigen Lastschalter 10 mit der Ausgangsseite 6 der Verteilnetzstation 2a bis 2d verbunden ist und andererseits hinter der Trafoeinheit 7 zu hier nicht gezeigten Niederspannungs-Netzendverbrauchern bzw. Endkunden des Energieversorgungsnetzes führt.
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Energieversorgungsnetze dieser Art dienen typischerweise der elektrischen Energieverteilung in entsprechenden Regionen. Sie sind üblicherweise als Mittelspannungsverteilnetze mit Spannungen im Bereich von 1 kV bis 52 kV ausgeführt, wobei das oder die Umspannwerke an ihrem Einspeiseabgang 1 eine Mittelspannung bereitstellen, die von den Verteilnetzstationen 2a bis 2d in Niederspannung transformiert wird. Für das gezeigte Energieversorgungsnetz ist ein erfindungsgemäßes Fehlerüberwachungssystem vorgesehen, das sich unter anderem dadurch auszeichnet, dass es die gewünschte selektive Abkopplung eines möglichst kleinen Netzabschnitts im Fehlerfall lokal und selbsttätig am Ort der jeweiligen Verteilstation 2a bis 2d vorzunehmen vermag.
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Dazu sind jeder Verteilnetzstation 2a bis 2d lokal eine Messeinrichtung 11a und eine Steuereinrichtung 11b zugeordnet, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in einem gemeinsamen Überwachungsgerät 11 integriert sind. Die Messeinrichtung 11a erfasst sowohl eine eingangsseitige Lastflussinformation an der Eingangsseite 5 der Verteilnetzstation als auch eine ausgangsseitige Lastflussinformation an der Ausgangsseite 6 der Verteilnetzstation. Die Steuereinrichtung 11b steuert die beiden Lastschalter 9, 10 der Verteilnetzstation in Abhängigkeit von der eingangsseitigen und der ausgangsseitigen Lastflussinformation sowie je nach Bedarf weiterer von ihr ermittelter oder ihr zugeführter Informationen.
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In 2 ist die Zuordnung der Fehlerüberwachungssystemkomponenten zur jeweiligen Verteilnetzstation 2a bis 2d am Beispiel der Station 2a näher veranschaulicht. In 2 sind alle drei Phasen des jeweiligen Kabel-/Leitungsstrangs einzeln gezeigt, d. h. des einen Hauptstrang bildenden Leitungsstrangs der Ringkonfiguration 2 sowie des in der jeweiligen Verteilnetzstation 2a bis 2d abgehenden Ortsnetzstrangs 8. Entsprechend sind die Lastschalter 9, 10 sowie ein eingangsseitiger Sensorteil 12 1 und ein ausgangsseitiger Sensorteil 12 2 der Messeinrichtung 11a zur jeweiligen Strom- und Spannungsmessung jedes Phasenleiters dreiphasig ausgelegt. In den übrigen Figuren ist lediglich zur Vereinfachung und besseren Übersichtlichkeit eine schematisiert einphasige Darstellung gewählt. Über den eingangsseitigen Lastschalter 9 sind die drei Phasen des Hauptstrangs an der Eintrittsseite 5 mit je einer Phase der Sammelschiene 8 verbunden, und analog ist der an der Ausgangsseite 6 abgehende Hauptstrang über den ausgangsseitigen Lastschalter 10 dreiphasig mit der Sammelschiene 8 verbunden. Außerdem ist die Trafoeinheit 7 über einen zugehörigen Trafoabgang 7a der über einen Last-/Koppelschalter verfügt, an die Sammelschiene 8 dreiphasig angeschlossen.
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Die Messeinrichtung 11a erfasst, wie dargestellt, phasenselektiv Lastflussinformationen sowohl an der Eingangsseite 5 vor dem zugehörigen Lastschalter 9 als auch an der Ausgangsseite 6 hinter dem ausgangsseitigen Lastschalter 10. Bei den Lastflussinformationen kann es sich insbesondere um Informationen über Richtung und Betrag des an der jeweiligen Messstelle fließenden elektrischen Stroms handeln, vorzugsweise ergänzt durch die Erfassung der auf der betreffenden Leitung anstehenden Spannung. Als Messeinrichtung 11a können die für diesen Zweck an sich bekannten Geräte verwendet werden, insbesondere eines der herkömmlichen Kurzschluss-/Erdschlussanzeigegeräte, wie sie eingangs erwähnt sind und unter anderem als Kurzschluss- und Erdschlussanzeiger in entsprechenden Baureihen von der Anmelderin vertrieben werden. Derartige Kurzschluss- und Erdschlussanzeiger sind zur entsprechenden Fehlererkennung eingerichtet, wozu sie die elektrischen Ströme und Spannungen messen und daraus abgeleitete Größen berechnen, soweit für die Fehlerdetektion erforderlich. Die Geräte erkennen daraus ob, und wenn ja in welche Richtung ein Fehlerstrom durch die überwachte Messstelle geflossen ist. In den Figuren ist durch eingangsseitige Stromrichtungsdreiecke 14a und ausgangsseitige Stromrichtungsdreiecke 14b im Rechtecksymbol der Überwachungsgeräte 11 jeweils die eingangsseitig bzw. ausgangsseitig detektierte Fehlerstromflussrichtung angezeigt.
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Darüber hinaus kann dieses solchermaßen feldübergreifend eingangsseitig und ausgangsseitig der Verteilnetzstation 2a erfassende Fehlerüberwachungssystem auch im fehlerfreien Zustand die Ströme und Spannungen jeweils dreiphasig eingangsseitig und ausgangsseitig ermitteln und damit jederzeit den Lastfluss in beide Richtungen bestimmen und überwachen. Hiermit ist es zudem möglich, Knotenpunkte sofort ohne übergeordnete Auswertung als Speisepunkte oder Verbraucher zu identifizieren und den Lastfluss aus oder in den Ring 2 zu bestimmen.
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Die Steuereinrichtung 11b ist dafür ausgelegt, anhand der ihr von der Messeinrichtung zugeführten Lastflussinformationen zu ermitteln, ob ein Fehler, insbesondere ein Kurzschluss-, Erdschluss- oder Erdkurzschlussfehler, vor der Eingangsseite 5 der Verteilnetzstation 2a bis 2d, zwischen der Eingangsseite 5 und der Ausgangsseite 6 der Verteilnetzstation 2a bis 2d oder hinter der Ausgangsseite 6 der Verteilnetzstation 2a bis 2d vorliegt. Weiter ist sie dafür ausgelegt, einen ermittelten Fehler vor der Eingangsseite 5 der Verteilnetzstation 2a bis 2d als ein Abschaltkriterium für den eingangsseitigen Lastschalter 9 heranzuziehen, einen ermittelten Fehler zwischen der Eingangsseite 9 und der Ausgangsseite 10 der Verteilnetzstation 2a bis 2d als ein Abschaltkriterium für den eingangsseitigen und den ausgangsseitigen Lastschalter 9, 10 heranzuziehen und einen ermittelten Fehler hinter der Ausgangsseite 10 der Verteilnetzstation 2a bis 2d als ein Abschaltkriterium nur für den ausgangsseitigen Lastschalter 10 heranzuziehen. Je nach Anwendungsfall und weiterer Systemauslegung veranlasst die Steuereinrichtung ein tatsächliches Abschalten, d. h. Öffnen, des oder der betreffenden Lastschalter, wenn eines der genannten Abschaltkriterien und optional eine oder mehrere weitere Abschaltbedingungen vorliegen. Die Ansteuerung der beiden Lastschalter 9, 10 durch die Steuereinrichtung 11b ist in 2 durch eine jeweilige Ansteuerleitung 13a, 13b veranschaulicht.
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Im gezeigten Beispiel von 1 ist jede Verteilnetzstation 2a bis 2d mit dem erfindungsgemäßen Fehlerüberwachungssystem ausgerüstet, wie vorstehend exemplarisch unter Bezugnahme auf 2 für die Verteilnetzstation 2a erläutert. Alternativ kann auch nur ein Teil aller an den Einspeiseabgang 1 des Umspannwerks angekoppelten Verteilnetzstationen mit dem erfindungsgemäßen Fehlerüberwachungssystem ausgerüstet sein. Die 3 bis 5 veranschaulichen unter exemplarischer Bezugnahme auf die Verteilnetzstation 2a drei mögliche und vom erfindungsgemäßen Fehlerüberwachungssystem diskriminierbare und unterschiedliche behandelte Fehlerfälle mit unterschiedlichen Fehlerorten.
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3 veranschaulicht den Fall eines auftretenden Fehlers 15a im Ring-Hauptstrang zwischen der Verteilnetzstation 2a und der nachfolgenden Verteilnetzstation 2b. Bei Auftritt des Fehlers 15a wird zunächst der Ring 2 vom Einspeiseabgang 1 freigeschaltet, indem die Schutzgeräte 4a, 4b die Ankopplung trennen. Durch den Fehler 15a in Form eines Kurzschluss-, Erdkurzschluss- oder Erdschlussfehlers detektieren die Überwachungsgeräte 11, dass ein erhöhter Fehlerstrom vom Einspeiseabgang 1 zum Ort des Fehlers 14a geflossen ist, zum einen von der Ankoppelstelle 3a über die Verteilnetzstation 2a und zum anderen über die Ankoppelstelle 3b und die Verteilnetzstationen 2d, 2c und 2b, wie durch die Fehlerstrom-Richtungsdreiecke 14a, 14b in den Überwachungsgeräten 11 symbolisiert.
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Zur Abkopplung minimal nur des vom Fehler 15a betroffenen Kabel-/Leitungsabschnitts zwischen der Verteilnetzstation 2a und der Verteilnetzstation 2b wertet die Steuereinrichtung 11b der Verteilnetzstation 2a den hinter der Ausgangsseite 6 detektierten Fehler 15a als Abschaltkriterium nur für den zugeordneten ausgangsseitigen Lastschalter 10, und die Steuereinrichtung 11b der Verteilnetzstation 2b wertet den vor der Eingangsseite 5 ihrer Verteilnetzstation 2b erkannten Fehler 15a als Abschaltkriterium nur für den zugeordneten eingangsseitigen Lastschalter 9, wie in 3 jeweils durch einen Ansteuerpfeil und eine offene Schalterstellung symbolisiert. Die übrigen, im Ring 2 liegenden Lastschalter können geschlossen bleiben. So können unverzüglich durch Wiederankoppeln des Rings 2 mittels Schließen der Schalter in den Schutzgeräten 4a, 4b wieder alle Verteilnetzstationen 2a bis 2d gespeist werden, die Verteilnetzstation 2b hierbei von ihrer Ausgangsseite 6 her, wobei der Ring durch Herausschalten lediglich des Strangabschnitts zwischen den beiden Verteilnetzstationen 2a und 2b geöffnet ist. Nach erfolgter Fehlerreparatur kann dann durch Schließen der beiden in 3 geöffnet gezeigten Lastschalter (10 in Station 2a und 9 in Station 2b) der Ring 2 wieder geschlossen werden.
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4 veranschaulicht das Auftreten eines Fehlers 15b im Ringabschnitt zwischen der Verteilnetzstation 2a und der Ankoppelstelle 3a des Einspeiseabgangs 1, d. h. vor der Eingangsseite 5 der Verteilnetzstation 2a. Dies bedeutet einen erhöhten Fehlerstrom von der Ankoppelstelle 3b über die vier Verteilnetzstationen 2d, 2c, 2b und 2a zum Ort des Fehlers 15b, wie durch die entsprechend gerichteten Fehlerstrom-Richtungsdreiecke 14a, 14b symbolisiert. Die Steuereinrichtung 11b der Verteilnetzstation 2a wertet diesen Fehler 15b vor der Eingangsseite 5 ihrer Verteilnetzstation 2a als Abschaltkriterium nur für den zugehörigen eingangsseitigen Lastschalter 9, wie in 4 durch die geöffnete Schalterstellung symbolisiert. Die übrigen Lastschalter im Ring 2 können geschlossen bleiben, so dass gezielt nur der vom Fehler 15b tangierte Kabel-/Leitungsabschnitt zwischen der Ankoppelstelle 3a und der Verteilnetzstation 2a weggeschaltet wird und nach Wiederankopplung des Rings 2 auch in diesem Fall wieder alle vier Verteilnetzstationen 2a bis 2d über den offenen Ring von der Ankoppelstelle 3b her gespeist werden können. Nach Behebung des Fehlers 15b wird dann der eingangsseitige Lastschalter 9 der Verteilnetzstation 2a und damit der Ring insgesamt wieder geschlossen.
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5 veranschaulicht das Auftreten eines Fehlers 15c in einer der Verteilnetzstationen 2a bis 2d, exemplarisch wiederum unter Heranziehung der Verteilnetzstation 2a. Mit der Charakterisierung „in der Verteilnetzstation” ist dabei zu verstehen, dass der Fehler 15c an irgendeiner beliebigen Stelle am Ort der Verteilnetzstation 2a selbst oder entlang der Sammelschiene 8 auftritt. In diesem Fehlerfall detektieren die Überwachungsgeräte 11 der anderen Verteilstationen 2d, 2c, 2b einen erhöhten Lastfluss bzw. Fehlerstrom in Richtung der fehlerbehafteten Verteilnetzstation 2a, während das Überwachungsgerät 11 der fehlerbehafteten Verteilnetzstation 2a einen erhöhten Lastfluss zum einen von der Eingangsseite 5 und zum anderen von der Ausgangsseite 6 her in die Verteilnetzstation 2a detektiert, wie wiederum durch die entsprechend gerichteten Fehlerstrom-Richtungsdreiecke symbolisiert. Die Steuereinrichtung 11b der defektbehafteten Verteilnetzstation 2a wertet diesen detektierten Fehler 15c als ein Abschaltkriterium sowohl für den eingangsseitigen als auch den ausgangsseitigen Lastschalter 9, 10 ihrer Verteilnetzstation 2a, wie in 5 durch die geöffneten Schalterstellungen symbolisiert. Die übrigen Lastschalter im Ring 2 können geschlossen bleiben, so dass nur die fehlerbehaftete Verteilnetzstation 2a für die Dauer der Fehlerbehebung freigeschaltet bleibt, während die übrigen Verteilnetzstationen 2b, 2c, 2d über die entsprechend geöffnete Ringkonfiguration 2 weitergespeist werden können.
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5 veranschaulicht darüber hinaus eine Systemvariante, bei der die Steuereinrichtung 11b über einen externen Fehlerinformationseingang 16 verfügt, über den ihr zusätzlich zu den Informationen der Messeinrichtung 11a eine Meldung von außen über eine Störung bzw. einen Fehler in der Verteilnetzstation 2a zugeführt werden kann. Das tatsächliche Abschalten der beiden Lastschalter 9, 10 kann die Steuereinrichtung 11b dann vom Vorliegen dieser externen Fehlermeldung als ein weiteres Abschaltkriterium abhängig machen. Im gezeigten Beispiel von 5 sind extern vom Überwachungsgerät 11 zwei weitere Messeinrichtungen 17a, 17b analog zur Messeinrichtung 11a vorgesehen, von denen die Messeinrichtung 17a eine etwaige Störung in oder an der Trafoeinheit 7 und die Messeinrichtung 17b eine etwaige Störung an einem zusätzlichen Abgang 18 der Sammelschiene 8 detektiert und dem Überwachungsgerät 11 über eine entsprechende Signalverbindungsleitung 19 meldet. Wenn und soweit ein solcher störungsbehafteter Abschnitt der Verteilnetzstation 2a bzw. eines Ortsnetzabgangs derselben über einen eigenen Lastschalter verfügt, kann in entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, durch Öffnen nur dieses betreffenden Lastschalters den störungsbehafteten Abschnitt freizuschalten, wodurch die im Ring-Hauptstrang 2 liegenden Lastschalter 9, 10 der Verteilnetzstation 2a und daher die Ringstruktur der Verteilnetzstationen 2a bis 2d geschlossen gehalten werden kann. Die Detektion und Meldung einer derartigen internen Störung in einer der Verteilnetzstationen 2a bis 2d kann alternativ zu den der Messeinrichtung 11a entsprechenden Messeinrichtungen 17a, 17b auch durch andere, für diesen Zweck an sich bekannte Geräte erfolgen, wie entsprechende Fehler- oder Schutzrelais.
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Weiter veranschaulicht 5 eine Systemvariante, bei der die Steuereinrichtung 11b einen zusätzlichen externen Fehlermeldeeingang 20 aufweist, über den sie eine zusätzliche Fehlermeldung empfangen kann, die dem Fehlerüberwachungssystem eindeutig einen internen Fehler der Verteilnetzstation 2a signalisiert. Die Steuereinrichtung 11b kann in diesem Fall diese weitere externe Fehlermeldung als zusätzliches Abschaltkriterium heranziehen, von der sie die Abschaltung des eingangsseitigen und/oder ausgangsseitigen Lastschalters 9, 10 abhängig macht. Eine solche Fehlermeldung kann beispielsweise von einem herkömmlichen Störlichtbogenbegrenzer oder einem herkömmlichen Teilentladungsmessgerät stammen, das in der Verteilnetzstation 2a angeordnet ist. In weiteren alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die dem Überwachungsgerät 11 von extern zugeführte Fehlermeldung über einen eindeutigen internen Fehler auch dahingehend gewertet werden, dass bereits diese Fehlermeldung eine Freischaltung der Verteilnetzstation 2a über den eingangsseitigen und den ausgangsseitigen Lastschalter 9, 10 erzwingt, auch wenn das oder die anderen Abschaltkriterien nicht vorliegen oder nicht zuverlässig ermittelt werden konnten.
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Wie oben anhand der 3 bis 5 erläutert, ist das Überwachungsgerät 11 des Fehlerüberwachungssystems für die jeweilige Verteilnetzstation 2a bis 2d in der Lage, zu erkennen, ob sich ein Fehler vor, in oder hinter der Verteilnetzstation 2a bis 2d befindet. Bei hinter der Station 2a bis 2d liegendem Fehler schaltet das Fehlererfassungssystem gezielt den ausgangsseitigen Lastschalter 10 ab, wobei das Fehlererfassungssystem für die Fehlerströme auf der Eingangs- und der Ausgangsseite eine eindeutige Richtung erkennt. Die Redundanz der Fehlermessung auf der Eingangs- und der Ausgangsseite dient als notwendige Bedingung für die Freischaltung und ist eine Bestätigung dafür, dass der Fehler nicht innerhalb der Station 2a bis 2d liegt. In einem als geschlossener Ring 2 betriebenen Verteilnetz bzw. einem Verteilnetz mit zweiseitiger Einspeisung, wie in den 3 bis 5, schaltet das Fehlerüberwachungssystem hingegen gezielt nur den eingangsseitigen Lastschalter 9 ab, wenn detektiert wird, dass der Fehlerort vor der Eingangsseite 5 der Station 2a bis 2d liegt. Auch hierbei dient wiederum die Redundanz der Fehlermessung auf der Eingangs- und der Ausgangsseite als notwendige Abschaltbedingung und als Bestätigung dafür, dass der Fehler nicht in der Station 2a bis 2d selbst liegt.
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In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung erfasst das Fehlerüberwachungssystem zudem die Entfernung des Fehlerorts von der Verteilnetzstation 2a bis 2d, um ein entsprechendes Abschaltkriterium für den eingangsseitigen und/oder den ausgangsseitigen Lastschalter 9, 10 unter zusätzlicher Berücksichtigung dieser Information zu bilden. Dies ist in 6 für den Fehlerfall des Fehlers 15a zwischen den beiden Verteilnetzstationen 2a und 2b veranschaulicht. Das Fehlerüberwachungssystem der Verteilnetzstation 2a ermittelt eine Distanz D1 zum Fehlerort, das Fehlerüberwachungssystem der Verteilnetzstation 2b eine Distanz D2 zum Fehlerort. Beide ermittelte Distanzen D1, D2 sind kleiner als der Abstand der beiden Verteilnetzstationen 2a, 2b voneinander, da der Fehler 15a zwischen beiden liegt. Die beiden übrigen Verteilnetzstationen 2c, 2d detektieren hingegen deutlich größere Fehlerabstände ihrer Verteilnetzstationen 2c, 2d vom Ort des Fehlers 15a, die mindestens größer als die gegenseitigen Abstände DS der Verteilnetzstationen 2a bis 2d sind.
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Die Steuereinrichtungen 11b sind passend dazu so ausgelegt, dass sie als alleiniges oder zusätzliches Abschaltkriterium eine tatsächliche Abschaltung eines der Lastschalter 9, 10 ihrer zugehörigen Verteilnetzstation 2a bis 2d nur dann veranlassen, wenn die detektierte Fehlerentfernung unterhalb eines vorgebbaren Entfernungsgrenzwertes liegt. Dieser Grenzwert kann bei Bedarf für die Eingangsseite als ein Eingangsentfernungsgrenzwert und für die Ausgangsseite als ein Ausgangsentfernungsgrenzwert unterschiedlich vorgegeben werden. Zweckmäßigerweise wird der Grenzwert jeweils höchstens etwa so groß gewählt wie die Entfernung der Verteilnetzstation 2a bis 2d zu einer im Verteilnetz vorhergehenden bzw. nachfolgenden Verteilnetzstation mit implementierter Lastschalter-Abschaltfunktion. Mit dieser Systemimplementierung wird in den Beispielfällen der 3 bis 5 jeweils erreicht, dass die Lastschalter aller Verteilnetzstationen, die dem Fehlerort nicht direkt benachbart sind, sondern bei denen sich noch mindestens eine weitere Verteilnetzstation zwischen ihr und dem Fehlerort befindet, nicht abgeschaltet werden und daher auch während der Fehlerbehebung weitergespeist werden können.
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Die Fehlerentfernungsdetektion kann in einer herkömmlichen Weise zum Beispiel anhand einer Berechnung des Fehlerwiderstandes erfolgen, der sich aus dem gemessenen Fehlerstrom und der zugehörig erfassten Spannung ergibt. Aus dem Fehlerwiderstand und der dem System bekannten bzw. im Fehlerüberwachungssystem hinterlegten Leitungsreaktanz lässt sich die Fehlerentfernung bestimmen.
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7 zeigt eine Systemvariante für eine modifizierte, offene Ringstruktur mit geöffnetem ausgangsseitigem Lastschalter 10 der Verteilnetzstation 2c als einer Ringtrennstelle 28. Zudem ist in dieser Systemvariante außer dem Ring als Haupteinspeisung eine Hilfseinspeisung 21 über eine weitere Ankoppelstelle 3c des Einspeiseabgangs 1 mit zugeordnetem Schutzgerät 4c vorgesehen. Das Fehlerüberwachungssystem weist in diesem Fall für die Verteilnetzstation 2b ein Zusatz-Überwachungsgerät 11' gleicher Art wie das Überwachungsgerät 11 auf, durch das ein eingangsseitiger Reserve-Lastschalter 22 der Hilfseinspeisung 21 und ein Lastschalter der Ortsnetztrafoeinheit 7 angesteuert werden. Die beiden Überwachungsgeräte 11, 11' stehen miteinander über eine Leitung 24 in Signalaustauschverbindung.
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Im Normalbetrieb wird die Verteilnetzstation 2b über die Haupteinspeisung versorgt, und der Reserve-Lastschalter 22 ist geöffnet. Wenn im Fehlerfall entsprechend 3, wie er in 7 gezeigt ist, die Verteilnetzstation 2b durch Öffnen ihres eingangsseitigen Lastschalters 9 vom Ring-Hauptstrang für mehr als eine vorgebbare Zeitdauer abgekoppelt bleiben muss, kann das Überwachungsgerät 11 eine entsprechende Signalinformation an das Überwachungsgerät 11' senden, woraufhin dieses bei fehlerfreier Trafoeinheit 7 durch Schließen des Reserve-Lastschalters 22 eine Hilfsversorgung der Verteilnetzstation 2b über die Hilfseinspeisung 21 bewirken kann. Auf diese Weise wird eine automatische Einspeiseumschaltung für und innerhalb der Verteilnetzstation 2b ohne übergeordnete Intelligenz bzw. Steuerungsmaßnahmen erzielt.
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8 zeigt eine weitere Systemvariante eines als offener oder geschlossener Ring konfigurierbaren Verteilnetzes, bei dem wenigstens eine der Verteilnetzstationen 2a bis 2d des Rings 2, hier exemplarisch die Verteilnetzstation 2c, über einen Zusatz-Abgang 25 ihres Ortsnetzstrangs 8 zwischen Eingangsseite 5 und Ausgangsseite 6 des Ring-Hauptstrangs zu einer weiteren Verteilnetzstation 2e verfügt. Der weiteren, in einer Dreibein-Konfiguration angekoppelten Verteilnetzstation 2e ist vorzugsweise ein eigenes Überwachungsgerät 11'' nach Art der Überwachungsgeräte 11 zugeordnet, das einen entsprechenden Zusatz-Lastschalter 26 der zusätzlichen Station 2e ansteuert. Wenn ein Fehler 15d wie gezeigt im Bereich der zusätzlichen Verteilnetzstation 2e auftritt, wird zunächst von den Überwachungsgeräten 11 der im Ring 2 befindlichen Verteilnetzstationen 2a bis 2d erkannt, dass der Fehler nicht im Ring 2 liegt. Durch das Zusatz-Überwachungsgerät 11'' wird erkannt, dass der Fehler 15d im Zusatz-Abgang 25 liegt. Das Überwachungsgerät 11'' kann daraufhin den zugehörigen Lastschalter 26 öffnen, um die zusätzliche Verteilnetzstation 2e freizuschalten. Über eine Kommunikationsverbindung 27 kann sie eine entsprechende Meldung an die Verteilnetzstation 2c übertragen, an die sie angekoppelt ist. Das Fehlerüberwachungssystem der Verteilnetzstation 2c kann diese eingehende Meldung dazu nutzen, eine Freischaltung ihrer Station 2c aufgrund des detektierten Fehlers zu unterlassen, so dass die Station 2c weitergespeist werden kann. Dies gewährleistet, dass keine der im Ring 2 liegenden Verteilnetzstationen 2a bis 2d aufgrund eines Fehlers in einer nachgelagerten Verteilnetzstation, wie der Station 2e, freigeschaltet werden muss.
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Wie die obige Beschreibung deutlich macht, ist das erfindungsgemäße Fehlerüberwachungssystem in der Lage, selbsttätig, lokal und autark ohne zwingende Notwendigkeit übergeordneter Steuerungsmaßnahmen oder Fernmeldungsaktivitäten in einem Fehlerfall nur einen minimalen Teil des Verteilnetzes freizuschalten, so dass möglichst viele Verteilnetzstationen bis zur Behebung des Fehlers weitergespeist werden können. Es versteht sich, dass auf Wunsch die erwähnten Schaltmaßnahmen zusätzlich mit einem eindeutigen Befehl von einer Leitwarte verknüpft werden können oder erst vorgenommen werden, wenn ein solcher nicht empfangen wird. Zweckmäßigerweise erfolgt die Abschaltung am jeweiligen Lastschalter 9, 10 der Verteilnetzstationen 2a bis 2d immer erst dann, wenn ein übermäßiger Fehlerstrom über den Lastschalter 9, 10 bis auf einen zulässigen Grenzwert abgeklungen ist, nachdem der betreffende Strang durch das zugehörige Schutzgerät an der Ankoppelstelle zum Einspeiseabgang 1 des Umspannwerks kurzzeitig abgekoppelt wurde. Für den Schaltvorgang der Lastschalter 9, 10 können in an sich bekannter Weise motorische Antriebe genutzt werden, die bis zu einer gewissen Maximallast, jedoch nicht im Kurzschlussfall geschaltet werden können. Alternativ kann auf Energiespeicher zurückgegriffen werden, die eingangsseitig und/oder ausgangsseitig eingebaut sind und nur eine Abschaltung bzw. Freischaltung des Lastschalters ermöglichen.
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Beim erfindungsgemäßen Fehlerüberwachungssystem handelt es sich um ein sogenanntes feldübergreifendes Überwachungssystem, bei dem im Gegensatz zu bekannten, nicht feldübergreifenden Systemen die Überwachungsgeräte der verschiedenen Verteilnetzstationen nicht zwingend durch Kommunikationsschnittstellen vernetzt sein müssen, um die jeweilige Schaltbedingung abzuleiten. Dies spart neben Verkabelungs- und Platzaufwand vor allem zusätzlichen Aufwand für übergeordnete Intelligenz, die entweder in der Station mittels zusätzlicher Geräte oder in einer Leitwarte realisiert werden muss. Mit der feldübergreifenden, d. h. an zwei oder mehr Eingangs-, Ausgangs- bzw. Abgangsfeldern stattfindenden, Fehler-/Lastflussermittlung der Erfindung wird die Auswertung des Fehlerbildes und des Lastflussknotenpunktes erheblich vereinfacht, so dass bereits innerhalb der jeweiligen Verteilnetzstation Informationen dezentral ausgewertet und Schaltmaßnahmen abgeleitet werden können, ohne dazu zwingend eine Fernübertragung oder Fernsteuerung zu erfordern.
