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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Schutz von Stromverteilungsnetzen und insbesondere richtungsbezogene zonenselektive Verriegelung für Stromunterbrecher in einem Stromverteilungsnetz.
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Der zonenselektive Schutz, der auch als zonenselektive Verriegelung (ZSI: Zone Selectivity Interlock) bezeichnet wird, ist ein Verfahren zum Verringern der Auswirkungen auf die verschiedenen Stromverteilungsvorrichtungen in einem Stromverteilungsnetz im Fall eines Kurzschlussfehlers, indem die zum Beseitigen des Fehlers benötigte Zeit so weit wie möglich verkürzt wird. Genauer gesagt: nimmt man an, dass ein Fehler in einem Mehrebenen-Stromverteilungsnetz auftritt, das durch eine einzige Stromquelle versorgt wird; dann muss jeder Stromunterbrecher, der den Fehler detektiert, Detektion des Fehlers an seinen höher gelegenen Stromunterbrecher melden, d.h. ein Verriegelungssignal senden. Somit werden nur die Stromunterbrecher, die keine Meldung empfangen, als die dem Fehlerpunkt nächstliegenden Stromunterbrecher bestimmt und implementieren augenblicklichen Schutz (z.B. Verzögerungszeit t = 50 ms), d.h. sie führen eine Unterbrechungsaktion mit der kürzesten Verzögerungszeit aus. Die Stromunterbrecher, die ein Verriegelungssignal empfangen, führen getimten Schutz aus, was auch als „Verriegelung“ bezeichnet wird. Mit getimtem Schutz oder Verriegeln ist Folgendes gemeint: Wenn ein Fehler immer noch nicht beseitigt wurde, nachdem eine vorbestimmte Verzögerungszeit (z.B. 100 ms) abgelaufen ist (z.B. wenn die Schutzaktion eines Stromunterbrechers, der dem Fehlerpunkt näher ist, fehlgeschlagen ist), öffnet sich der betreffende Stromunterbrecher; andernfalls hält er die Verbindung aufrecht. Es ist ersichtlich, dass ZSI Stromunterbrechern ermöglicht, selektive Schutzaktionen durchzuführen, wenn Fehler auftreten.
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Im Fall von Stromverteilungsnetzen mit mehreren Stromquellen ist die oben beschriebene simple ZSI aufgrund der zunehmenden Komplexität des Stromverteilungsnetzes nicht mehr geeignet. Angesichts dessen wird das Konzept der richtungsbezogenen zonenselektiven Verriegelung (DZSI: Directional Zone Select Interlock) vorgeschlagen, mit dem folgenden Grundprinzip: Ein Fehlerpunkt wird auf der Basis von Korrelationen zwischen den Stromflussrichtungen durch die verschiedenen Stromunterbrecher identifiziert, wenn ein Fehler auftritt, und die Aktionsverzögerungszeiten der verschiedenen Stromunterbrecher werden dann bestimmt, um den identifizierten Fehler zu beseitigen. Der Vorteil hiervon ist, dass selektiver Schutz zuverlässiger realisiert werden kann, selbst wenn das Netz mehrere Stromquellen oder eine aktive Last enthält.
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Bei der richtungsbezogenen zonenselektiven Verriegelung wird die genaue Bestimmung der Richtung von durch einen Stromunterbrecher fließendem Strom, wenn ein Fehler auftritt, zu einem Schlüsselproblem. Im Stand der Technik wird im Allgemeinen für jeden Stromunterbrecher zuerst eine vorbestimmte Stromreferenzrichtung gesetzt. Als nächstes wird zur Bestimmung, ob die Stromrichtung zum derzeitigen Zeitpunkt dieselbe wie die Stromreferenzrichtung ist, durch Berechnung das Vorzeichen (positiv oder negativ) der aktiven Leistung gefunden. Die aktive Leistung kann unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden.
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Dabei ist P
m die aktive Leistung der Phase m und m = 1, 2 oder 3;
N ist die Gesamtzahl der Abtastpunkte in einem halben Leistungszyklus; bei einer Leistungsfrequenz von 50 Hz beträgt die Hälfte eines Leistungszyklus zum Beispiel 10 ms;
k zählt die Abtastpunkte in der Hälfte eines Leistungszyklus (0 ≤ k ≤ N);
ist die Abtastspannung der Phase m zur Neutralleitung am Abtastpunkt k;
ist der Abtaststrom der Phase m am Abtastpunkt k;
V ist der Effektivwert der Spannung der Phase m zur Neutralleitung über einen Leistungszyklus;
I ist der Effektivwert des Stroms der Phase m über einen Leistungszyklus;
φ
m ist der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung für Phase m.
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Die aktive Leistung Pm kann unter Verwendung der obigen Formel berechnet werden. Wenn das berechnete Pm positiv ist, zeigt dies an, dass der durch den Stromunterbrecher zum derzeitigen Zeitpunkt fließende Strom in derselben Richtung wie die Stromreferenzrichtung, d.h. „vorwärts“ ist. Wenn das berechnete Pm negativ ist, zeigt dies an, dass der durch den Stromunterbrecher zum derzeitigen Zeitpunkt fließende Strom in der entgegengesetzten Richtung zu der Stromreferenzrichtung, d.h. „rückwärts“ ist.
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Wenn ein solches Verfahren zum Bestimmen der Stromrichtung verwendet wird, hängt die zum Bestimmen der Stromrichtung in Anspruch genommene Zeit zu einem sehr großen Grad von der Frequenz der Stromquelle ab. Wenn zum Beispiel die Stromquellenfrequenz 50 Hz ist, müssen Abtastwerte über die Hälfte eines Zyklus erhalten werden, bevor die Stromrichtung bestimmt werden kann, so dass die in Anspruch genommene Zeit theoretisch mindestens 10 ms ist. In der Praxis ist unter Berücksichtigung des Effekts des Kurzschlussstrom-Transientenansprechverhaltens die in Anspruch genommene Zeit zum Bestimmen der Stromrichtung im Allgemeinen länger als der theoretische Wert von 10 ms, z.B. 15 ms (dies ist der Wert, der erhalten wird, wenn Filterparameter optimiert sind, um die Auswirkung des Kurzschlussstrom-Transientenansprechverhaltens zu minimieren).
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung von durch einen Stromunterbrecher fließendem Strom vorzuschlagen, wobei die Verwendung dieses Verfahrens und dieser Vorrichtung ermöglicht, dass die zum Bestimmen der Stromrichtung in Anspruch genommene Zeit von der Stromquellenfrequenz unabhängig gemacht wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verkürzung der zum Bestimmen der Stromrichtung in Anspruch genommene Zeit, um so richtungsbezogenen zonenselektiven Schutz (DZSI) sobald wie möglich zu aktivieren. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Realisierung der Bestimmung der Stromrichtung mit so wenig Berechnung wie möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Richtung von durch einen Stromunterbrecher fließendem Strom vor, wobei der Stromunterbrecher eine vorbestimmte Stromreferenzrichtung aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Erhalten eines Abtastwerts von durch den Stromunterbrecher fließendem Strom und eines Differenzwerts von Strom; Erhalten eines Abtastwerts von Spannung an dem Stromunterbrecher; auf der Basis einer Beziehung zwischen Spannung und Strom in einer Ersatzschaltung, in der der Stromunterbrecher am derzeitigen Zeitpunkt und an einem vorherigen Zeitpunkt liegt, Erhalten eines Ersatzwiderstands R und einer Ersatzinduktivität L in der Ersatzschaltung; wenn der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L beide größer als 0 sind, Bestimmen, dass die Richtung von durch den Stromunterbrecher fließendem Strom dieselbe wie die Stromreferenzrichtung ist, und wenn der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L beide kleiner als 0 sind, Bestimmen, dass die Richtung von durch den Stromunterbrecher fließendem Strom der Stromreferenzrichtung entgegengesetzt ist. Vorzugsweise ist der Differenzwert von Strom ein Vorwärts-Differenzwert oder ein Rückwärts-Differenzwert. Besonders bevorzugt ist der Differenzwert von Strom der Mittelwert eines Vorwärts-Differenzwerts und eines Rückwärts-Differenzwerts.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der vorherige Zeitpunkt der Abtastzeitpunkt, der dem derzeitigen Abtastzeitpunkt unmittelbar vorausgeht, und die Beziehung zwischen Spannung und Strom in der Ersatzschaltung am derzeitigen Abtastzeitpunkt ist u(tn) = R × i(tn) + L × i'(tn) die Beziehung zwischen Spannung und Strom in der Ersatzschaltung am vorherigen Abtastzeitpunkt ist u(tn-1) = R × i(tn-1) + L × i'(tn-1) dabei ist R der Ersatzwiderstand in der Ersatzschaltung, in der der Stromunterbrecher liegt;
L ist die Ersatzinduktivität in der Ersatzschaltung, in der der Stromunterbrecher liegt;
i(t) ist der Abtastwert von durch den Stromunterbrecher zum Zeitpunkt t fließendem Strom und i’(t) ist der Differenzwert von Strom zum Zeitpunkt t;
u(t) ist der Abtastwert von Spannung am Stromunterbrecher zum Zeitpunkt t;
tn ist die Zeit des derzeitigen n-ten Abtastpunkts, tn-1 die Zeit des (n – 1)-ten Abtastpunkts und n ist eine ganze Zahl größer als null.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Differenzwert i’(t) des Stroms der Mittelwert eines Vorwärts-Differentials und eines Rückwärts-Differentials, so dass
ist, wobei ΔT das Abtastintervall für die Abtastwerte des Stroms i(t) ist.
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Vorzugsweise umfasst der Schritt des Erhaltens des Ersatzwiderstands R und der Ersatzinduktivität L in der vorliegenden Schaltung ferner Erhalten der Vorzeichen positiv/negativ des Zählers und Nenners in den Brüchen, die den Ersatzwiderstand R bzw. die Ersatzinduktivität L bilden; auf der Basis der Vorzeichen des relevanten Zählers und Nenners, Bestimmen der Vorzeichen positiv/negativ des Ersatzwiderstands R und der Ersatzinduktivität L, die erhalten werden.
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Bei einer Ausführungsform werden der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L gemäß den folgenden Formeln erhalten:
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Besonders bevorzugt wird, wenn die bestimmten Stromrichtungen für N aufeinanderfolgende Zeitpunkte alle gleich sind, bestimmt, dass die erhaltene Stromrechnung die Richtung von aktuell durch den Stromunterbrecher fließendem Strom ist, wobei N eine positive ganze Zahl kleiner oder gleich 10, zum Beispiel N = 3, ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung von durch einen Stromunterbrecher fließendem Strom, so wie sie in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, eine Strombeschaffungseinheit zum Erhalten eines Abtastwerts von durch den Stromunterbrecher fließendem Strom und eines Differenzwerts von Strom; eine Spannungsbeschaffungseinheit zum Erhalten eines Abtastwerts einer Spannung an dem Stromunterbrecher; eine Ersatzimpedanz-Berechnungseinheit zum Erhalten eines Ersatzwiderstands R und einer Ersatzinduktivität L in einer Ersatzschaltung, in der der Stromunterbrecher liegt, auf der Basis einer Beziehung zwischen Spannung und Strom in der Ersatzschaltung an dem derzeitigen Zeitpunkt und an einem vorherigen Zeitpunkt; und eine Bestimmungseinheit, wobei, wenn der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L beide größer als null sind, bestimmt wird, dass die Richtung von durch den Stromunterbrecher fließendem Strom dieselbe wie eine Stromreferenzrichtung ist, und wenn der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L beide kleiner als null sind, bestimmt wird, dass die Richtung von durch den Stromunterbrecher fließendem Strom der Stromreferenzrichtung entgegengesetzt ist. Vorzugsweise verwendet die Strombeschaffungseinheit einen Vorwärts-Differenzwert oder einen Rückwärts-Differenzwert, die auf der Basis der Abtastwerte von Strom als der Differenzwert von Strom berechnet werden.
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Bei einer Ausführungsform berechnet die Ersatzimpedanz-Berechnungseinheit den Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L auf der Basis der folgenden Formeln: u(tn) = R × i(tn) + L × i'(tn) u(tn-1) = R × i(tn-1) + L × i'(tn-1)
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Hierbei ist R der Ersatzwiderstand in der Schaltung, in der der Stromunterbrecher liegt;
L ist die Ersatzinduktivität in der Schaltung, in der der Stromunterbrecher liegt;
i(t) ist der Abtastwert von durch den Stromunterbrecher zum Zeitpunkt t fließendem Strom und i’(t) ist der Differenzwert des Stroms zum Zeitpunkt t;
u(t) ist der Abtastwert von Spannung an dem Stromunterbrecher zum Zeitpunkt t;
tn ist die Zeit des derzeitigen n-ten Abtastpunkts und tn – 1 ist die Zeit des (n – 1)-ten Abtastpunkts.
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Vorzugsweise verwendet die Strombeschaffungseinheit den Mittelwert eines Vorwärts-Differenzwerts und eines Rückwärts-Differenzwerts von Abtastwerten von Strom als den Differenzwert von Strom. Besonders bevorzugt berechnet die Ersatzimpedanz-Beschaffungseinheit den Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L gemäß den folgenden Formeln, wobei ΔT das Stromabtastintervall ist:
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Vorzugsweise berechnet die Ersatzimpedanz-Beschaffungseinheit getrennt die Vorzeichen positiv/negativ des Zählers und Nenners in den Brüchen, die den Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L bilden, und bestimmt auf der Basis der Vorzeichen des relevanten Zählers und Nenners die Vorzeichen positiv/negativ des Ersatzwiderstands R und der Ersatzinduktivität L, die erhalten werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Stromunterbrecher-Schutzvorrichtung vorgeschlagen, umfassend: eine erste Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung von durch einen Stromunterbrecher fließendem Strom wie oben beschrieben; eine zweite Vorrichtung zum Senden eines Verriegelungssignals auf der Basis eines richtungsbezogenen Zonenverriegelungsmechanismus gemäß der durch die erste Vorrichtung bestimmten Stromrichtung; und eine elektronische Auslöseeinheit zum Durchführen einer Schutzaktion im Fall eines Fehlers, sobald eine vorbestimmte Verriegelungszeit des Empfangens eines Verriegelungssignals abgelaufen ist.
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Die vorliegende Erfindung schlägt außerdem ein Programmprodukt vor, das maschinenlesbare Befehle enthält, die in der Lage sind, ein beliebiges der obigen Verfahren zu realisieren, wenn sie auf einer Maschine ausgeführt werden.
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1 zeigt ein Anwendungsszenario für richtungsbezogene zonenselektive Verriegelung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2A zeigt die Richtung des Flusses eines Fehlerstroms, wenn ein Fehler in dem in 1 gezeigten Szenario auftritt;
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2B zeigt die Richtung des Flusses eines Fehlerstroms, wenn ein anderer Fehler in dem in 1 gezeigten Szenario auftritt;
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3A und 3B zeigen Ersatzschaltbilder für Vorwärts- bzw. Rückwärts-Fehlerströme;
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Richtung von durch einen Stromunterbrecher fließendem Strom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt ein Blockschaltbild der Struktur einer Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung von durch einen Stromunterbrecher fließendem Strom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6A und 6B zeigen Signalformen von Spannung, Strom und Stromrichtung in einem simulierten Ergebnis bzw. einem experimentellen Ergebnis unter denselben Fehlerbedingungen.
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1 zeigt anhand eines Beispiels ein Anwendungsszenario eines richtungsbezogenen zonenselektiven Verriegelungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, speziell eine Stromverteilungsnetzstruktur in Form einer H-Brücke. Wie 1 zeigt, umfasst das H-Brückennetz zwei Stromquellen TM1 und TM2, die zwei passive Lasten L jeweils mit Strom versorgen. Auf jedem der Brückenarme der H-Brückenstruktur sind jeweils Stromunterbrecher (CB) CB1, CB2, CB4 und CB5 vorgesehen, während auf der mittleren Brücke auch ein verbindender Stromunterbrecher CB3 vorgesehen ist. Der Pfeil in der Nähe jedes Stromunterbrechers in 1 zeigt eine Stromreferenzrichtung (Referenzrichtung). Die Stromreferenzrichtung ist zum Beispiel die Richtung eines Stroms, der unter normalen Umständen (z.B. wenn der Stromunterbrecher leitet) durch den Stromunterbrecher fließt. Unter normalen Umständen ist der durch den verbindenden Stromunterbrecher CB3 fließende Strom sehr klein. Aus diesem Grund wird die Stromreferenzrichtung davon hier zum Beispiel wie in der Figur gezeigt „nach links“ voreingestellt.
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In dem in 1 gezeigten H-Brückenstruktur-Anwendungsszenario könnte ein Kurzschlussfehler wie in 1 gezeigt an 6 Fehlerpunkten auftreten, d.h. den Fehlerpunkten F1–F6. Der Kurzschlussfehler könnte hier mehrere Ursachen haben; zum Beispiel könnte ein Phasenleitungskurzschluss den Kurzschluss verursachen, oder ein Massefehler könnte den Kurzschluss verursachen. In 1 tritt der Fehlerpunkt F1 zum Beispiel zwischen der Stromquelle TM1 und dem Stromunterbrecher CB1 auf; der Fehlerpunkt F4 tritt zum Beispiel auf dem Pfad von dem Stromunterbrecher CB5 zu einer passiven Last L auf. Für verschiedene in 1 gezeigte Fehler wird die Richtung der Übertragung von Verriegelungssignalen zwischen Stromunterbrechern gemäß dem Prinzip von ZSI etwas unterschiedlich sein.
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2A und 2B zeigen anhand eines Beispiels die Richtung des Flusses von Fehlerstrom und die Richtung der Übertragung von Verriegelungssignalen zwischen Stromunterbrechern in zwei Fehlersituationen F1 und F4. Wenn in 2A ein Fehler am Punkt F1 auftritt, bilden die von TM1 und TM2 ausgegebenen Ströme Fehlerströme und konvergieren an dem Fehlerpunkt F1, d.h. die Fehlerströme fließen wie durch die gestrichelten Pfeile in 2A angegeben. Nachdem CB1 den Fehler entdeckt, muss er ein Verriegelungssignal zu CB3 übertragen, der mit Bezug auf die Fehlerstromrichtung (wie durch Pfeil C in der Figur gezeigt) stromaufwärts liegt. CB3 detektiert dann den Fehler und überträgt dann ein Verriegelungssignal zu CB2, der stromaufwärts von CB3 liegt. Nach dem Empfang der Verriegelungssignale können CB2 und CB3 ihre jeweiligen Schutzverzögerungszeiten getrennt setzen und in einen verriegelten Zustand eintreten, und nur dann eine Schutzaktion durchführen, d.h. öffnen, wenn ein Fehler immer noch vorliegt, nachdem ihre jeweiligen Verzögerungszeiten abgelaufen sind. In 2B nehme man an, dass ein Fehler am Punkt F4 auftritt, dann von TM1 und TM2 ausgegebene Ströme Fehlerströme bilden und am Fehlerpunkt F4 konvergieren, d.h. dass die Fehlerströme wie durch die gestrichelten Pfeile in 2B angegeben fließen. In diesem Fall muss nach dem Detektieren des Fehlers CB3 ein Verriegelungssignal zu CB1 übertragen, der mit Bezug auf die Fehlerstromrichtung (wie durch den Pfeil C’ in der Figur gezeigt) stromaufwärts liegt, so dass CB1 seine Aktionsverzögerungszeit setzt und in einem verriegelten Zustand eintritt. Wie aus 2A und 2B zu sehen ist, hängen in verschiedenen Fehlersituationen Änderungen der Fehlerstromrichtung mit der Richtung der Übertragung von Verriegelungssignalen zwischen Stromunterbrechern (wie etwa CB1 und CB3) zusammen, und somit muss eine DZSI-Lösung (richtungsbezogene zonenselektive Verriegelung) eingeführt werden.
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3A und 3B zeigen Ersatzschaltungen, die an einem Stromunterbrecher (z.B. CB3) jeweils für verschiedene Fehlerstromrichtungen beobachtet werden. Die Ersatzschaltung umfasst eine Ersatzspannungsquelle Us und eine an die Ersatzspannungsquelle Us angeschlossene Ersatzimpedanz Zsc. In 3A ist die Fehlerstromrichtung F dieselbe wie die Stromreferenzrichtung Ref, also wird dies als „Vorwärts-(Fwd-)Fehler“ bezeichnet (z.B. die in 2A gezeigte Situation). In 3A fließt der Fehlerstrom i durch die Ersatzschaltung in der Stromreferenzrichtung Ref und erfüllt daher Us = i*Zsc. Die Größe der Ersatzspannungsquelle Us ist hier dieselbe wie die Spannung u(t), die an dem Stromunterbrecher CB detektiert wird, und der Fehlerstrom i ist die Stromgröße i(t), die an dem Stromunterbrecher CB detektiert wird. Deshalb erfüllt die Ersatzschaltung in 3A u(t) = i(t)·Zsc, d.h. Zsc ist positiv. In 3B ist im Gegensatz zu 3A die Fehlerstromrichtung F der Stromreferenzrichtung Ref entgegengesetzt, so dass dies als ein „Rückwärts-(Bwd-)Fehler“ bezeichnet wird (z.B. die in 2B gezeigte Situation). In 3B ist unter Berücksichtigung der Richtung des Fehlerstroms 0 = Us + i·Zsc. Ähnlich ist die Größe der Ersatzspannung Us dieselbe wie u(t), und der Fehlerstrom i ist der an dem Stromunterbrecher detektierte Strom i(t), so dass man 0 = u(t) + i(t)·Zsc erhält, d.h. Zsc ist negativ. Unter Berücksichtigung des Umstands, dass die Ersatzimpedanz Zsc während eines Kurzschlussfehlers hauptsächlich einen Ersatzwiderstand R und eine Ersatzinduktivität L umfasst, kann ferner Folgendes erhalten werden: wenn während eines Fehlers der Ersatzwiderstand R > 0 und die Ersatzinduktivität L > 0 ist, gilt Zsc > 0, und deshalb ist die Fehlerstromrichtung F dieselbe wie die Stromreferenzrichtung Ref; wenn während eines Fehlers der Ersatzwiderstand R < 0 und die Ersatzinduktivität L < 0 ist, gilt Zsc < 0, und deshalb ist die Fehlerstromrichtung F der Stromreferenzrichtung Ref entgegengesetzt. Auf der Basis der Größen des Ersatzwiderstands R und der Ersatzinduktivität L in der Ersatzschaltung kann somit bestimmt werden, ob die Richtung F des Fehlerstroms dieselbe wie die Referenzstromrichtung Ref ist.
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In den in 3A und 3B gezeigten Ersatzschaltungen erfüllt die Beziehung zwischen Strom und Spannung das ohmsche Gesetz, anders ausgedrückt können die Größen des Ersatzwiderstands R und der Ersatzinduktivität L in der Ersatzschaltung auf der Basis der Beziehung zwischen Strom und Spannung an mindestens zwei verschiedenen Zeitpunkten berechnet werden. Man nehme zum Beispiel an, dass die Ersatzimpedanz Zsc während eines Kurzschlussfehlers nur einen Ersatzwiderstand und eine Ersatzinduktivität umfasst. Die Beziehung zwischen Strom und Spannung in der Ersatzschaltung kann dann folgendermaßen ausgedrückt werden: u(t) = R × i(t) + L × i'(t) (1) dabei ist R der Ersatzwiderstand in der Ersatzschaltung, in der der Stromunterbrecher liegt;
L ist die Ersatzinduktivität in der Ersatzschaltung, in der der Stromunterbrecher liegt;
i(t) ist der Abtastwert des durch den Stromunterbrecher zum Zeitpunkt t fließendem Stroms und i’(t) ist der Differenzwert des Stroms zum Zeitpunkt t;
u(t) ist der Abtastwert von Spannung an den Stromunterbrecher zum Zeitpunkt t.
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Auf der Basis der Beziehung (1) zwischen Strom und Spannung kann, wenn Strom- und Spannungswerte an zwei verschiedenen Zeitpunkten gemessen werden können, Formel (1) verwendet werden, um den Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L in der Ersatzschaltung zu berechnen.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Richtung von durch einen Stromunterbrecher fließendem Strom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie 4 zeigt, werden im Schritt S410 ein Abtastwert des Stroms i(t), der durch einen Stromunterbrecher (z.B. CB3) fließt, und ein Stromdifferenzwert i’(t) erhalten. Der Stromdifferenzwert i’(t) kann hier direkt durch eine zugeordnete Differenzierschaltung erhalten oder auf der Basis des Abtastwerts des Stroms i(t) berechnet werden. Im Schritt S420 wird ein Abtastwert von Spannung u(t) an dem Stromunterbrecher erhalten. Die Schritte S420 und S410 können zur selben Zeit oder nacheinander innerhalb eines kurzen Zeitraums durchgeführt werden. Auf der Basis der Beziehung zwischen Spannung und Strom (z.B. der in Formel (1) gezeigten) in der vorliegenden Schaltung zum vorliegenden Zeitpunkt (z.B. Zeitpunkt tn des n-ten Abtastpunkts) und einer vorherigen Zeit (z.B. Zeit tn-1 des (n – 1)-ten Abtastpunkts) werden als nächstes im Schritt S430 der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L in der vorliegenden Schaltung erhalten. Im Schritt S440 wird, wenn der Ersatzwidertand R und die Ersatzinduktivität L beide größer als null sind, bestimmt, dass die Richtung von durch den Stromunterbrecher fließendem Strom dieselbe wie die Stromreferenzrichtung Ref ist; wenn der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L beide kleiner als null sind, wird bestimmt, dass die Richtung von durch den Stromunterbrecher fließendem Strom der Stromreferenzrichtung Ref entgegengesetzt ist.
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Vorzugsweise können im Schritt S430 Abtastwerte von Strom und Spannung an zwei angrenzenden Abtastzeitpunkten (zum Beispiel Zeit tn des derzeitigen n-ten Abtastpunkts und Zeit tn-1 des (n – 1)-ten Abtastpunkts) gewählt werden (natürlich können bei tatsächlichen Anwendungen auch Abtastpunktzeiten verwendet werden, die voneinander beabstandet sind), wie in den nachfolgenden Formeln gezeigt: u(tn) = R × i(tn) + L × i'(tn) (2) u(tn-1) = R × i(tn-1) + L × i'(tn-1) (3)
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Aus Formel (2) und (3) kann Folgendes erhalten werden:
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Wenn die Abtastwerte der Spannung u(t), die Abtastwerte des Stroms i(t) und die Differenzwerte i’(t) des abgetasteten Stroms direkt detektiert werden können, können der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L auf der Basis der Formeln (4) und (5) berechnet werden. Als Nächstes wird abhängig davon, ob der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L größer als null sind, die Richtung von durch den Stromunterbrecher fließendem Strom bestimmt.
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Vorzugsweise können die Differenzwerte i’(t) von Strom in den Formeln (4) und (5) aus den Abtastwerten des Stroms i(t) berechnet werden. Zum Beispiel können die Differenzwerte i’(t) des Stroms Vorwärts-Differenzwerte des Stroms sein, wie in den Formeln (6) und (7) gezeigt, oder Rückwärts-Differenzwerte des Stroms, wie in den Formeln (8) und (9) gezeigt, wobei ΔT das Stromabtastintervall ist.
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Besonders bevorzugt können die Differenzwerte i’(t) des Stroms die Mittelwerte der Vorwärts-Differenzwerte und Rückwärts-Differenzwerte des Stroms sein, wie in den Formeln (10) und (11) gezeigt.
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In den Formeln 6–11 werden sowohl für das Vorwärts-Differential als auch das Rückwärts-Differential zwei unmittelbar angrenzende Abtastwerte gewählt. Bei tatsächlichen Anwendungen können zwei Abtastpunkte gewählt werden, die voneinander beabstandet sind, um das Differential zu erhalten.
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Im Schritt S430 können zum Beispiel der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L durch Einsetzen der Formeln (10) und (11) in die Formeln (4) und (5) erhalten werden:
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Zusätzlich und besonders bevorzugt können beim Berechnen des Ersatzwiderstands R und der Ersatzinduktivität L die Vorzeichen des Zählers und Nenners der Brüche, die R und L bilden, zuerst separat berechnet werden. Wenn zum Beispiel die Formeln (12) und (13) zum Berechnen von R und L verwendet werden, kann zuerst eine Berechnung durchgeführt werden, um zu bestimmen, ob der Zähler und Nenner in Formel (12) positiv bzw. negativ sind; dann wird der Ersatzwiderstand R gemäß dem Vorzeichen positiv/negativ des Zählers und Nenners als entweder größer als null oder kleiner als null bestimmt. Durch dasselbe Prinzip ist es möglich, zweckmäßig zu bestimmen, ob die Ersatzinduktivität L größer als null oder kleiner als null ist. Als Nächstes kann im Fall R > 0 und L > 0 bestimmt werden, dass die Richtung von Strom dieselbe wie die Stromreferenzrichtung des Stromunterbrechers ist; im Fall R < 0 und L < 0 kann bestimmt werden, dass die Richtung von Strom der Stromreferenzrichtung des Stromunterbrechers entgegengesetzt ist.
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Besonders bevorzugt wird, wenn die durch Ausführung des in 4 gezeigten Verfahrens bestimmten Stromrichtungen für N aufeinanderfolgende Zeitpunkte alle gleich sind, bestimmt, dass die erhaltene Stromrichtung die Richtung von aktuell durch den Stromunterbrecher fließendem Strom ist, wobei N eine positive ganze Zahl kleiner oder gleich 10 und vorzugsweise N = 3–5 ist.
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Das in 4 gezeigte Verfahrensflussdiagramm kann unter Verwendung von Software oder Hardware realisiert werden. 5 zeigt anhand eines Beispiels ein Blockschaltbild der Struktur einer Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung von durch einen Stromunterbrecher fließendem Strom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie 5 zeigt, umfasst eine Vorrichtung 500 zum Bestimmen der Richtung von durch einen Stromunterbrecher fließendem Strom eine Strombeschaffungseinheit 510, eine Spannungsbeschaffungseinheit 520, eine Ersatzimpedanz-Berechnungseinheit 530 und eine Bestimmungseinheit 540. Die Strombeschaffungseinheit 510 beschafft Abtastwerte i(t) von durch den Stromunterbrecher fließendem Strom und Differenzwerte i’(t) von Strom. Die Spannungsbeschaffungseinheit 520 beschafft Abtastwerte der Spannung u(t) am Stromunterbrecher. Die Ersatzimpedanz-Berechnungseinheit 530 berechnet einen Ersatzwiderstand R und eine Ersatzinduktivität L in der vorliegenden Schaltung auf der Basis der Beziehung zwischen Spannung und Strom in der Schaltung an dem vorliegenden Zeitpunkt und einem vorherigen Zeitpunkt. Die Bestimmungseinheit 540 dient zum Bestimmen der Richtung von Strom. Speziell wird in der Bestimmungseinheit 540, wenn der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L beide größer als null sind, bestimmt, dass die Richtung von durch den Stromunterbrecher fließendem Strom dieselbe wie eine Stromreferenzrichtung R ist; wenn der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L beide kleiner als null sind, wird bestimmt, dass die Richtung des Stroms der Stromreferenzrichtung R entgegengesetzt ist.
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Vorzugsweise kann die Strombeschaffungseinheit 510 einen Vorwärts-Differenzwert oder Rückwärts-Differenzwert von Strom verwenden, die auf der Basis der Abtastwerte des Stroms i(t) als Differenzwert i’(t) von Strom berechnet werden, oder den Mittelwert eines Vorwärts-Differenzwerts und Rückwärts-Differenzwerts (wie in den Formeln 10–11 gezeigt) als einen Differenzwert i’(t) von Strom verwenden. Die Ersatzimpedanz-Berechnungseinheit 530 berechnet vorzugsweise den Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L gemäß den Formeln (12–13). Besonders bevorzugt berechnet die Ersatzimpedanz-Berechnungseinheit 530 zuerst die Vorzeichen positiv/negativ des Zählers und Nenners in den Brüchen (wie in den Formeln 12 und 13 gezeigt), die den Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L bilden, separat, und bestimmt dann auf der Basis der Vorzeichen des relevanten Zählers und Nenners, ob der Ersatzwiderstand R und die Ersatzinduktivität L, die erhalten werden, positiv oder negativ sind.
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6A und 6B zeigen simulierte und experimentelle Signalformgraphen der Bestimmung der Fehlerstromrichtung während eines Kurzschlussfehlers unter Verwendung des Verfahrens zum Bestimmen von Stromrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter denselben Fehlerbedingungen. Der Fehler tritt zum Beispiel an der Fehlerposition F1 in 2A auf, und der Leistungsfaktor vor dem Kurzschlussfehler ist PFN = 0,8, der Leistungsfaktor während des Kurzschlussfehlers PFsc = 0,3, der erwartete Wert Ip des Fehlerstroms ist 4,4-mal der Nennstrom In (d.h. Ip = 4,4 In), der Schaltphasenwinkel ist 90 Grad und die Abtastperiode für Strom und Spannung beträgt 625 Mikrosekunden. 6A ist ein simulierter Signalformgraph, der am Stromunterbrecher CB1 unter den oben erwähnten Fehlerbedingungen erhalten wurde. Wie aus 6A hervorgeht, tritt der Kurzschlussfehler bei 0 Mikrosekunden auf, und unter Verwendung des in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens zum Bestimmen der Stromrichtung wird die Richtung des Fehlerstroms bei ungefähr 2,5 ms als „rückwärts“ detektiert, d.h. der Referenzstromrichtung entgegengesetzt. 6B ist eine am Stromunterbrecher CB1 unter den oben erwähnten Fehlerbedingungen erhaltene experimentelle Signalform. Wie aus 6B hervorgeht, tritt der Kurzschlussfehler bei 0 Mikrosekunden auf, und unter Verwendung des in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens zum Bestimmen der Stromrichtung kann die Richtung des Fehlerstroms bei ungefähr 8 ms als „rückwärts“ detektiert werden. Somit beweisen sowohl die experimentellen als auch die simulierten Ergebnisse, dass durch Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung zum Bestimmen der Stromrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Stromrichtung innerhalb von 10 ms und ohne durch die Stromquellenfrequenz auferlegte Beschränkung bestimmt werden kann.
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Das Verfahren und die Vorrichtung zum Bestimmen der Stromrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zum Beispiel in einer Stromunterbrecher-Schutzvorrichtung angewandt werden. Eine solche Stromunterbrecher-Schutzvorrichtung kann zum Beispiel Folgendes umfassen: eine erste Vorrichtung zum Bestimmen der Richtung von durch einen Stromunterbrecher fließendem Strom, zum Beispiel die in 5 gezeigte; eine zweite Vorrichtung zum Senden eines Verriegelungssignals auf der Basis eines richtungsbezogenen Zonenverriegelungsmechanismus gemäß der durch die erste Vorrichtung bestimmten Stromrichtung; und eine elektronische Auslöseeinheit zum Durchführen einer Schutzaktion im Fall eines Fehlers, nachdem eine vorbestimmte Verriegelungszeit des Empfangens eines Verriegelungssignals abgelaufen ist.
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Für Fachleute ist erkennbar, dass vielfältige Änderungen und Modifikationen an den oben offenbarten verschiedenen Ausführungsformen vorgenommen werden könnten, ohne von dem Wesentlichen der Erfindung abzuweichen. Solche Änderungen und Modifikationen sollten alle in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung sollte deshalb durch die beigefügten Ansprüche definiert werden.
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Mit anderen Worten ist die Grundidee des Verfahrens zum Bestimmen der Richtung des sich mit der Zeit t ändernden Stroms i(t), der durch einen Stromunterbrecher fließt, wobei der Stromunterbrecher eine Referenzrichtung aufweist, mit den folgenden Verfahrensschritten gegeben:
- a) Abtasten des Stroms i(t) zur Ermittlung von Abtastwerten i(tn) des Stroms i(t) und von Differenzwerten i’(tn) des Stroms i(t);
- b) Abtasten der Spannung u(t) am Stromunterbrecher zur Ermittlung von Abtastwerten u(tn);
- c) Berechnen eines Ersatzwiderstands R und einer Ersatzinduktivität L mittels einer entsprechenden Ersatzschaltung, anhand des abgetasteten Stroms i(tn) und der Spannung u(tn) zum aktuellen Zeitpunkt tn und zu einem vorhergehenden Zeitpunkt tn-1; und
- d) Bestimmen der Richtung des Stroms i(t), wobei die Richtung mit der Referenzrichtung übereinstimmt, wenn sowohl der Ersatzwiderstand R als auch die Ersatzinduktivität L größer als null sind, und wobei die Richtung entgegengesetzt zur Referenzrichtung ist, wenn der Ersatzwiderstand R als auch die Ersatzinduktivität L kleiner als null sind.
