DE10225058B4 - Method for the selective detection of earth fault wipers in three-phase networks - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur selektiven Erfassung von Erdschlusswischern in Drehstromnetzen gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
– Kontinuierliches Abtasten und Speichern der Verlagerungsspannung u0 und des Nullstromes i0ΣX in einem Abgang;
– Erkennen des erstmaligen Überschreitens der Verlagerungsspannung u0 eines eingestellten Grenzwerts uERD zum Zeitpunkt t1 im Falle eines Erdschlusses;
– Suche im Speicher nach dem Zeitpunkt t0 des Nulldurchganges der Verlagerungsspannung u0 vor dem oben definierten erstmaligen Erdschlusseintritt zum Zeitpunkt t1;
– Speichern der Verlagerungsspannung u0 und des Nullstromes i0ΣX ab diesem Zeitpunkt t0 bis zum definierten Erdschluss t1.
– Berechnung der Nullstrom-Summenkurve i0ΣA_SUMME durch aufsummieren des Nullstromes i0ΣX bei zeitäquidistanter Abtastung, andernfalls muss die Zeit zwischen den Abtastpunkten berücksichtigt werden bzw. ein anderes numerisches Integrationsverfahren verwendet werden.
– Ermittlung der Steigung k und des Offsets d der Geradengleichung u0 = k i0ΣA_SUMME + d aus den beiden gespeicherten Kurven i0ΣA_SUMME und u0 nach bekannten Ausgleichsverfahren...Method for the selective detection of earth fault wipers in three-phase networks characterized by the following steps:
- Continuous sampling and storage of the zero sequence voltage u 0 and the zero current i 0ΣX in one outlet;
Detection of the first time that the displacement voltage u 0 exceeds a set limit value u ERD at time t 1 in the event of an earth fault;
- Search in the memory for the time t 0 of the zero crossing of the zero sequence voltage u 0 before the first earth fault entry defined at time t 1 ;
- Saving the zero sequence voltage u 0 and the zero current i 0ΣX from this point in time t 0 to the defined earth fault t 1 .
- Calculation of the zero current sum curve i 0ΣA_SUMME by adding up the zero current i 0ΣX with time-equidistant sampling, otherwise the time between the sampling points must be taken into account or another numerical integration method must be used.
- Determination of the slope k and the offset d of the straight line equation u 0 = ki 0ΣA_SUMME + d from the two stored curves i 0ΣA_SUMME and u 0 according to known compensation methods ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft -selektive Erfassung von Erdschlusswischern in Drehstromnetzen mit isoliertem Sternpunkt oder mit hochohmig geerdetem Sternpunkt.The present invention relates to -selective detection of earth fault wipers in three-phase networks with isolated star point or with a high-resistance grounded star point.
Im Fachbericht "Untersuchung der Ausgleichsvorgänge bei Erdschluss in Energieversorgungsnetzen", erschienen in der Energietechnik, 15. Jg, Heft 10, Oktober 1965, Seite 469ff, beschreibt Prof. Hans Pundt sehr ausführlich die transienten Vorgänge beim Eintreten des Erdschlusses. Es wird unter anderem die Berechnung des zu erwartenden Aufladestromes in Bezug auf Amplitude und Frequenz abgeleitet.In the technical report "Examination of the compensation processes at Earth fault in power supply networks ", appeared in power engineering, Vol 15, Issue 10, October 1965, page 469ff, describes Prof. Hans Pundt in great detail the transient processes when the earth fault occurs. Among other things, it does the calculation of the expected charging current in terms of amplitude and frequency derived.
In der Offenlegungsschrift
In der Offenlegungsschrift
Die Aufgabe der Erfindung ist es, das Erdschlusswischer-Verfahren in Bezug auf die Auswertung des transienten Vorganges so zu verbessern, dass dieses Verfahren sowohl für höherohmige Fehlerwiderstände bis in den Bereich von einigen kOhm als auch für Zündungen in der Nähe des Nulldurchganges der Leiter-Erde Spannungen geeignet ist.The object of the invention is the earth fault wiper method in relation to the evaluation of the transient To improve the process so that this method for both higher impedance Fault resistances up to in the range of a few kOhm as well as for ignitions near the zero crossing the conductor-earth voltages is suitable.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Erkennung der Richtung des Erdschlusses aus der Aufladeschwingung gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:According to the invention is a method for detection the direction of the earth fault from the charging oscillation through the following steps:
- – Kontinuierliches Abtasten und Speichern der Verlagerungsspannung u0 und des Nullstromes i0ΣX in einem Abgang.- Continuous sampling and storage of the zero sequence voltage u 0 and the zero current i 0ΣX in one outflow.
- – Im Falle eines Erdschlusses überschreitet die Verlagerungsspannung u0 erstmalig einen eingestellten Grenzwert uERD zum Zeitpunkt t1 - In the event of an earth fault, the zero sequence voltage u 0 exceeds a set limit value u ERD for the first time at time t 1
- – Vorzugsweise erfolgt eine Suche im Speicher nach dem Zeitpunkt t0 des Nulldurchganges der Verlagerungsspannung u0 vor dem oben definierten erstmaligen Erdschlusseintritt zum Zeitpunkt t1. Es kann aber auch ein anders definierter Bereich verwendet werden z.B. 10ms oder der Zeitpunkt des dritten Nulldurchganges vor dem definierten Erdschlusseintritt.- A search is preferably carried out in the memory for the time t 0 of the zero crossing of the zero sequence voltage u 0 before the first earth fault occurrence defined at the time t 1 . However, a differently defined range can also be used, for example 10 ms or the time of the third zero crossing before the defined earth fault occurs.
- – Speichern der Verlagerungsspannung u0 und des Nullstromes i0ΣX ab diesem Zeitpunkt t0 bis zum definierten Erdschluss t1.- Saving the zero sequence voltage u 0 and the zero current i 0ΣX from this point in time t 0 to the defined earth fault t 1 .
- – Zur genaueren Berechnung können zusätzlich die Messwerte, die einige ms nach dem Zeitpunkt t1 gemessen worden sind, berücksichtigt werden.- For a more precise calculation, the measured values measured a few ms after time t 1 can also be taken into account.
- – Berechnung der Nullstrom-Summenkurve i0ΣA_SUMME durch aufsummieren des Nullstromes i0ΣX bei zeitäquidistanter Abtastung, andernfalls muss die Zeit zwischen den Abtastpunkten berücksichtigt werden bzw. ein anderes numerisches Integrationsverfahren verwendet werden.- Calculation of the zero current sum curve i 0ΣA_SUMME by adding up the zero current i 0ΣX with time-equidistant sampling, otherwise the time between the sampling points must be taken into account or another numerical integration method must be used.
- – Ermittlung der Steigung k und des Offsets d der Geradengleichung u0 = k i0ΣA_SUMME + d aus den beiden gespeicherten Kurven i0ΣA_SUMME und u0 nach bekannten Ausgleichsverfahren der Mathematik wie Regressionsanalyse, Korrelationsanalyse, Polynominterpolation, Pseudoinverse oder dergleichen;- Determination of the slope k and the offset d of the straight line equation u 0 = ki 0ΣA_SUMME + d from the two stored curves i 0ΣA_SUMME and u 0 using known mathematical compensation methods such as regression analysis, correlation analysis, polynomial interpolation, pseudo inverse or the like;
- – Feststellung eines gesunden Abgangs, wenn die Kurve eine Gerade mit positiver Steigung ist, oder wenn die Kurve keine Gerade ist und die Tangente der ersten Abweichung von der Geraden eine positive Steigung bzw. die Kurve bis zum ersten Maximum links drehend ist, oder- finding a healthy finish if the curve is a straight line with a positive Slope or if the curve is not a straight line and the tangent the first deviation from the straight line a positive slope or the curve turns left up to the first maximum, or
- – Feststellung eines erdschlussbehafteten Abgangs, wenn die Kurve eine Gerade mit negativer Steigung ist oder wenn die Kurve keine Gerade ist und die Tangente der ersten Abweichung von der Geraden eine negative Steigung hat, bzw. die Kurve bis zum ersten Maximum rechts drehend ist.- finding a faulty outlet if the curve is a straight line is negative slope or if the curve is not a straight line and the tangent of the first deviation from the straight line is a negative one Incline, or turning the curve to the right up to the first maximum is.
Der Vorteil des neuen Verfahrens liegt darin, dass die Größe des Übergangswiderstandes ZF bereits indirekt über die Größe der Verlagerungsspannung berücksichtigt wird. Mit dem neuen Verfahren ist daher ein Richtungsentscheid aus dem transienten Vorgang bis in den Bereich von einigen kOhm möglich. Bisher konnte mit Wischerrelais die Richtungserkennung nur bis in den Bereich von einigen Ohm durchgeführt werden. Die meisten Erdschlüsse finden jedoch bereits Übergangswiderstände von einigen hundert Ohm vor.The advantage of the new method is that the size of the contact resistance Z F is already taken into account indirectly via the size of the zero sequence voltage. With the new method, a directional decision from the transient process is possible down to a few kOhm. So far, direction detection could only be carried out in the range of a few ohms with wiper relays. Most earth faults, however, already have contact resistances of a few hundred ohms.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass der Zündzeitpunkt des Erdschlusses keine Rolle spielt. Das Verfahren funktioniert auch bei Zündung im Nulldurchgang der Leiter-Erde Spannung, die z.B. durch eine mechanischen Zerstörung des Kabels erfolgen kann. Bisherige Wischerrelais erkannten nur Zündvorgänge in der Nähe des Spannungsmaximums.Another advantage of the process is that the ignition timing the earth fault does not matter. The procedure works even with ignition in the zero crossing of the conductor-earth voltage, which e.g. through a mechanical destruction of the cable can be done. Previous wiper relays only recognized Ignition processes in the Near the Voltage maximum.
Ein weitere Vorteil liegt darin, dass auch Erdschlüsse mit einer Brenndauer im ms-Bereich erkannt werden, auch wenn dieser Erdschluss über einen hochohmigen Widerstand erfolgt.Another advantage is that earth faults too with a burn time in the ms range can be detected, even if this earth fault via a high-resistance resistor he follows.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens
liegt, darin, dass die Ansprechempfindlichkeit des Relais durch zwei
Parameter eingestellt wird: uERD Erforderliche
Verlagerungsspannung für
einen Erdschluss
C0min Erforderliche
Leitungslänge
des gesunden Netzes in A.Another advantage of the method is that the response sensitivity of the relay is set using two parameters: u ERD Required zero sequence voltage for an earth fault
C 0min Required cable length of the healthy network in A.
Bei den bisherigen Relais wird ein Auslösestrom angegeben, der eine Funktion von ZF, Zündzeitpunkt, Trafoimpedanz usw. ist. Die tatsächliche Auslösung musste für jeden Erdschlussfall nachgerechnet werden.With the previous relays, a tripping current is specified which is a function of Z F , ignition timing, transformer impedance, etc. The actual tripping had to be recalculated for each earth fault.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand des Bildes 1 beispielhaft beschrieben.The invention is described below example 1.
Im Bild 1 ist ein Netz mit drei Abgängen und
einem angenommenen Erdschluss im Leiter
Der Erdschluss setzt sich aus den drei folgenden Vorgänge zusammen:The earth fault is made up of the three following operations together:
- – Entladung des schadhaften Leiters in allen Abgängen über die Erde- discharge of the defective conductor in all outlets over the earth
- – Aufladung der gesunden Leiter in allen Abgängen über die Erde- charging the healthy leader in all exits over the earth
- – stationär eingeschwungener Zustand- stationary steady Status
Die Auswirkungen dieser drei Vorgänge überlagern sich sofort mit dem Beginn des Erdschlusses.The effects of these three processes overlap immediately with the beginning of the earth fault.
Maßgebend für den Verlauf der Entladung sind:Decisive for the course of the discharge are:
-
– Größe der Kapazitäten des
Leiters
1 aller Abgänge gegen Erde- Size of the leader's capacities1 all exits to earth -
– Ladezustand
der Kapazitäten
des Leiters
1 aller Abgänge- State of charge of the capacities of the conductor1 all exits - – Leitungsimpedanz ZL1 zu und in den andern Abgängen- Line impedance Z L1 to and in the other outlets
- – Impedanz der Fehlerstelle ZF - Impedance of the fault location Z F
Der Trafo und die Lasten stellen eine sehr hohe Impedanz, im wesentlichen Induktivität, dar und sind für den Entladevorgang als hochohmiger Abschluss zu betrachten. Ebenso kann der Einfluss der beiden gesunden Leiter vernachlässigt werden. Der Leiter L1 kann als an den Enden der Abgänge und an der Sammelschiene hochohmig abgeschlossener Kettenleiter betrachtet werden. Die gesunden Stichleitungen stellen eine Parallelschaltung dar, wodurch die Ersatzlängsimpedanz der gesunden Leiter niederohmiger und die Kapazität größer wird.The transformer and the loads a very high impedance, essentially inductance, and are for to consider the discharge process as a high-resistance termination. As well the influence of the two healthy leaders can be neglected. The conductor L1 can be as at the ends of the outlets and on the busbar high-impedance terminated chain conductors can be considered. The healthy ones Stub lines represent a parallel connection, which means the equivalent longitudinal impedance the healthy conductor has a lower resistance and the capacity increases.
Der sehr hochfrequente Entladevorgang ist von den Leiterlängen abhängig und ist umso höherfrequent je kürzer die Leitungen sind und liegt meist im Bereich > 10 kHz Maßgebend für den Verlauf des Aufladevorganges der beiden gesunden Leiter sind:The very high-frequency unloading process is of the conductor lengths dependent and is the higher frequency the shorter the lines are and are usually in the range> 10 kHz decisive for the course of the charging process of the two healthy leaders are:
-
– Kapazität der Leiter
2 und3 aller Abgänge gegen Erde- Capacity of the ladder2 and3 all exits to earth - – aktueller Ladezustand der Leiter-Erde Kapazitäten aller Abgänge- more current State of charge of the earth conductor capacities of all outlets
- – Größe der Aufladespannungen- Size of the charging voltages
- – Streuinduktivitäten des Einspeisetransformators- leakage inductances of the supply transformer
- – Leitungsimpedanz ZL1 von der Fehlerstelle bis zum Einspeisetransformator- Line impedance Z L1 from the fault location to the infeed transformer
- – Impedanz der Fehlerstelle ZF - Impedance of the fault location Z F
Die Verteiltransformatoren bzw. die Last gehen nur sehr hochohmig in die Betrachtung ein und können in der ersten Annäherung vernachlässigt werden. Die Last wirkt sich im wesentlichen als zusätzliche Bedämpfung der Aufladeschwingung aus. Ist der Verteiltrafo nicht belastet, so ist die Leitung im wesentlichen mit der sehr hohen Hauptinduktivität des Transformators belastet.The distribution transformers or the Loads are only considered with very high impedance and can in the first approximation neglected become. The load essentially acts as an additional attenuation the charging oscillation. If the distribution transformer is not loaded, so the line is essentially with the very high main inductance of the transformer loaded.
Durch den Erdschluss wird der Leiter
Für
die Augenblickswerte gilt für
jeden Zeitpunkt: Verlagerungsspannung an der Sammelschiene:
Summenstrom im Abgang x:
Die Ermittlung der Verlagerungsspannung erfolgt nach bekannten Verfahren wie z.B. Messung über die "Offene Dreieckswicklung" oder Messung der drei Einzelspannungen und nachfolgender numerischer Addition im Gerät.The determination of the displacement voltage takes place according to known methods such as Measurement via the "open triangular winding" or measurement of the three single voltages and subsequent numerical addition in Device.
Die Ermittlung des Summenstromes erfolgt nach bekannten Verfahren wie z.B.The determination of the total current takes place according to known methods such as
- – Messung der drei Einzelströme und elektrischer Addition der drei Ströme (Holmgreen-Schaltung)- Measurement of the three individual streams and electrical addition of the three currents (Holmgreen circuit)
- – Messung des Summenstromes mit Hilfe eines Kabelumbauwandlers.- Measurement of the total current with the help of a cable conversion converter.
- – Messung der drei Einzelströme und numerische Addition nach der Wandlung im Gerät.- Measurement of the three individual streams and numerical addition after conversion in the device.
Der Summenstrom ist der dreifache Nullstrom i0X.The total current is three times the zero current i 0X .
Für den betrachteten Frequenzbereich des Umladevorganges sind die Längsimpedanzen der Leitungen vernachlässigbar bzw. reduzieren die im folgenden ermittelten Nullkapazitäten nur gering.For the considered frequency range of the recharging process are the longitudinal impedances of the cables negligible or only reduce the zero capacities determined below low.
Wesentlich ist, dass die Verlagerungsspannung u0 entsprechend ihrer Definition in Bezug auf die Erde ermittelt wird.It is essential that the displacement voltage u 0 is determined according to its definition in relation to the earth.
Im Bild 1 können die folgenden Arten von Abgängen unterschieden werden:In picture 1 the following types of disposals can be distinguished:
A) Gesunder Abgang ohne Erdschluss:A) Healthy finish without Ground fault:
Unter Vernachlässigung der Längsimpedanzen
der Leitungen werden im gesunden Abgang für das Nullsystem nur die Nullkapazitäten gegen
Erde wirksam. Die Nullkapazität
eines Abganges kann entsprechend den bekannten Verfahren wie z.B.
den symmetrischen Komponenten berechnet werden zu:
Für den gesamten Nullstrom i0ΣX in einem gesunden Abgang gilt: bzw. für die Verlagerungsspannung: The following applies to the total zero current i 0ΣX in a healthy outlet: or for the displacement voltage:
Numerisch kann die Integration durch eine Summenbildung angenähert werden. Bei einer zeitäquidistanten Abtastung der Verlagerungsströme und der Nullströme vereinfacht sich die Integration zu einer Addition der Abtastwerte. Für den Fall u0(0) = 0 unterscheidet sich der zeitliche Verlauf von u0 von der Summenkurve nur durch einen Proportionalitätsfaktor.The integration can be approximated numerically by forming a sum. With a time-equidistant sampling of the displacement currents and the zero currents, the integration for an addition of the sampling values is simplified. For the case u 0 (0) = 0, the time profile of u 0 differs from the cumulative curve only by a proportionality factor.
B) Erdschlussbehafteter Abgang:B) Earth fault finish:
Im erdschlussbehafteten Abgang hingegen sind im Nullstrom die folgenden Komponenten enthalten:On the other hand, in the faulty outlet The following components are included in the zero current:
- a) In den Abgang hineinfließend: – Aufladestrom des erdschlussbehafteten Abganges A a) flowing into the outlet: - charging current of the outlet A, which is subject to earth faults
- b) Aus dem Abgang herausfließend: – Summe der Ströme der gesunden Abgänge inklusive des erdschlussbehafteten Abganges – Strom durch die Petersen-Spule (LP//RP) b) Flowing out of the outlet: - Sum of the currents of the healthy outlets including the earth leakage outlet - current through the Petersen coil (L P // R P )
Der gesamte Nullstrom des erdschlussbehafteten
Abganges A ist:
Bei isolierten Netzen entspricht der Strom i0ΣA der Summe der Nullströme der gesunden Abgänge, aber mit umgekehrtem Vorzeichen.In isolated networks, the current i 0ΣA corresponds to the sum of the zero currents of the healthy feeders, but with the opposite sign.
Bei gelöschten Netzen ist der eingeschwungene Wert i0ΣA abhängig von der Größe der Petersenspule und die Kurvenform kann sogar der eines gesunden Abganges sehr ähnlich werden.In the case of deleted networks, the steady-state value i 0 abhängigA depends on the size of the Petersen coil and the curve shape can even be very similar to that of a healthy outlet.
Am Beginn des Erdschlusses ist der Anteil des Stromes durch die Petersenspule gering.At the beginning of the earth fault is the Low proportion of the current through the Petersen coil.
Aus A) ist ersichtlich, dass aus dem Proportionalitätsfaktor die Nullkapazität der Leitung errechnet werden kann. Damit besteht die Möglichkeit die Auslöseempfindlichkeit des Relais in Form der Nullkapazität der gesunden Leitungslänge zu definieren.From A) it can be seen that from the proportionality factor the zero capacity the line can be calculated. So there is the possibility the trigger sensitivity of the relay in the form of the zero capacitance of the healthy cable length.
Da nur die Aufladeschwingung betrachtet wird, können Tiefpassfilter der Messung von u0 und i0ΣX vorgeschaltet werden.Since only the charging oscillation is considered, low-pass filters can be connected upstream of the measurement of u 0 and i 0ΣX .
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