DE112014001200T5

DE112014001200T5 - Überstromschutzvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE112014001200T5
Application number: DE112014001200.9T
Authority: DE
Inventors: Julio Danin Lobo; Abhisek UKIL
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2016-01-21
Also published as: CN105027373A; US20150380923A1; WO2014135680A1; US10027105B2; CN105027373B

Abstract

Es werden ein Schutzsystem und ein Verfahren für Energieversorgungsleitungen mit einem Strommessgerät zum Überwachen des Stroms (i) in der geschützten Energieversorgungsleitung (10) und einem Leistungsschalter (13-1, 13-2, 13-3) beschrieben, wobei das Strommessgerät einen Sensor (15), insbesondere einen faseroptischen Stromsensor (FOCS) zum Messen einer Gleichstromkomponente (i(tr)) im übertragenen Strom (i) sowie einen Analysator (141, 16) zum Überprüfen der Gleichstromkomponente (i(tr)) und zum Erzeugen eines Störungssignals für den Leistungsschalter (13-1, 13-2, 13-3) umfasst.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schutz von Abschnitten eines Energieversorgungsnetzwerks, insbesondere Umspannwerke, im Falle einer Störung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einem Energieverteilersystem müssen elektrische Übertragungsleitungen und Energieerzeugungsgeräte vor Störungen und Kurzschlussereignissen geschützt werden. Andernfalls können solche Störungen und Kurzschlüsse einen Systemzusammenbruch, Geräteschäden und/oder Personenschäden verursachen. Dementsprechend setzt ein übliches Energieversorgungssystem ein oder mehrere Schutzrelais ein, um die Impedanz und andere Spannungs- und Stromeigenschaften der Wechselspannung auf einer geschützten Übertragungsleitung zu überwachen, damit Störungen und Kurzschlüsse auf einer solchen geschützten Leitung abgefühlt werden, und um solche Störungen und Kurzschlüsse durch das Auslösen von vorgeschalteten Leistungsschaltern auf der/den geschützten Leitung oder Leitungen adäquat vom Rest des Energieversorgungssystems zu isolieren.
Um ihre Aufgabe durchzuführen, empfangen die Relais Strommessungen, die auf sekundären Stromkreisen durchgeführt werden, die durch einen Stromwandler (CT) von der geschützten Leitung getrennt sind. Stromwandler bilden die grundlegende Verbindung zwischen dem tatsächlichen Energieversorgungssystem und beinahe allen Messvorrichtungen wie z.B. den Schutzrelais. Ein CT wandelt den Primärstrom zur Verwendung von der Messvorrichtung auf einen sekundären Pegel herunter.
Aufgrund ihrer essentiellen Natur als Vorrichtungen mit einer Primär- und Sekundärwindung, die aufgrund des magnetischen Flusses in einem sättigbaren Eisenkern gekoppelt sind, haben CTs bekannte Probleme bei der Reproduktion des Primärstroms während Störungsereignissen außerhalb ihrer vorgesehenen Spezifikationen. Wie zum Beispiel in R. Hung, „Impact of CT errors on protective relays – case studies and analyses,” IEEE Transactions Industry Applications, Ausg. 48, Nr. 1, S. 52–61, 2012 beschrieben, werden die Hauptursachen dieser Probleme üblicherweise als Sättigungseffekte, Gleichstromeffekte und remanenter magnetischer Fluss erkannt. Um Fehler bei der Reproduktion des Sekundärstroms zu vermeiden, ist ein CT üblicherweise gemäß sorgfältig entwickelten Spezifikationen ausgelegt, welche die üblichen Fehler und ihre geschätzte Größe berücksichtigen. Alternativ oder zusätzlich dazu können die Sättigungseffekte durch die Verwendung von Kompensationsalgorithmen, wie sie auf dem Gebiet der Erfindung bekannt sind, kompensiert werden.
Wie zum Beispiel im US-Patent Nr. 6397156 beschrieben, ist ferner bekannt, dass in nicht kompensierten und kompensierten Energieversorgungssystemen eine Fehlerstrom-Wellenform zusätzlich zu einer Grundfrequenz eine exponentiell abklingende Gleichstrom-Offsetkomponente enthält. Die Höhe des Gleichstrom-Offsetstroms hängt vom Phasenwinkelfehler und Systemparametern wie z.B. der Netzwerkkonfiguration, der Anzahl und Länge der Übertragungsleitungen, dem Kompensationsprozentsatz, dem Energiefluss, den Impedanzen von Generator und Transformator etc. ab. Bei CT-Messungen wird der Gleichstrom-Offsetstrom üblicherweise als Fehler angesehen, und eine Vielzahl von Algorithmen sind konzipiert worden, um den Gleichstrom-Offset bei Stromwandlern zu kompensieren. Einige Algorithmen verwenden ein Differenzierungsverfahren, das den Effekt des Gleichstrom-Offsets eliminiert, und Rampenkomponenten in der Fehlerstrom-Wellenform. Nachahmungsschaltkreise und Kosinusfilter wurden ebenfalls eingesetzt.
In SEAPAC 2011 34 (oder 59) S. 1–18, „Test and Evaluation of Non Conventional Instrument Transformers and Sampled Value Process Bus on Powerlink’s Transmission Network“ von P. Schaub et al. wird ein im Handel erhältlicher faseroptischer Stromsensor (FOCS) beschrieben, der zu Test- und Evaluierungszwecken gemeinsam mit einem CT an eine Energieversorgungsleitung angeschlossen wird. Ein Artikel, der in CIGRE 2012 B3-101 „Real-time Monitoring and Capture of Power System Transients“ von D.F. Peelo et al. veröffentlicht wurde, beschreibt Messung von transienten Strömen unter Verwendung von optischen Spannungs- und Stromwandlern.
US 2006/170410 A1 offenbart ein Kalibrierungsverfahren für einen faseroptischen Faraday-Effekt-Stromsensor (FOCS) in einem Energienetzwerk. Dieses Kalibrierungsverfahren nutzt eine Gleichstromkomponente, die im Strommesssignal vorhanden ist. Zur Kalibrierung des Sensors wird die Gleichstromkomponente des gemessenen Wechselstromwerts mit einem gespeicherten Gleichstrom-Signalwert verglichen, der zu Beginn der Kalibrierung des Systems gemessen wurde, und die Wechselstromkomponente wird mit der prozentuellen Abweichung von der kalibrierten Gleichstromkomponente multipliziert. Ferner wird die gemessene Gleichstrom-Signalkomponente aus dem FOCS-Messsignal extrahiert und dann subtrahiert und daher aus dem FOCS-Messsignal entfernt. Aus diesem Grund ist das kalibrierte FOCS-Signal ein reines Wechselstromsignal und kann nicht dazu verwendet werden, um eine Gleichstrom-Signalkomponente zu messen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Überwachung des Stroms in einer geschützten Energieversorgungsleitung bereitzustellen, wobei eine solche Vorrichtung und solche Verfahren dazu fähig sind, die Zeit zu reduzieren, die zum Erzeugen eines Steuer- oder Auslösesignals für einen Leistungsschalter erforderlich ist. Dieses Ziel wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht. Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen und in Kombinationen daraus sowie in der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen dargelegt.
Folglich wird gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung ein Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen mit einem Strommessgerät zur Überwachung des Stroms in der geschützten Energieversorgungsleitung und einem Leistungsschalter bereitgestellt, wobei das Strommessgerät einen Sensor zur Überwachung einer Gleichstromkomponente im übertragenen Strom und einen Analysator umfasst, der die Gleichstromkomponente testet und ein Störungssignal für den Leistungsschalter erzeugt.
Wie hier verwendet umfasst der Begriff “geschützte Energieversorgungsleitung“ jegliche Art von elektrischem Leiter, wie z.B. einen Starkstromleiter, eine Hilfsleitung, eine Transformatorwicklung etc.
In einer bevorzugten Variante dieses Aspekts der Erfindung umfasst der Sensor einen faseroptischen Stromsensor (FOCS).
In einer weiteren bevorzugten Variante dieses Aspekts der Erfindung ist der Analysator so programmiert, dass er das Einsetzen einer Gleichstromkomponente in der übertragenen Energie nutzt, um eine Steuerung oder ein Auslöseereignis für den Leistungsschalter zu erzeugen. Das Einsetzen kann sehr schnell detektiert werden, was es dem Analysator ermöglicht, ein Auslöseereignis in weniger als einer Zykluszeit des Energieversorgungssystems auszugeben, d.h. weniger als 20 ms in einem 50-Hz-Energieversorgungssystem, vorzugsweise sogar in weniger als einer halben Zykluszeit und noch bevorzugter im Wesentlichen augenblicklich, da das Einsetzen des Gleichstroms gemessen werden kann, ohne eine volle Wellenform oder sogar nur einen Teil der Wellenform messen zu müssen. Dies ist ein signifikanter Vorteil gegenüber Systemen, die einen CT im Messsystem verwenden.
In einer weiteren bevorzugten Variante ist der Analysator in den Steuerstromkreis des Sensors integriert, was es dem Sensor ermöglicht, entweder zusätzlich zu den gemessenen Daten oder einzeln einen Auslösebefehl oder den Vorläufer eines Auslösebefehls an Relais oder andere Vorrichtungen, die zwischen dem Sensor und dem/den Schutzschalte(n) im Stromkreis positioniert sind, oder direkt an den/die Leistungsschalter zu senden. Solch eine Integration des Analysators in die Sensorelektronik ist nützlich, um die Auslegung eines beliebigen Relais zu vereinfachen, das mit dem Sensor verbunden ist, und die Verzögerung zwischen dem Auftreten einer Störung und der Aktivierung des/der Leistungsschalter(s) zu verkürzen.
In Ausführungsformen kann der Analysator Teil eines Stromsensormoduls sein, der analoge Eingangssignale vom faseroptischen Stromsensor FOCS empfängt und verarbeitet.
In Ausführungsformen ist der Analysator Teil eines Relais, das mit einem Stromsensormodul verbunden ist, das analoge Eingangssignale vom faseroptischen Stromsensor FOCS über eine Breitband-Datenübertragungsverbindung empfängt.
In Ausführungsformen ist das obige System in das Schutzsystem eines Umspannwerks integriert, welches mit Energieversorgungsleitungen auf einem Potential von 35 kV oder mehr verbunden ist.
In einer bevorzugten Variante ist die Strommesseinrichtung zum Schutz des Umspannwerks frei von Schwefelhexafluorid (SF₆) und daher umweltfreundlicher als viele bestehende Einrichtungen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz einer Energieversorgungsleitung bereitgestellt, welches die Schritte der Überwachung des Stroms in der Energie hinsichtlich des Vorhandenseins einer Gleichstromkomponente und des direkten oder indirekten Aktivierens des Leistungsschalters beim Auftreten der Gleichstromkomponente umfasst. In einer bevorzugten Variante umfasst das Verfahren den Schritt des Analysierens der Wellenform des Gleichstrom-Offsetstroms, die zum Beispiel aus der direkten Messung und/oder Messungen und Extrapolation unter Verwendung eines Modells des Stroms abgeleitet wird. Die obigen und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden gemeinsam mit weiteren vorteilhaften Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung detaillierter in der folgenden Beschreibung und den folgenden Figuren beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist ein schematisches Diagramm eines Energieversorgungssystems mit geschützten Leitungen;
1B zeigt einen Stromsensor, der gemäß einem Beispiel der Erfindung mit einem Relais verbunden ist;
2 ist ein Flussdiagramm mit Schritten gemäß einem Beispiel der Erfindung;
3 ist eine vereinfachte Darstellung einer Energieversorgungsleitung;
4A–4C stellen Spannungen und Stromstärken während einer Störung dar; und
5 stellt das Betriebsverhalten einer Vorrichtung gemäß der Erfindung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen dar.
DETAILBESCHREIBUNG
Ein gängiges Energieversorgungssystem wird in 1A gezeigt, die ein Netzwerk von Energieversorgungsleitungen 10 darstellt, welche elektrische Energie von einem oder mehreren Generatoren 11-1, 11-2 an einem oder mehreren Standorten an einen oder mehrere Energiekonsumenten oder Lasten 12-1, 12-2 transportieren, die üblicherweise ebenfalls an einem oder mehreren Standorten angeordnet sind. Übertragungsleitungen (die horizontalen Hauptleitungen in 1A) verteilen Energie von den Generatoren an sekundäre Leitungen oder Busse (die vertikalen Hauptleitungen in 1A), und solche Busse führen schließlich zu Energielasten 12-1, 12-2. Die Energieversorgungsleitungen 10 werden oft gemäß ihrer Betriebsspannungen eingeteilt, die von Haushaltleitungen, die unter einem kV betrieben werden, über industrielle oder kleine Verteilerleitungen unter von 35 kV bis zu Hochspannungs-Übertragungsleitungen reichen, die bei Spannungen über 100 kV betrieben werden. Aufwärts- und Abwärtstransformatoren (nicht gezeigt) werden zur Umwandlung von Spannungspegeln verwendet, um Energie zwischen verschiedenen Spannungspegeln zu transportieren.
Generatoren, Transformatoren, Verteilerstationen, und Lasten im Netzwerk werden üblicherweise gegen Störungen im Netzwerk geschützt, sodass ein fehlerhafter Teil des Netzwerks von den restlichen Teilen getrennt werden kann. Bei den Übertragungsleitungen höherer Spannung wird diese Trennung durch einen oder mehrere Leistungsschalter 13-1, 13-2 bewirkt. Die Leistungsschalter 13-1, 13-2, 13-3 werden von einem oder mehreren Schutzrelais 14-1, 14-2, 14-3 gesteuert oder ausgelöst, die die Impedanz und andere Wechselstrom-Spannungs- und Stromeigenschaften auf einer geschützten Übertragungsleitung 10 überwachen, um Störungen und Kurzschlüsse auf solchen geschützten Leitungen 10 abzufühlen und solche Störungen und Kurzschlüsse vom restlichen Energieversorgungssystem zu isolieren, indem sie vorgeschaltete Leistungsschalter 13-1, 13-2, 13-3 auf solchen geschützten Leitungen 10 auslösen.
Wie ersichtlich kann ein gewöhnliches Energieversorgungssystem über einen weiten Bereich verbunden sein und mehrere Energiegeneratoren 11-1, 11-2 und Lasten 12-1, 12-2 an unterschiedlichen Standorten umfassen. Die Relais 14-1, 14-2, 14-3 und Leistungsschalter 13-1, 13-2, 13-3 sind geeignet positioniert, um die oben beschriebenen Isolierungsaufgaben durchzuführen.
In 1B wird ein Stromsensor 15 mit einem Schutzrelais 14-1 gemäß einem Beispiel der Erfindung gezeigt. Der Stromsensor 15 umfasst drei FOCS-Sonden, die jeweils so positioniert sind, dass sie den Strom in einer der drei Phasen der Energieversorgungsleitung 10 messen. FOCs sind im Handel erhältlich und werden zum Beispiel in der ABB^®-Broschüre „FOCS – Fiber-Optic Current Sensor. Make light work of DC current measurement“ beschrieben, die auf der Website www.abb.com verfügbar ist.
Das FOCS-System verwendet den Faraday-Effekt zur Strommessung. Die Sonde umfasst eine Schleife aus optischen Fasern, die um eine Energieversorgungsleitung, ein Energieversorgungskabel oder Prozessstäbe gewickelt ist. Das FOCS-System ersetzt die komplizierten und sperrigen Sensorköpfe herkömmlicher Wandler wie z.B. Halleffekt-CTs. Der Faraday-Effekt kann beobachtet werden, wenn polarisierte Lichtwellen einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Infolgedessen entwickeln die Wellen eine Phasendifferenz. Beim FOCS-System laufen die rechts- und linkszirkular polarisierten Lichtwellen durch die Wicklung der abfühlenden Faser. Am Ende der Faser werden sie reflektiert (und ihre Polarisationsrichtung wird umgekehrt), und danach folgen sie über ein faseroptisches Kabel 151 ihrem ursprünglichen optischen Weg zu einem Sensorelektronikmodul 16. Das Sensormodul 16 umfasst die Lichtquelle, einen optischen Phasendetektionsschaltkreis und einen digitalen Signalprozessor (DSP). Der digitale Signalprozessor innerhalb des Moduls 16 wandelt die optische Phasendifferenz direkt in ein digitales Signal um das danach zur Analyse an das Relais 14-1 gesendet werden kann.
Wenn ein Strom fließt, bilden die Wellen eine Phasendifferenz aus, die proportional zum Linienintegral des Magnetfeldes entlang der abfühlenden Faser ist. Diese Differenz ist daher ein direktes und genaues Maß für den Strom, hier insbesondere den über eine Energieversorgungsleitung 10 übertragenen Strom.
Die Sensormodule 16 sind mit dem Relais 14-1 über Datenübertragungsleitungen 161 verbunden. In einer Variante dieses Beispiels ist die Datenübertragungsleitung eine Hochgeschwindigkeits- oder Breitbandübertragungsleitung, um die Zahl der Abtastungen, die an das Relais 14-1 transferiert werden sollen, nicht zu beschränken. Die Kapazität der Hochgeschwindigkeitsübertragungsleitung 161 zwischen den Sensormodulen 16 und dem Relais 14-1 ist so ausgelegt, dass sie die Übertragung von Hochgeschwindigkeits-Abtastungsergebnissen erlaubt, zum Beispiel bei Abtastraten von 30 kHz oder darüber, d.h. äquivalent zu über 500 Abtastungen pro 60-Hz-Zyklus, oder bei Abtastraten von 100 kHz oder darüber. Um den Datentransfer an das Relais zu beschleunigen kann die Hochgeschwindigkeitsübertragungsleitung 161 so ausgelegt sein, dass sie eine Abtastung von 1 MHz oder höher erlaubt um sicherzustellen, dass es keinen Engpass zwischen dem Abtasten des FOCS 15 und der innerhalb des Relais 14-1 durchgeführten Signalverarbeitung gibt.
Das Relais 14-1 kann auch mit Voltmetern 17 verbunden sein, um die Spannung zusätzlich zu den Stromwellenformen auf einer entsprechenden geschützten Leitung 10 aufzuzeichnen. Das zusätzliche Spannungssignal kann dazu verwendet werden, um zum Beispiel den Ort einer Störung zu bestimmen.
Auf Grundlage des von den Stromsensoren 15 allein oder von den Strom- und Spannungssensoren 15, 17 empfangenen Eingangssignals kann ein Prozessor 114 innerhalb des Schutzrelais 14-1 entscheiden, ob ein ihm zugeordneter Leistungsschalter 13-1 ausgelöst werden soll, wodurch ein Abschnitt des Energieversorgungssystems isoliert wird. Zu diesem Zweck gibt das Relais 14-1 einen Befehl für ein ‘Auslöse’-Ausgabesignal aus (TRIP 1 in 1B), das vom Leistungsschalter 13-1 als ein Eingangssignal empfangen wird. Das Relais 14-1 kann dann den Leistungsschalter 13-1 zurücksetzen, nachdem es abgefühlt hat, dass die Störung behoben wurde, oder nachdem ihm dies anderweitig befohlen wurde, indem es einen solchen Befehl für ein ‘Zurücksetzen’-Ausgangssignal (RESET 1 in 1B) ausgibt, das vom Leistungsschalter 13-1 als ein Eingangssignal empfangen wird.
Ein Relais 14-1 kann mehrere Leistungsschalter steuern (wobei nur einer in 1B gezeigt wird), wie mittels der TRIP-2- und RESET-2-Ausgabeleitungen in 1B angezeigt wird. Zusätzlich dazu können die Leistungsschalter so eingestellt sein, um eine oder mehrere spezifische Phasen einer Energieversorgungsleitung anstatt, wie gezeigt, aller Phasen der Leitung 10 zu steuern. Aufgrund der relativ großen Entfernungen, über die sich ein Energieversorgungssystem erstrecken kann, kann der Abstand zwischen einem Relais und einem oder mehreren seiner ihm zugeordneten Leistungsschalter wesentlich sein. Infolgedessen können die Ausgabesignale vom Relais von den/dem Leistungsschalter(n) mittels eines beliebigen, machbaren Übertragungsverfahrens einschließlich einer fest verdrahteten Leitung, Funkübertragung, einer optischen Verbindung, einer Satellitenverbindung und Ähnlichem empfangen werden.
Während die obige Variante des Beispiels eine Hochgeschwindigkeits-Datenverbindung 161 zwischen dem Sensorelektronikmodul 16 und dem Relais 14-1 verwendet, ist es möglich, ein Datenkompressionssystem (nicht gezeigt) im selben Sensormodul 16 einzuschließen und dadurch den Datenverkehr zwischen dem Sensormodul 16 und dem Relais 14-1 zu reduzieren. Die Datenkompression kann zum Beispiel in Legacy-Systemen verwendet werden, in denen die Relais nicht konfiguriert sind, um Daten mit einer hohen Übertragungsrate zu empfangen. Als ein Beispiel dieser Variante kann die Signalverarbeitungseinheit im Sensormodul 16 zum Beispiel dazu geeignet sein, um das Vorhandensein einer Gleichstromkomponente im gemessenen Strom zu überwachen, wodurch sie zumindest einen Teil der Verarbeitung übernimmt, die üblicherweise innerhalb der Signalverarbeitungseinheit 141 des Relais 14-1 durchgeführt wird. Abhängig vom Grad oder dem Umfang der Verarbeitung, die im Sensormodul 16 durchgeführt wird, kann der Datenverkehr zum Relais im Falle einer Störung auf ein einfaches Signal reduziert werden, das das Vorhandensein einer solchen Störung anzeigt. In anderen Varianten kann die Verarbeitungseinheit im Modul 16 dafür geeignet sein, um die abgetasteten Signale unter Verwendung von gängigen Datenkompressionsverfahren zu komprimieren, um den Datentransfer an das Relais sogar über eine schmalbandige Übertragungsleitung zu verbessern.
Das obige Schutzsystem ist besonders zum Schutz primärer Umspannwerke geeignet, wobei die verbundenen Energieversorgungsleitungen 10 auf einem Potential von 35 kV oder darüber betrieben werden. Die Sensoren 15 können ohne die unhandliche Isolierung installiert werden, die bei herkömmlichen Stromwandlern erforderlich ist. Insbesondere ist es möglich, den Sensorkopf um die Energieversorgungsleitungen herum zu installieren, indem eine Installation auf Potentialpegeln über 35 kV und sogar über 100 kV verwendet wird, die frei von Schwefelhexafluorid (SF₆) ist. In Kombination mit einem SF₆-freien Leistungsschalter 13-1, der zum Beispiel als Vakuum-Leistungsschalter implementiert ist, ist es daher möglich, ein Schutzsystem für primäre Umspannwerke oder andere Hochspannungsinstallationen zu erhalten, die frei von SF₆ sind. Ein solches SF₆-freies Schutzsystem auf der Hochspannungsseite des Energieversorgungsnetzes stellt einen großen Vorteil für die Umwelt dar.
Für die Zwecke dieser Offenbarung kann das in der elektrischen Installation, z.B. im Leistungsschalter, verwendete, dielektrische Fluid, gasförmiges SF₆ oder ein beliebiges anderes Isolationsmedium sein, ob gasförmig und/oder flüssig, und kann insbesondere ein dielektrisches Isolationsgas oder Lichtbogenlöschgas sein. Ein solches, dielektrisches Isolationsmedium kann zum Beispiel Medien umfassen, die eine organische Fluorverbindung umfassen, wobei eine solche organische Fluorverbindung aus der Gruppe bestehend aus folgenden Stoffen ausgewählt sein kann: ein Fluorether, ein Oxiran, ein Fluoramin, ein Fluorketon, ein Fluorolefin und Gemische und/oder Abbauprodukte davon. Hier betreffen die Begriffe „Fluorether“, „Oxiran“, „Fluoramin“, „Fluorketon“ und „Fluorolefin“ zumindest teilweise fluorierte Verbindungen. Insbesondere umfasst der Begriff „Fluorether“ sowohl Fluorwasserstoffether als auch Perfluorether, der Begriff „Oxiran“ umfasst sowohl Fluorwasserstoffoxirane als auch Perfluoroxirane, der Begriff „Fluoramin“ umfasst sowohl Fluorwasserstoffamine als auch Perfluoramine, der Begriff „Fluorketon“ umfasst sowohl Fluorwasserstoffketone als auch Perfluorketone, und der Begriff „Fluorolefin“ umfasst sowohl Fluorwasserstoffolefine als auch Perfluorolefine. Daher kann bevorzugt werden, dass die Fluorether, die Oxirane, die Fluoramine und die Fluorketone vollständig fluoriert, d.h. perfluoriert sind.
In Ausführungsformen wird das dielektrische Isolationsmedium aus der Gruppe bestehend aus folgenden Stoffen ausgewählt: einem (oder mehreren) Fluorwasserstoffether(n), einem (oder mehreren) Perfluorketon(en), einem (oder mehreren) Fluorwasserstoffolefin(en) und Gemischen daraus.
Insbesondere ist der Begriff „Fluorketon“, wie er im Kontext der vorliegenden Erfindung verwendet wird, weit gefasst zu interpretieren und umfasst sowohl Fluormonoketone als auch Fluordiketone oder allgemein Fluorpolyketone. Um dies zu verdeutlichen, kann mehr als eine einzelne Carbonylgruppe, die von Kohlenstoffatomen flankiert wird, im Molekül vorhanden sein. Der Begriff kann auch sowohl gesättigte Verbindungen als auch ungesättigte Verbindungen umfassen, einschließlich Doppel- und Dreifachbindungen zwischen Kohlenstoffatomen. Die zumindest teilweise fluorierte Alkylkette der Fluorketone kann linear oder verzweigt sein und kann gegebenenfalls einen Ring bilden. In Ausführungsformen umfasst das dielektrische Isolationsmedium zumindest eine Verbindung, die ein Fluorketon ist, das gegebenenfalls auch Heteroatome umfassen kann, die in die Kohlenstoff-Hauptkette des Moleküls eingebunden sind, wie zum Beispiel zumindest eines aus: ein Stickstoffatom, ein Sauerstoffatom und ein Schwefelatom, das/die eine entsprechende Anzahl von Kohlenstoffatomen ersetzt/ersetzen. Bevorzugter kann das Fluormonoketon, insbesondere ein Perfluorketon, 3 bis 15 oder 4 bis 12 Kohlenstoffatome und insbesondere 5 bis 9 Kohlenstoffatome aufweisen. Am bevorzugtesten kann es genau 5 Kohlenstoffatome und/oder genau 6 Kohlenstoffatome und/oder genau 7 Kohlenstoffatome und/oder genau 8 Kohlenstoffatome umfassen.
In Ausführungsformen umfasst das dielektrische Isolationsmedium zumindest eine Verbindung, die ein Fluorolefin ist, das aus der Gruppe bestehend aus folgenden Stoffen ausgewählt ist: Fluorwasserstoffolefine (HFO), die zumindest drei Kohlenstoffatome umfassen, Fluorwasserstoffolefine (HFO), die genau drei Kohlenstoffatome umfassen, Trans-1,3,3,3-tetrafluor-1-propen (HFO-1234ze), 2,3,3,3-tetrafluor-1-propen (HFO-1234yf), Trans-1,2,3,3,3-pentafluorprop-1-en (HFO-1225ye (E-Isomer)), Cis-1,2,3,3,3-pentafluorprop-1-ene (HFO-1225ye (Z-Isomer)) und Gemischen daraus.
Das dielektrische Isolationsmedium kann ferner ein Hintergrundgas oder Trägergas umfassen, das sich von der organischen Fluorverbindung unterscheidet (und sich insbesondere vom Fluorether, dem Oxiran, dem Fluoramin, dem Fluorketon und dem Fluorolefin unterscheidet) und in Ausführungsformen aus der Gruppe bestehend aus folgenden Stoffen ausgewählt sein kann: Luft, N₂, O₂, CO₂, einem Edelgas, H₂; NO₂, NO, N₂O; Fluorkohlenstoffe und insbesondere Perfluorkohlenstoffe wie z.B. CF₄; CF₃I, SF₆; und Gemischen daraus.
Das oben beschriebene Schutzsystem für eine Energieversorgungsleitung kann ferner für ein Verfahren verwendet werden, das die im Flussdiagramm in 2 dargestellten Schritte umfasst.
Das Verfahren umfasst den Schritt 21 des Abtastens der Wechselstromwellenform auf der geschützten Energieversorgungsleitung 10. Die Abtastrate wird so eingestellt, um schnellen Änderungen oder transienten Strömen im Wechselstrom zu folgen. Geeignete Abtastraten sind zum Beispiel 30 kHz, 100 KHz, 1 MHz oder höher. Der Erfassungsschritt wird von einem entsprechenden Analyseschritt 22 begleitet, der wie oben beschrieben entweder direkt innerhalb des Sensorelektronikmoduls oder innerhalb der Verarbeitungseinheit des Relais (z.B. der Mikrosteuerung oder des digitalen Signalprozessors (DSP)) auf den Abtastungen ausgeführt wird, die vom Sensormodul über die Datenübertragungsleitungen übertragen werden. Die Analyse umfasst eine Testbedingung, die bewirkt, dass ein TRIP-Signal in einem folgenden Schritt 23 an den/die Leistungsschalter gesendet wird. Anders gesagt testet der Analysator 141, 16 die Gleichstromkomponente i(tr) auf eine Testbedingung, die bewirkt, dass ein Steuersignal TRIP1, TRIP2 in einem folgenden Schritt 23 an den Leistungsschalter 13-1, 13-2, 13-3 gesendet wird. Noch anders gesagt testet der Analysator 141, 16, ob die Gleichstromkomponente i(tr) die Testbedingung (d.h. eine vorher bestimmte Testbedingung) erfüllt, erzeugt dann ein Steuersignal als eine Funktion der Erfüllung oder Nichterfüllung der Testbedingung und sendet im folgenden Schritt 23 das Steuersignal TRIP1, TRIP2 an den Leistungsschalter 13-1, 13-2, 13-3.
Eine geeignete Testbedingung kann zum Beispiel als das Vorhandensein einer Gleichstromkomponente (zumindest über einer gewissen Schwelle) definiert sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Analyse einen Schritt der vollständigen oder teilweisen Wellenformrekonstruktion 22’ des Gleichstrom-Offsetstromsignals umfassen, was unten genauer beschrieben wird. Die Kenntnis der Gleichstrom-Offsetwellenform kann dazu verwendet werden, um weitere Tests oder Vergleiche durchzuführen, die über den Test bezüglich des bloßen Vorhandenseins einer Gleichstromkomponente hinausgehen. Zum Beispiel kann es durch das Vergleichen der Gleichstrom-Offsetstromwellenform mit Signaturwellenformen, die für bekannte Störungsoder Nicht-Störungs-Ereignisse repräsentativ sind, möglich sein, das Verfahren empfindlicher und weniger wahrscheinlich dafür zu machen, dass ein TRIP-Befehl aufgrund eines Nicht-Störungs-Ereignisses ausgelöst wird.
Eine genauere Analyse der Gleichstromkomponente im Energieversorgungsleitungsstrom kann zum Beispiel auf einem Ersatzschaltkreis basieren, wie in 3 gezeigt. In 3 wird die geschützte Leitung aus einer Spannungsquelle v gespeist, wobei z.B. v = sqrt(2)·V·sin(ωt + a), wie von einem Synchrongenerator bereitgestellt, wobei sqrt(2)·V der Amplitudenwert der Spannung ist. Die Übertragungsleitung kann, wie gezeigt, von einem konzentrierten R-L-Serienschaltkreis aus Widerstand und Induktivität mit vernachlässigbarer Leitungskapazität repräsentiert werden. Um die Analyse zu vereinfachen kann angenommen werden, dass der Kurzschluss stattfindet, wenn die Leitung unbelastet ist. Unter diesen Bedingungen wäre der Gesamtstrom I eine Summe aus zwei Komponenten i(ss) und i(tr). Der stationäre, symmetrische Kurzschlussstrom i(ss) kann mathematisch durch i(ss) = sqrt(2)·V/(|Z|·sin(ωt + α – θ)) repräsentiert werden, wobei Z die Leitungsimpedanz ist, die durch Z = sqrt(R² + ω²L²) repräsentiert wird, und θ = tan^–1(ωL/R). Die Phasenverzögerung α oder der Phasenwinkelfehler repräsentiert ein Mittel für den Zeitpunkt, an dem eine Störung in Bezug auf die Spannungszyklen aufgetreten ist.
Die zweite Komponente ist ein transienter Gleichstrom, auch als Gleichstrom-Offsetstrom i(tr) bezeichnet, der mathematisch durch i(tr) = sqrt(2)·V/(|Z|·sin(θ – α)exp(–Rt/L)) repräsentiert wird. Daher kann man erwarten, dass der Gleichstrom-Offsetstrom exponentiell abklingt, und eine Zeitkonstante aufweist, die proportional zum Verhältnis R/L ist.
Die obigen Wellenformen werden ferner für den Fall einer Störung in 4A, 4B, 4C dargestellt. Die Wechselstromspannung v und der symmetrische Kurzschlussstrom i(ss) werden in 4A gezeigt. Der abklingende Gleichstrom-Offsetstrom wird in 4B im zeitlichen Verlauf gezeigt, und der Gesamtstrom i in 4C. Der maximale momentane Kurzschluss tritt bei der ersten Spitze auf, und es kann leicht gezeigt werden, dass er bei α = 0 ein Maximum erreicht. Daher ist der Kurzschlussstrom im stationären Zustand aufgrund der Superposition des symmetrischen Kurzschlussstroms i(ss) und der exponentiell abklingenden Gleichstrom-Offsetkomponente i(tr) erhöht.
Mit dem Wissen über ein solches Modell für den Gleichstrom-Offsetstrom ist es möglich, eine repräsentative Darstellung der vollständigen Wellenform oder zumindest eines Zeitabschnittes der vollständigen Wellenform nach einer kurzen Abtastzeit abzuleiten, die – wie gezeigt – lediglich einige wenige (Anfangs-)Punkte auf der Wellenkurve ergibt. Üblicherweise kann die erforderliche Messung in weniger als einer halben Zykluszeit durchgeführt werden, oder praktisch augenblicklich, wenn sie mit der Zykluszeit verglichen wird.
Die Gleichstrom-Offsetkomponente ist ein Parameter, der während des normalen Betriebs des Energieversorgungssystems nicht vorhanden ist und nur während eines Kurzschlusses auftritt. Daher kann eine Messung des Vorhandenseins des Gleichstrom-Offsets und/oder seiner Wellenform dazu verwendet werden, um Störungen des Energieversorgungssystems zu überwachen.
Bei den bekannten CT-Systemen könnte die Gleichstrom-Offsetkomponente jedoch den CT-Kern sättigen, wie in 5 gezeigt, was unter Verwendung eines CTs während eines Fehler-Überstroms Strommessungen i(CT) reproduziert, wie sie von oben zitiertem R. Hunt veröffentlicht wurden. Indem die Kurven i und i(CT) verglichen werden, zeigt 5 wie stark der CT-Strom i(CT) von der wahren Wellenform des Gesamtstroms i abweichen kann, insbesondere beim Einsetzen der Störung, wenn der Gleichstrom-Offsetstrom ein Maximum aufweist. Der i(CT) gibt die wahren Wellenform nur dann wider, nachdem der Gleichstrom-Offsetstrom abgeklungen ist.
Daher stellen herkömmliche CT-Signale kein gutes und frühes Maß für das Auftreten einer Störung in der geschützten Energieversorgungsleitung bereit. Der FOCS ist andererseits dazu fähig, die Wellenform des Wechselstroms sogar im Falle eines plötzlichen Überstroms präzise zu messen, und eine Abtastung des Stroms i in 5 würde zu einer guten Entsprechung der tatsächlichen Kurve i führen.
Während derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben werden, ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche anderweitig unterschiedlich ausgeführt und praktiziert werden kann. Insbesondere kann eine beliebige Stromsonde, die dazu fähig ist, die Gleichstrom-Wellenform des Stroms in der geschützten Leitung ohne die durch die CT-Sättigung verursachte Verzerrung zu messen, dazu verwendet werden, um den FOCS zu ersetzen.
Bezugszeichenliste

10: Energieversorgungsleitungen
11-1, 11-2: Generatoren
12-1, 12-2: Lasten
13-1, 13-2, 13-3: Leistungsschalter
14-1, 14-2, 14-3: Relais
141: Signalverarbeitungseinheit
15: Stromsensor
151: Faseroptisches Kabel
16: Sensorelektronikmodul
161: Datenübertragungsleitung
17: Voltmeter
21, 22, 22’, 23: Stufen
R: Leitungswiderstand
L: Leitungsinduktivität
v: Leitungsspannung
i: Leitungsstrom
i(ss): Symmetrischer Kurzschlussstrom
i(tr): Gleichstrom-Offsetstrom
i(CT): Stromwandlerstrom

Claims

Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen mit einem Strommessgerät (15) zum Überwachen des Stroms in der geschützten Energieversorgungsleitung (10) und mit einem Leistungsschalter (13-1, 13-2, 13-3), dadurch gekennzeichnet, dass das Strommessgerät (15) einen Sensor zum Überwachen einer Gleichstromkomponente (i(tr)) im übertragenen Strom (i) umfasst und einen Analysator (141, 16) umfasst, der die Gleichstromkomponente (i(tr)) auf eine Testbedingung überprüft, die bewirkt, dass ein Steuersignal (TRIP1, TRIP2) in einem folgenden Schritt (23) an den Leistungsschalter (13-1, 13-2, 13-3) gesendet wird.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach Anspruch 1, worin der Sensor zum Überwachen der Gleichstromkomponente (i(tr)) ein faseroptischer Stromsensor (FOCS, 15) ist.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Analysator (141, 16) empfindlich gegenüber dem Einsetzen des Gleichstroms (i(tr)) ist, und insbesondere der Analysator (141, 16) programmiert ist, um das Einsetzen der Gleichstromkomponente im übertragenen Strom dazu zu verwenden, um ein Steuer- oder Auslöseereignis für den Leistungsschalter (13-1, 13-2, 13-3) zu erzeugen.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Analysator (141, 16) dafür geeignet ist, eine repräsentative Darstellung der Wellenform des Gleichstroms (i(tr)) zu bestimmen.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Analysator (141, 16) einen Schritt der vollständigen oder teilweisen Wellenformrekonstruktion (22’) eines Gleichstrom-Offsetstromsignals umfasst.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach Anspruch 5, worin die Gleichstrom-Offsetstromwellenform mit Signaturwellenformen verglichen wird, die für bekannte Störungs- oder Nicht-Störungs-Ereignisse repräsentativ sind.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach Anspruch 2 oder einem der vorangehenden Ansprüche 3–6, wenn diese von Anspruch 2 abhängen, worin der Analysator (141, 16) Teil eines Stromsensormoduls (16) ist, das analoge Eingangssignale vom faseroptischen Stromsensor (FOCS, 15) empfängt und verarbeitet.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach Anspruch 2 oder einem der vorangehenden Ansprüche 3–7, wenn diese von Anspruch 2 abhängen, worin der Analysator (141) Teil eines Relais (14-1) ist, das mit einem Stromsensormodul (16) verbunden ist, welches über eine Breitband-Datenverbindung (161) analoge Eingangssignale vom faseroptischen Stromsensor (FOCS, 15) empfängt.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das System dafür ausgelegt ist, um innerhalb einer Zyklusdauer oder weniger ein Störungssignal (TRIP1, TRIP2) für den Leistungsschalter (13-1, 13-2, 13-3) zu erzeugen.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach Anspruch 9, worin das System dafür ausgelegt ist, um innerhalb einer halben Zyklusdauer oder weniger ein Störungssignal (TRIP1, TRIP2) für den Leistungsschalter (13-1, 13-2, 13-3) zu erzeugen.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, das in das Schutzsystem für ein primäres Umspannwerk integriert ist, das mit Energieversorgungsleitungen (10) verbunden ist, welche bei einer Spannung von zumindest 35 kV betrieben werden.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Stromsensor (15) in einem Schwefelhexafluorid-(SF₆-)freien Gehäuse installiert ist.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Stromsensor (15) in einem Gehäuse installiert ist, das ein dielektrisches Isolationsmedium, insbesondere ein dielektrisches Isolationsgas umfasst, das eine organische Fluorverbindung umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus folgenden Stoffen ausgewählt ist: ein Fluorether, ein Oxiran, ein Fluoramin, ein Fluorketon, ein Fluorolefin; und Gemische und/oder Abbauprodukte davon.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Analysator (141, 16) überprüft, ob die Gleichstromkomponente (i(tr)) die Testbedingung erfüllt, dann ein Steuersignal als eine Funktion der Erfüllung oder Nichterfüllung der Testbedingung erzeugt, und in einem folgenden Schritt (23) das Steuersignal (TRIP1, TRIP2) an den Leistungsschalter (13-1, 13-2, 13-3) sendet.
Schutzsystem für Energieversorgungsleitungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Testbedingung durch das Vorhandensein einer Gleichstromkomponente definiert ist, insbesondere durch das Vorhandensein einer Gleichstromkomponente über einer Schwelle.
Verfahren zum Schutz einer Energieversorgungsleitung (10), welches einen Schritt (21) des Überwachens des Stroms (i) in der geschützten Energieversorgungsleitung (10) umfasst, gekennzeichnet durch einen Schritt (22) des Detektierens einer Gleichstromkomponente (i(tr)) im übertragenen Strom (i) und gekennzeichnet durch das Analysieren des Gleichstroms hinsichtlich einer Testbedingung sowie durch einen Schritt (23) des Erzeugens eines Störungssignals (TRIP1, TRIP2) für einen Leistungsschalter (13-1, 13-2, 13-3) auf Grundlage der Testbedingung.
Verfahren nach Anspruch 16, welches einen Schritt (22’) des Analysierens einer repräsentativen Darstellung der Wellenform der Gleichstromkomponente (i(tr)) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, worin der Strom (i) mit einer Abtastrate von 100 kHz oder mehr abgetastet wird.