DE1591882A1

DE1591882A1 - Fehlerortungsgeraet fuer elektrische Verteilernetze

Info

Publication number: DE1591882A1
Application number: DE1967E0034749
Authority: DE
Inventors: Hans Hoel
Original assignee: English Electric Co Ltd
Current assignee: English Electric Co Ltd
Priority date: 1966-09-13
Filing date: 1967-09-12
Publication date: 1971-01-07
Also published as: DK132727C; DE1591882C3; NO116208B; JPS4715499B1; CH453495A; US3474333A; GB1204901A; DE1591882B2; FI43451B; SE343146B; DK132727B

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, ¹²· September 19όγ

UNSER ZEICHEN: 11009 " Κ/lÖ

The English Electric Company Limited, London/England

Fehlerortungsgerät für elektrische Verteilernetze

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes zwischen einer Fehlstehle eines elektrischen Übertragungssystems und einer definierten Bezugsstelle ind diesem System. Zum Beispiel soll hiermit die Entfernung zwischen einer Anschlußstelle einer Übertragungsleitung oder von einer Verteilerstation und einem Kurzschluß innerhalb der Leitung gemessen werden.

Die Erfindung geht aus von einem Gerät zur Bestimmung des Abstandes zwischen einer Überwachungsstation in einem Wechselstromsystem und einem Fehler, der dieses System beeinträchtigt, und ist gflOT^^fmXggcfflmqBq? in der V/eise ausgebildet, daß eine erste Vorrichtung die Systemspannung an der Station überwacht, daß eine zweite Vorrichtung den System strom überwacht und den Nulldurchgang des Stromes feststellt, daß eine Kontrollvorrichtung, die im Augenblick des Stromnulldurchganges auftretende Spannung und die Ableitung des Stromes nach der Zelt in jenem Augenblick feststellt,

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■ und, daß eine Ausgangsstufe das Verhältnis zwischen diesen

mißt,
Größer, iffibc, wodurch die Induktanz des System erhalten wird und der Abstand bestimmt werden kann, in dem dieser Induktanzwert mit jenem des fehlerfreien Systems verglichen viird.

Das Wechselstromsystem kann eine Hochspannungsübertragunsleitung sein und das Gerät spricht zweckmäßigerweise nur dann an, wenn ein Auslösesignal für einen Schutzleistungsschalter erzeugt wird. Die Spannungen, die proportional der Leitungsspannung und der Ableitung des Leitungsstromes sind, werden abgenommen, bevor der Leistungsschalter öffnet. Im einzelnen ist nur eine Halbperiode erforderlich, um die entsprechenden Werte zu er-halten, aber in der Praxis wird ein Mittelwert dieser Größen benutzt, und zwar ein Mittelwert über z.B. zwei Perioden, bevor die Messung durchgeführt wird (vorausgesetzt daß der Leistungsschalter hinsichtlich seiner Betriebszeit dies zuläßt). Dadurch werden jegliche örtlichen Unregelmäßigkeiten infolge von Einschwingvorgangen us.w. ausgeschaltet.

Demgemäß macht die Erfindung von der Tatsache Gebrauch, daß im Augenblick des Stromnulldurchgangs der Spannungsabfall in dem ohmschen Widerstand der Leitung gleich null ist, während der Spannungsabfall infolge jener Komponenten, die einen induktiven Blindwiderstand besitzen, proportional zu der ersten Ableitung des Stromes in diesem Augenblick ist (di/dt). Da V = L di/dt kann die Induktanz der Leitung unter den herrschenden Bedingungen leicht erhalten werden, und durch

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Vergleich dieser Induktanz mit bekannten \'erten dieser Größe :im allen Stellen längs der Leitung unter fehlerfreien Bedingungen, kann die tatsächliche Entfernung dec Fehlers bestimmt ',;erd<:;ri. In gewissen Fällen, insbesondere wenn Sättigungstransformator en benutzt v/erden, können genaue Messungen erlangt werden, wenn die Stromableitung in einem Augenblick bestimmt wird, der unmittelbar dem Nulldurchgang der Stromv.'ollenform folgt, da eine rovir-i.e magnetische Remanenz andernfalls diese Größe beeinträchtigen könnte. Venn in der Beschrei-L^-;';.-ΰο:ηίξ(ϊΐηΊΰί von "Stromnulldurchgang" die Rede ist, so soll dir?:^? auch t-eringfügige Abweichungen vom axakten Zeitpunkt einrc¹:; lie.: en.

nachstehend v:ird ein Ausführungsbeispiel dor Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung neigen:

Fig. ! : ein Blockschaltbild dec erfindungsgemäiren Gerätes;

Fig. 2: eine ins einzelne gehende Schaltung des in Fig. 1 dargestellten Gerätes;

Fig. jf.-(a) bis 3(d): verschiedene Vellenformen, die an unterschiedlichen Teilen des Gerätes auftreten.

Fig. 1 zeigt ein Gerät gemäß der Erfindung zur Feststellung der Lage eines in einer Übertragungsleitung 1 aufgetretenen Fehlers. Das Gerät dient insbesondere zur Bestimmung der genauen Entfernung des Fehlers von einem bestimmten Ort.

In die Übertragungsleitung 1 ist ein Leistungsschalter 2 ein-

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geschaltet und an die Leitung ist ein Spannungswandler 3 und ein Stromwandler 4 angeschlossen. Der Ausgang des Spannungswandlers wird einer Schaltstufe 5 zugeführt, die durch den Stromeingang des Transformators 4 überwacht wird, um die Spannungswellenform abnehmen zu können, die zwischen benachbarten Augenblicken auftritt, in denen Spannung und Strom durch null gehen. Der Ausgang des Stromwandlers 4 wird außerdem einer Differentiatorstufe 6 zugeführt, die am Ausgang

die Ableitung des Stromes eine Spannung erzeugt, welche/xtnxx&EKxMJcjam im Augenblick

des Nulldurchganges aJQfcäJQgig ist.

Die Spannungsausgänge der Schaltstufe 5 und des Differentiators 6 werden über einen Schalter 7 Speicherstufen fa, 9 zugeführt, wobei der Schalter 7 während einer vorbestimmten Zeitdauer durch eine Zeitgeberstufe 10 geschlossen wird, die gemäß einem Auslösesignal für den Leistungsschalter 2, das von einer Eingangsklemme 11 herrührt, betätigt wird.

Die in der Stufe δ gespeicherte Größe ist demgemäß ein Spannungs wert (V), der proportional der Leitungsspannung im Augenblick des Stromnulldurchganges ist, und die Größe, die in der Stufe 9 gespeichert wird, ist ein Spannungswert proportional · der Ableitung des Leitungsstromes nach der Zeit (di/dt). Die Relativgröße oder das Verhältnis dieser zwei Spannungen wird dann in einer Ausgangsspannung 12 bestimmt, die aus die- <ÜC$ Information eine Anzeige der Distanz des Fehlers von diesem Ort liefert, da hierdurch die Leitungsinduktanz unter der Fehlerbedingung V=L di/dt.

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Es wird nun auf die Figuren 2 und 3(a) bis J5(d) Bezug genommen. In Verbindung mit diesen Figuren wird die Arbeits-' weise und die Schaltung näher besehrieben. Zunächst wird auf die Zeitgeberstufe 10 Bezug genommen, die nicht im einzelnen dargestellt ist, da sie von herkömmlicher Konstruktion sein kann, und zweckmäßigerweise aus einer RC-Schaltung be-

Lade steht j die gemäß, dem Auslösesignal ihren Kagastrom während einer kurzen Zeitdauer an einen Elektromagnet legt, bis die Kondensatorspannung einen bestimmten Wer^/angenömmen hat. Die-, se Spannung kann dann auf diesen.-Wert begrenzt werden, worauf die induzierte EMK in der Elektromagnetspule -auf null zusammenbricht. Der Elektromagnet und demgemäß der Schalter 7 können so während einer Zeitdauer von z.B. zwei Perioden nach Eileitung des Auslösesignals geschlossen sein.

Es sollen nun die Hauptschaltungselemente betrachtet werden. Der Ausgang des Stromwandlers 4-wird einem Transformator 1]5 der Stufe 5 zugeführt, an dessen Sekundärwicklung ein Schalter 14 und eine Spule 15 angeschaltet sind. Wenn der Schalter 14 geschlossen ist, z.B. gemäß einem Signal der Zeitgeberstufe 10, dann wird die Spule aufeinanderfolgend in entgegengesetzten Richtungen gemäß dem Eingangssignal bewegt, um einen Umschaltkontakt 16 zwischen zwei festen Kontakten 17 und 18 zu betätigen, dabei ist der Anker der Spule 15 mit dem Umschaltkontakt 16 verbunden. Parallel zu diesen Kontakten 17 und l8 liegt ein Widerstand 20, und an diesem Widerstand wird eine Wechselspannung abgenommen, deren Wert von dem Anteil der Sekundärspannung abhängig ist, die von einem Transformator abgenommen wird, welcher mit dem Spannungswandler J5 gekoppelt

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ist. Zwei gegeneinander geschaltet Dioden 22, 2^ sind ebenfalls parallel zu den Kontakten 1?', Ib geschaltet. Eine Zenerdiode 24 liegt zwischen den Klemmen 26, 27, d.h. zwischen der Verbindung dieser Dioden und dem Kontakt 16. Demgemäß fließt, wenn der bewegliche Kontakt dem festen Kontakt Ib anliegt und die Spannung am V.'iderstand 20 derart ist, daß sie an der Klemme 17 ein positives Potential und an der Klemme Ic ein negatives P.otential hat, der Strom durch die. Diode 22 und zurück durch diesen Kontakt 16, so daß eine Spannung an den Klemmen 26, 27 auftritt. Wenn jedoch der Kontakt 16 im Augenblick des Stromnulldurchgangs von dem Transformator 15 umschaltet, dann wird der Strompfad unterbrochen, bis die Spannungspolaritat am Transformator 21 sich ändert, wenn der Strom wieder durch diesen Pfad über die Diode 23 fließt. So wird eine Reihe von Spannungsimpuls en an den Klemmen 26, 27 (Fig. 3(b)) entsprechend der Sekundärspannungswellenform am Transformator 21 (Fig. 2(a)) erzeugt und während derjenigen Perioden abgetastet, in denen der Sekundärstrom des Transformators IJ> (Fig. 3(c)) den Umschaltkontakt 16 aufeinanderfiigend mit den Kontakten 17, 18 verbindet.

Die mechanisch gekoppelten Kontakte 29, j50 des Schalters 7 werden durch die Zeitgeberstufe 10 bei Beginn eines Auslösesignals wie oben erwähnt geschlossen, und demgemäß werden diese Spannungsimpulse über die geschlossenen Kontakte 29 zvr Aufladung eines Kondensators ^l in dem Speicherkreis δ wirksam. Dieser Kondensator speichert den maximalen Spannungswert dieser individuellen ^ülse und bewirkt eine gewisse" Integration, um ein fehlerhaftes Ansprechen auf individuelle

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Unregelmäiigkeiten der Spannungsimpulse zu vermeiden.

Der Ausgang des Stromwandlers 4 wird ausserdem einem Transformator 32 in der Differentiatorstufe 6 zugeführt. Die Sekundärwicklung dieses "-Transformators ist mit einem Ende an einem Paar parallel geschalteter Kondensatoren 34, 35 angeschaltet, die durch einen ' iderstand ::G überbrückt sind. D.as andere Ende der Sekundärwicklung ist an einem Vorbindungspunkt zwischen zwei Spulen 3Y» 3ö angeschaltet, deren beide anderen Enden über Dioden 39, 4o an die Kondensator-■.iderstandsverbindungen angeschlossen sind.

Die dem Leitungsstrom proportionale Sekundärwechselspannung wird durclr die-Stufe .6 differentiert und die Dioden 39, 40 leiten während aufeinanderfolgender Perioden, so da:3 eine steile V.'ellenfront den Spulen 3Y, 3b geliefert wir-d, die notwendig ist, um die Spitzen-Impulse zu erzeugen. Die Restladung der Kondensatoren 34,' 35 dient zur Dämpfung der Neigung zum "Klingen" (ringing). So werden in einer Richtung verlaufende Impulse, die proportional der Ableitung der Sekundärspannung sind, an den Spulen '■?;, ;>o (Fig. ;ä) erzeugt, die bei jedem Spannungsnulldurchgang auftreten, d.h. in dem Augetolick in dem der Leitungsstrom Null ist und sie werden über den Schalter 30 einen Kondensator 42 zugeführt. Eine Zehnerdiode 43 liegt im Nebenschluß um die Größe dieser Impulse zu begrenzen.

Demgemäß ist die in dem Kondensator 3I gespeicherte Spannung proportional zu der Leitungsspannung (V) bei Stromnulldurchgang und di'e Sapannung die in dem Kondensator 42 gespeichert wird ist proportional der Ableitung des Leitungsstromes (di/dt) bei Stromnull-

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durchgang.

Die Beziehung zwischen diesen beiden Größen wird durch die Ausgangsstufe 12 bestimmt und diese Stufe weist eine Verhältnisbestimmungsstufe auf, der eine Ausgleichsanzeigestufe folgt. Die erstere Stufe weist einen Spannungsteiler, bestehend aus einem festen 'Widerstand 44 und einem Potentiometer 45 "auf. Der Schleiferarm des Potentiometers ist mit dem Kondensator 42 und mit dem anderen Potentiometer 46 verbunden, der seinerseits an den V,^fiderstand 44 angeschaltet ist. Der Schleifer dieses Potentiometers 46 ist an den anderen Kondensator Z>\ angeschlossen. Ausserdem ist in diese Stufe ein V.'ählschalter 48 eingefügt, der mit der Gatterelektrode eines Transistors 49 verbunden ist, der einen extrem niedrigen Reststrom besitzt. Dieser Transistor 49 kann z.B. von der Bauart mit Isoliergitter und Metalloxyd-Silikon-Feldwirkung sein. Die folgende Ausgleichsanzeigestufe ist von herkömmlicher Bauart und besitzt zv/ei Transistoren 50, 51, die in der aus Figur 2 ersichtlichen Ueise parallel geschaltet sind, wobei ein Meßgerät 52 zwischen ihren Kollektor-Elektroden liegt und ein Potentiometer 5^· in ihre gemeinsame Emitterverbindung eingeschaltet ist.

Ursprünglich befindet sich der Schalter 46 in der Stellung A und die Kondensatoren sind entladen, wobei das Potetiometer 5^ so eingestellt ist, daß das Meßgerät 52 im Hinblick auf'die wirksame.Eingangs Spannung, d.h. im Hinblick auf die über den festen Widerstand 44 abgenommene $annung abgeglichen ist.

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Vienn nun ein Fehler in dem zu schützenden System auftritt, wird ein Auslösesignal für den Schutzleistungsschalter 2 an der Klemme 11 erzeugt und dies führt dazu, daß die Zeitgeberstufe 10 erregt wird und die Kondensatoren 31, 42 in der beschriebenen T'Jeise geladen werden. Die Zeitdauer während der die Zeitgeberstufe erregt wird, kann zv/eckmäßigerweise zwei Perloden des Ivechselspannungssystems entsprechen, um eine mittlere Ablesung über Λ Stromnulldurchgänge zu erlangen oder solch eine kürzere Periode könnte durch die Betriebszeit des Leistungsschalters bestimmt werden. Eine gerade Zahl von Halbwellen ist zu bevorzugen, damit Unregelmäßigkeiten der einen oder anderen Halbwelle kompensiert werden.

Wenn die Ausgangsstufe wie erwähnt eingestellt ist, wird dann der Schalter 48 in die Stellung B bewegt und derSchleiferarm des Potentiometers 45 wird so eingestellt, daß das Meßgerät 52 in seine Ausgangsstellung überführt wird. Dieses Instrument wird demgemäß gegenüber einer Spannung über dem Kondensator 42 (di/dt) ausgeglichen, da es diese Größe ist, die an dem oberen Teil des Potentiometers 45 auftritt und einen zusätzlichen Eingang des Transistors 49 unter dieser Bedingung bildet. Daraufhin wird der Schalter 48 in die Stellung C überführt und der Schleiferarm des Potentiometers 46 wird so eingestellt, daß das Meßgerät 52 in die Ausgleichsstellung zurückgeführt wird. Das Meßgerät wird nunmehr gegenüber der Spannung über dem Kondensator Jl (V) abgeglichen, da· es diese Größe ist, die am oberen Abschnitt des Potentiometers 45 abfällt, welche.nun den zusätzlichen Eingang des Transistors 49 bildet. Da die Gesamtspannung über dem

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- ίο -

Potentiometer 46 (di/dt) darstellt, representiert die Spannung über dem oberen Abschnitt nunmehr V und durch geeignete Sichung der Verstellung des Schleifers kann erreicht werden, daß direkt das Verhältnis von V zu di/dt angezeigt wird, d.h. die Induktanz der Leitung die in Verbindung mit bekannten Leitungsparametern ihrerseits die Entfernung längs der Leitung bis zu dem Fehler anzeigt.

Das vorgeschriebene Ausführungsbeispiel kann in verschiedener Hinsicht abgewandelt werden ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann eine Ausgangsstufe 12 für mehrere Gruppen von Stufen 5 bis 9 vorgesehen werden, die verschiedenen Leitungen oder verschiedenen Phasen eines Mehrphasensystems zugeordnet sind. Die Stufe 12 kann einstöpselbar sein. In diesem Falle können.weitere Kondensatoren an zwei Gruppen von Eingangsklemmen dieser Vorrichtung vorgesehen werden, die parallel zu den Speicherkondensatoren 51> ^2 liegen, so daß sie die Ladung dieser Kondensatoren empfangen, wenn die Vorrichtung eingestcpeelt wird. Hierdurch können Schaltungselemente mit geringeren Menndaten im Ausgangskreis benutzt werden, da die gespeicherte Spannung dann reduziert wird, wenn die GesantLadung gemeinsam ist. Dieses Merkmal ist insbesondere vorteilhaft, da hierdurch die Möglichkeit geschaffen wird, daß hohe Spannungen durch die Stufe 5 verarbeitet werden können, so daß die Dioden hierin ständig im lineparen Teil ihre Charakteristik arbeiten, während die

der

Spannung der/Transistor 49 ausgesetzt ist, entsprechend vermindert wird.

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Auss-errlen können verschiedene andere S ehal tungsmerkmale zusätzlich benutzt werden, z.B. eine Schaltstufe zur Entladung der Speicherkondensatoren nach einer-Meßfolge. Diese zusätzlichen Stufen wurden jedoch der Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung weggelassen.

- - Patentansprüche 009882/0395 /

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Claims

P_a tentansgrüche :

1.) Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes zwischen einer Überwachungsstation in einem Wechselstromsystem und einem dieses System beeinträchtigendem Fehlers mit einer Überwachungsvorrichtung, die sowohl die Systemspannung an der Station als auch den Systemstrom überwacht, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste Steuervorrichtung (5) die Spannung bestimmt, die in jenem Augenblick auftritt, zu dem der Strom durch Null geht, daß eine zweite Steuereinrichtung (6) die Ableitung dieses Stromes nach der Zeit während dieses Nulldurchganges bestimmt und daß Ausgangsstufen (8,9*12) das Verhältnis zwischen diesen Größen messen, um die Induktanz des Systems zu erhalten und durch Vergleich dieses Induktanzwertes mit jenem des fehlerfreien Systems die Entfernung zu bestimmen.

2.) Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gek enn zeichnet, daß eine Zeitgeberstufe (10) die Steuereinrichtung nur während einer vorbestimmten Zeitdauer nach Auftreten eines Fehlers des Systems wirksam macht, wobei die minimale Dauer dieser Periode nicht geringer als eine halbe Periode der Freuqenz des -'echselstromssystems ist.

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j5.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe Speicherstufen (8,9) enthält, die die Spannungswerte die der Ableitung des Stromes, bestimmt durch die Steuereinrichtung bzw. der Spannung, die im Augenblick des Stromnulldurchganges erreicht wird, entsprechen, getrennt speichern.

4.) Vorrichtung nach Anspruch 3*

dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereinrichtung einen Schaltmechanismus (l6-l8) aufweist, der gemäß dem zu überwachenden Systemstrom wirksam ist, um die überwachte Spannungs-eilenform jeweils einmal während jeder Halbperiode zwischen dem Augenblick des Spannungsnulldurchganges und des Stromnulldurchganges abzutasten.

5.) Vorrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß der Schaltmechanismus Richtleiter (22,23) aufweist, die so geschaltet sind, daß alle Wellenformen in eira? Richtung auftreten.

6.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet ,

daß dar Speicher einen ersten (3I) und einen zweiten (42) Kondensator aufweist, um im wesentlichen die Spitzenwerte 009882/0395 /

der Spannungsweilenformen bzw. die der Stromableitung entsprechende Spannung zu speichern.

7.) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Ausgangsstufe einen Abgleichsanzeiger (50-52) aufweist und dass erste (46) und zweite (45) Steuerorgane vorgesehen sind, denen die Spannungswerte zugeführt v/erden, die

durch den ersten bzw. zweiten Kondensator gespeichert v/erden und die jeweils unabhängig von-einander einstellbar sind um das Anzeigegerät abzugleichen.

8.) Vorrichtung nach Anspruch ?',

dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Steuerorgane aus Potentiometer bestehen, die je einen Schleiferarm aufweisen, daß das erste Potentiometer (46) insgesamt parallel zu jenem Teil des zv/eiten Potentiometers (45) geschaltet ist, der zwischen einem Ende und dem Schleifer liegt, daß eine Schaltvorrichtung (48) aufeinanderfolgend die Spannungen über jenem Teil des zweiten Potentiometers und die Spannung über dem entsprechenden Teil des ersten Potentiometers abtastet, wodurch bei Abgleich des Anzeigegerätes die Versetzung desSchleifers auf dem ersten Potentiometer das Verhältnis der Spannungen über dem ersten und zweiten Speicherkondeiaator fanzeigt.

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9·) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis b, dadurch gekennzeichnet , daß eine einzige Ausgangsstufe vorgesehen ist, die wahlweise an mehrere Schaltungen anschließlßar ist, um getrennt die Größen zu bestimmen, die verschiedenen Leitungen oder verschiedenen Phasen eines Mehrphasen-V.'echselstromsystems eigen sind.