DE1788026C3

DE1788026C3 - Arrangement for the detection of earth faults and for the protection of the conductors in a three-phase network with an earthed neutral point

Info

Publication number: DE1788026C3
Application number: DE19681788026
Authority: DE
Inventors: Michel Fontenay-aux-Roses; Fonteny Michel Vert-le-Petit; Souillard (Frankreich)
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Filing date: 1968-09-18
Publication date: 1977-04-28

Description

soso

Die Erfindung betrifft eine zweckmäßige Ausgestaltung riner Anordnung zur Feststellung von Erdschlüssen und zum Schutz der Leiter in einem Dreiphasennetz mit geerdetem Nullpunkt, mit drei Kreisen, von denen jeder die Sekundärwicklung eines Spannungswandlers, ss dessen Primärwicklung zwischen einer Phase und Erde angeschlossen ist, und in Reihe damit eine für alle Kreise gleiche Nachbildungsimpedanz enthält, deren Wert die Impedanz des zu überwachenden und zu schützenden Leitungsabschnitts darstellt und die das gleiche (>o Argument wie die direkte Impedanz der Leitung hat, und mit einem Relais, von dem drei Eingänge jeweils mit einem der drei Kreise und ein gemeinsamer weiterer Eingang über eine gemeinsame Impedanz mit dem Sternpunkt der drei Kreise verbunden sind und von dem fts der Ausgang mit einer Auslöseanordnung verbunden ist, wobei das Relais als Spannungsvorzeichenvergleichsschaltung ausgeführt ist, die dann ein Signal abgibt, wenn ihre drei Eingangsspannungen das gleiche Vorzeichen haben (nach Patent 15 88 105).The invention relates to an expedient embodiment r iner arrangement for the detection of earth faults and for the protection of the conductors in a three-phase network with a grounded zero point, with three circles, each of which is the secondary winding of a voltage transformer, ss whose primary winding is connected between a phase and earth, and in Series so that it contains a simulation impedance that is the same for all circuits, the value of which represents the impedance of the line section to be monitored and protected and which has the same (> o argument as the direct impedance of the line, and with a relay, of which three inputs each with one of the three circuits and a common further input are connected to the star point of the three circuits via a common impedance and the output of the fts is connected to a tripping arrangement, the relay being designed as a voltage sign comparison circuit which then emits a signal when its three input voltages the same advantage have ichen (according to patent 15 88 105).

Die Anordnung nach dem Hauptpaisnt arbeitet im allgemeinen zufriedenstellend; es ist jedoch festzustellen daß in manchen Fällen der Fehler, beispielsweise zwischen einer Phase und Erde oder zwischen zwei Phasen und Erde, einen solchen Widerstand darstellt, daß die Anordnung betätigt werden kann, d. h„ daß der Fehler festgestellt wird, obwohl er jenseits der Grenze des zu schützenden Leitungsabschnittes auftrittThe arrangement after the main paisnt works in generally satisfactory; however, it should be noted that in some cases the error, for example between a phase and earth or between two phases and earth, represents such a resistance, that the arrangement can be actuated, d. h "that the Error is detected although it occurs beyond the limit of the line section to be protected

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Anordnung zu schaffen, bei welcher die Fehler ,nur bis zur Grenze der zu schutzenden Leitungsabschnitte festgestellt werden, ohne daß die Größe des Widerstands dieser Erdschlüsse berücksichtigt werden muß. ■ · * j λ The object of the present invention is to create an improved arrangement in which the faults are only detected up to the limit of the line sections to be protected, without the magnitude of the resistance of these earth faults having to be taken into account. ■ * j λ

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Anordnung der eingangs genannten Art gekennzeichnet durch einen Analog-Digital-Umsetzer, welcher mit einer mit dem Reststrom in Phase befindlichen Spannung beaufschlagt wird und dessen Ausgang über eine Nicht-Schaltung mit einem zusätzlichen, an Weder-Noch- und Und-Schaltungen in dem Relais vorgesehenen Eingang verbundenTo solve this problem, an arrangement is the initially mentioned type characterized by an analog-to-digital converter, which with one with the Residual current in phase voltage is applied and its output via a non-circuit with connected to an additional input provided at neither-nor- and and-circuits in the relay

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail, for example, with the aid of the figures. It shows

Fig. i ein Schaltbild einer Ausführungsform derFig. I is a circuit diagram of an embodiment of the

Erfindung, .Invention,.

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Kennlinie des die Anordnung gemäß der Erfindung bildenden Relais, aus welcher der Einfluß eines einen Widerstand bildenden Erdschlusses ersichtlich ist, und dieF i g. 2 is a graph showing the characteristics of the relay forming the arrangement according to the invention; from which the influence of a ground fault forming a resistance can be seen, and the

F i g. 3A und 3B graphische Darstellungen, welche die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung zeigen. F i g. 3A and 3B are graphs showing the Show operation of the arrangement according to the invention.

Wie bei der Anordnung nach dem Hauptpatent ist ieweils eines der Fnden der Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren 11,12 und 13 mit einem Ende der Primärwicklung der Nachbildungs-Gegeninduktivitäten 14, 15 und 16 verbunden. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren 11, 12 und 13 sind an ihrem Ende miteinander verbunden, und das gleiche gilt für das andere Ende der Primärwicklungen der Nachbildungs-Gegeninduktivitäten 14,15 und 16.As with the arrangement according to the main patent, one of the finds of the secondary windings is the Current transformers 11,12 and 13 with one end of the Primary winding of the replica mutual inductances 14, 15 and 16 connected. The secondary windings of the Transformers 11, 12 and 13 are connected together at their end, and the same goes for that other end of the primary windings of the replica mutual inductors 14, 15 and 16.

Die beiden Verbindungspunkte der Transformatoren 11,12 und 13 einerseits und der Nachbildungs-Gegeninduktivitäien 14,15 und 16 andererseits sind über Leiter 10,10' mit der Primärwicklung einer Nachbildungs-Gegeninduktivität 17 verbunden, und ein Nebenschlußwiderstand 26 liefert eine mit dem Reststrom /_rin Phase befindliche Spannung.The two connection points of the transformers 11, 12 and 13 on the one hand and the replica mutual inductances 14, 15 and 16 on the other hand are connected via conductors 10, 10 'to the primary winding of a replica mutual inductance 17, and a shunt resistor 26 supplies one with the residual current / _r voltage in phase.

Mit 21, 22 und 23 sind drei Spannungstransformatoren bezeichnet, deren Primärwicklungen jeweils zwischen eine Phase und den mit Nbezeichneten Nullpunkt geschaltet sind, wobei die drei Phasen mit A, B und C bezeichnet sind.With 21, 22 and 23 three voltage transformers are designated, the primary windings of which are each connected between a phase and the zero point designated with N , the three phases being designated with A, B and C.

Eines der Enden der Sekundärwicklungen dieser Transformatoren ist mit dem gemeinsamen Punkt P verbunden, welcher seinerseits mit einer der Klemmen der Sekundärwicklung der Gegeninduktivität 17 verbunden ist. Die Sekundärwicklungen der Spannungs transformatoren 21,22 und 23 sind außerdem jeweils mit den Sekundärwicklungen der Gegeninduktivitaten 14, 15 und 16 so verbunden, daß drei Stromkreise gebildet werden, die jeweils an den Eingangsklemmen von Verstärkern 1, 2 und 3 enden, wobei jeder dieser Stromkreise die Sekundärwicklung eines der Spannungstransformatoren, die Sekundärwicklung einer derOne of the ends of the secondary windings of these transformers is connected to the common point P , which in turn is connected to one of the terminals of the secondary winding of the mutual inductance 17. The secondary windings of the voltage transformers 21, 22 and 23 are also connected to the secondary windings of the mutual inductances 14, 15 and 16 so that three circuits are formed, each of which ends at the input terminals of amplifiers 1, 2 and 3, each of these circuits the secondary winding of one of the voltage transformers, the secondary winding of one of the

Gegeninduktivitäten 14, 15 und 16 und die Sekundärwicklung der Gegeninduktiviiät 17 enthält. Ein zusätzlicher Verstärker 8 wird mit einer Spannung, welche mit dem Reststrom l_r an den Klemmen des Nebenschluß widerstandes 26 in Phase steht, beispielsweise mittels eines Isoliertransformators 25 beaufschlagt. Mutual inductances 14, 15 and 16 and the secondary winding of the mutual inductance 17 contains. An additional amplifier 8 is supplied with a voltage which is in phase with the residual current I _r at the terminals of the shunt resistor 26, for example by means of an insulating transformer 25.

Die Verstärker 1, 2,3 und 8 sind Analog-Digital-Um setzer, welche jeweils ihre Eingangsspannurg in Binärsignale mit den beiden Signalzuständen 0 oder 1 umwandeln The amplifiers 1, 2, 3 and 8 are analog-to-digital converters, each of which converts its input voltage into binary signals with the two signal states 0 or 1

Die Ausgänge der Verstärker 1,2 und 3 sind einerseits mit einer Und-Schaltung 4 und andererseits mit einer Weder-Noch-Schitltung 5 verbunden. Die Ausgänge der Schaltungen 4 und 5 sind mit einer Oder-Schaltung 6 verbunden, deren Ausgang seinerseits mit einer Kurzzeitsspeicherschaltung 7 verbunden ist, welche die eventuelle Auslösung eines Auslöseorgans 20 steuert, das aus einem Dreiphasenabschalter bestehen kann. The outputs of amplifiers 1 , 2 and 3 are connected on the one hand to an AND circuit 4 and on the other hand to a neither-nor circuit 5. The outputs of circuits 4 and 5 are connected to an OR circuit 6, the output of which is in turn connected to a short-term memory circuit 7 which controls the eventual triggering of a trigger element 20, which can consist of a three-phase switch.

Im Hauptpatent ist erläutert, wie es erreicht wurde, daß in bestimmten Fällen, in denen der Wert Zj, d. h. die Mit- oder direkte Impedanz der einen Erdschluß aufweisenden Phase, kleiner ist als der Wert der Bezugsimpedanz Z, welches die Impedanz des zu schützenden Leitungsabschnittes ist, die Polarität der Spannung VV, VV oder V₁-', welche an den Eingangsklemmen des der mit dem Erdschluß behafteten Phase entsprechenden Verstärkers 1, 2 oder 3 auftritt, bezüglich der Polarität der Spannung VV V oder V'.. zwischen der fehlerhaften Phase und Erde beständig umgekehrt ist.In the main patent, it is explained how it was achieved, that in certain cases where the value Zj, ie the co- or direct impedance of a ground fault having phase is smaller than the value of the reference impedance Z, which is the impedance of the protected line section is, the polarity of the voltage VV, VV or V ₁ - 'which occurs at the input terminals of the amplifier 1, 2 or 3 corresponding to the phase affected by the earth fault, with respect to the polarity of the voltage VV V or V' .. between the faulty Phase and earth is constantly reversed.

I₁Ti Hauptpatent ist außerdem erläutert, daß die Vektoren der drei Spannungen Vj. V₁, V₁ bei normalem Betrieb gegeneinander um 120⁼ versetzt sind, während in allen Fällen eines einphasigen oder zweiphasigen Erdschlusses, naturlich unter der Voraussetzune. daß uie direkte Impedanz der fehlerhaften Leitung kleiner als die Bezugsimpedanz Z ist. die maximale Phasenverschiebung zwischen den paarweise genommenen Spannungen Vj, VV. V.' kleiner als 180 ist.I ₁ Ti main patent is also explained that the vectors of the three voltages Vj. V ₁ , V ₁ are offset from one another by 120 ⁼ in normal operation, while in all cases of a single-phase or two-phase earth fault, of course under the prerequisite. that uie direct impedance of the faulty line is less than the reference impedance Z. the maximum phase shift between the paired voltages Vj, VV. V. ' is less than 180.

Wenn die Messung der Entfernung des Erdschlusses mit einem positiven Fehler behaftet ist. so kann man annehmen, daß der Erdschluß jenseits der Grenze des zu schützenden Abschnittes festgestellt werden konnte. Man sieht nämlich in der Wirkwiderstanas-Blindwiderstands-Ebene, d.h. in der R-X-Koordinatenebene (Fig. 2). daß die Kennlinie des Relais, welches die im Hauptpatent beschriebene Anordnung bildet, ein Kreis Cist. so daß es geschehen kann, daß ein an der Leitung jenseits der geschützten Zone vorhandener, jedoch einen Widerstand aufweisender Erdschluß so festgestellt wird, als ob er sich im Innern der geschützten Zone befände, was bei Z-, gezeigt ist, da in diesem Fall die geschätzte Impedanz einer Impedanz im Innern der geschützten Zone entspricht.When the measurement of the distance to the ground fault has a positive error. so you can assume that the earth fault could be determined beyond the limit of the section to be protected. You can see in the active resistance-reactance level, i.e. in the R-X coordinate plane (Fig. 2). that the characteristic of the relay, which the im The arrangement described in the main patent forms a circle Cist. so that it can happen that one is on the line Any earth fault that is present beyond the protected zone but has resistance is thus determined becomes as if it were inside the protected zone, which is shown at Z-, since in this case the estimated impedance corresponds to an impedance inside the protected zone.

Aus diesem Grunde wurde gemäß dem Hauptpatent auch vorgeschlagen, eine Verzögerungsschaltung nach der Oder-Schaltung vorzusehen, was eine Umwandlung der kreisförmigen Kennlinie (Tin eine Kennlinie Γ mn elliptischer Form zur Folge hat. Diese Anordnung ermöglicht zwar in den meisten Fällen, daß die Feststellung eines Impedanzfehlers Z vermieden wira. sie hat aber trotzdem den Nachteil, daß die Länge der geschützten Leitung verringert wird.For this reason, it has also been proposed according to the main patent to provide a delay circuit after the OR circuit, which converts the circular characteristic curve (Tin to a characteristic Γ mn elliptical shape Impedance error Z is avoided, but it nevertheless has the disadvantage that the length of the protected line is reduced.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel verfährt man folgendermaßen, um das eventuelle Vorhandensein eines einen Widerstand, wie den Widerstand Zt₁, aufweisenden Erdschlusses zu berücksichtigen: Man sieht einen Isoliertransformator 25 vur, dessen Primärwicklung mit den Klemmen eines Parallelleiters oder Nebenschlußwiderstandes 26 verbunden ist, welcher von einem Reststrom /_r durchflossen wird, der gleich dem Fehlerstrom ist. Die Sekundärwicklung des Transformators 25 ist mit dem Analog-Digital-Umsetzer 8 verbunden, welcher zur Erzeugung eines Signals bestimmt ist, das über eine Nicht-Schaltung 9 an den Eingang der im Hauptpatent beschriebenen Und- und Weder-Noch-Schaiiungen angelegt wird. Die Und- und Weder-Noch-Schaltungen empfangen außerdem die von den Analog-Digital-Umsetzern 1, 2 und 3 kommenden Binärsignale. Die Weder-Noch-Schaltung gibt ein Signal mit dem Zustand 1 während der Zeitspanne ab, in der die drei Meßspannungen negativ sind und der Reststrom /.- positiv ist, während die Und-Schahung ein Signal mit dem Zustand 1 während der Zeitspanne abgibt, in der die drei Meßspannungen positiv sind und der Reststrom /_r negativ ist. Wie oben c angegeben, sind die Und- und Weder-Noch-Schaltungen 4,5 mit der Ode^-Schaltung 6 verbunden, welche ein Signal mit dem Zustand 1 abgibt, wenn eines ihrer Eingangssignale den Zustand 1 hat, und neses kurzdauernde Signal wird durch den Kurzzeitspeicher 7 in ein Dauersignal umgewandelt. Bei Betrachtung der Phase A. bei weicher der Erdschluß /?,.. angezeichnet ist. sieht man, daß die Spannung V. durch die folgende Beziehung ausgedrückt wird:In the embodiment described here, the following procedure is used to take into account the possible presence of a ground fault with _{a resistance such as the resistance Zt 1} : One sees an insulating transformer 25 vur, the primary winding of which is connected to the terminals of a parallel conductor or shunt resistor 26, which _r is traversed by a residual current /, which is equal to the fault current. The secondary winding of the transformer 25 is connected to the analog-digital converter 8, which is intended to generate a signal which is applied via a non-circuit 9 to the input of the and and neither-nor-circuits described in the main patent. The and and neither-nor circuits also receive the binary signals coming from the analog-to-digital converters 1, 2 and 3. The neither-nor circuit emits a signal with state 1 during the period in which the three measuring voltages are negative and the residual current /.- is positive, while the AND-Schahung emits a signal with state 1 during the period in which the three measuring voltages are positive and the residual current / _{r is} negative. As stated above c, the AND and neither-nor circuits 4, 5 are connected to the Ode ^ circuit 6, which emits a signal with the state 1 when one of its input signals has the state 1, and it becomes a short-duration signal converted by the short-term memory 7 into a permanent signal. When considering phase A. at which the earth fault /?, .. is marked. it can be seen that the voltage V. is expressed by the following relation:

wobei Z₁₁- die direkte Impedanz je Phase. /., der Strom m der Phase A. Z die Nullimpedanz der Leitung. /· der Reststrom und V- die Spannung an den Klemmen des λ> Erdschlusses ist.where Z ₁₁ - the direct impedance per phase. /., the current m of phase A. Z the zero-sequence impedance of the line. / · Is the residual current and V- is the voltage at the terminals of the λ> earth fault.

Weil die Nullimpedanzen beiderseits des Erdschlusses praktisch den gleichen Absolutwert (gleiches Argument) haben, ist die Spannung V. mit dem RcsiMrom /-in Phase und ist proportional /jit. Widerstand desBecause the zero sequence impedances on both sides of the earth fault have practically the same absolute value (same argument) the voltage is V. with the RcsiMrom / -in Phase and is proportional / jit. Resistance of the

41, Erdschlusses.41, earth fault.

Wenn man mit einem ree'en Koetfizienten \ V,.= \/v../-setzt, gilt für die Spannung VV:If one with a ree'en coefficient \ V,. = \ / V ../- sets, applies to the voltage VV:

.;-. Man sieht, daß ein an der Grenze der zu überwachenden Zone entstehender Erdschluß durch Zj= Z. d h. durch VJ = λ R, I- . .; -. It can be seen that an earth fault occurring at the border of the zone to be monitored is caused by Zj = Z. d h. by VJ = λ R, I-.

gekennzeichnet ist. oder auch, daß ein Erdschluß am Gleichgewichtspunkt Z,= Z dadurch gekennzeichnet ist. daß die kompensierte Spannung der fehlerhaften Phase, welche an der Eingangsklemme des Umsetzers auttritt, mit dem Reststrom :; Phase ist. Aus F i g. 3A ist e£sicht[ich. _daß das Binärsignal VV ■ VV VV oderis marked. or that an earth fault at the equilibrium point Z, = Z is characterized. that the compensated voltage of the faulty phase, which occurs at the input terminal of the converter, with the residual current:; Phase is. From Fig. 3A is a £ view [i. _that the binary signal VV ■ VV VV or

<- VJ ■ VV ■ V,'. welches der Koinzidenz der Polaritäten der kompensierten Spannungen entspricht, zu gleicher Zeit beginnt wie die Änderung des Vorzeichens der kompensierten Spannung VV der fehlerhatten Phase. Man Vieh; daher, daß durd" diese automatische Wahl<- VJ ■ VV ■ V, '. which corresponds to the coincidence of the polarities of the compensated voltages begins at the same time as the change in the sign of the compensated voltage VV of the faulty phase. Man cattle; hence that durd "this automatic choice

der fehlerhaften Phase ü>j 1 age des dein Nullstrom / entsprechenden Binarsign^.s immer mit der Lage des der kompensierten Spannung der fehlerhaften Phase entsprechenden Bir.arsigr.als \ erziehen wirdthe faulty phase ü> j 1 age of your zero current / corresponding binary sign ^ .s always with the position of the Bir.arsigr.als \ corresponding to the compensated voltage of the faulty phase

FiL 3B zeigt. ^;aR die Grenze des gleichzeitigenFiL 3B shows. ^; aR the limit of the simultaneous

t-i Vorhandenseins einer Koinzidenz der positiven (oder negativen) Polaritäten der kompensierten Spannungen, dargestellt durch cinen_Zuvtand 1 des Koinzidenzsignals \V ■ V-' ■ V (oder Vy · VV . V). und einer negativenti existence of a coincidence of the positive (or negative) polarities of the compensated voltages, represented by cinen_Zuvtand 1 of the coincidence signal \ V · V- ' · V (or Vy · VV. V). and one negative

(oder positiven) Polarität des Nullstroms, dargestellt durch den Zustand 1 des Signals /„(oder des Signals I₀), den Gleichgewichtspunkt des Relais definiert, für welchen die Impedanz der fehlerhaften Leitung gleich der Bezugsimpedanz ist, und zwar unabhängig vom Widerstand des Erdschlusses. Dadurch ist gezeigt, daß durch die im Vorangehenden in bezug auf Fig. 2 beschriebene Anordnung in vorteilhafter Weise die Fehler nur bis zur Grenze der zu schützenden Leilungsabschnitte festgestellt werden, ohne daß die Größe des Widerstandes der Erdschlüsse berücksichtigt werden muß.(or positive) polarity of the residual current, represented by the state 1 of the signal / "(or the signal I ₀ ), defines the equilibrium point of the relay, for which the impedance of the faulty line is equal to the reference impedance, regardless of the resistance of the earth fault . This shows that the arrangement described above with reference to FIG. 2 advantageously only detects the faults up to the limit of the line sections to be protected, without the magnitude of the resistance of the earth faults having to be taken into account.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Arrangement for the detection of earth faults and for the protection of the conductors in a three-phase network with an earthed neutral point, with three circles, each of which is the secondary winding of a voltage transformer, the primary winding of which is connected between one phase and earth, and in series with it one for all circuits the same Nachbildungsim-> ° impedance includes whose value represents the impedance to be monitored and protected line section and has the same argument as the direct impedance of the line, and common with a relay of the three inputs in each case with one of the three circles and a further input are connected to the star point of the three circuits via a common impedance and from which the output of the relay is connected to a tripping arrangement, the relay being designed as a voltage sign comparison circuit which then emits an output signal when its three input voltages have the same sign, according to patent 15 88 105, gekennzei chnet by an analog-to-digital converter (8), which is acted upon by a voltage in phase with the residual current (I _r ) and its output via a non-circuit (9) with an additional, neither-nor- and and -Circuits (5 or 4) in the relay (1, 2, 3, 4, 5, 6) provided input is connected.

I. Arrangement according to claim 1, characterized in that the device supplying the voltage in phase with the residual current (I _r ) is formed by a shunt resistor (26) through which the residual current flows and at the terminals of which the primary winding of an insulating transformer ( 25) is connected.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the device delivering the voltage in phase with the residual current (I _r ) is formed by a current transformer or by a current limiter with rectifiers connected in counter-parallel through which the residual current flows.