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Verfahren zur Ortsbestimmung von Fehlern an elektrischen Fernleitungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortsbestimmung von Fehlern, welche entweder
zwischen Phasen oder zwischen einer Phase und Erde an elektrischen Fernleitungen
entstehen können, oder mit anderen Worten, ein Verfahren, mit Hilfe dessen man die
Messung des Abstandes von Fehlern in bezug auf eines der Enden der Leitung durchführen
kann.
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Die Erfindung hat insbesondere das Ziel, die elektrischen Str@@- und
spann@@g@größen zu verwenden, welche am Meßpunkt vor
vor der Beseitigung
des Fehlers verfUgbar sind, um eine genaue Messung unabhängig von der Frequenz und
der Wellenform dieser elektrischen Größen bei Anwesenheit einer flüchtigen aperiodischen
Komponente des Fehlerstroms zu ermöglichen und um Meßfehler bei der Ortsbestimmung
auszuschalten, welche auf dem eventuellen Vorhandensein eines Fehlerwiderstandes
beruhen.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Messen des Abstandes
eines Fehlers zwischen Phasen oder eines Erdschlusses, dadureh gekennzeichnet, daß
in den Zeitpunkten, in denen der Fehlerstrom einen Wert Null annimmt, das Verhältnis
zwischen der Spannung der Fehlerschleife im Meßpunkt und einer Bezugsspannung gebildet
wird, welche dem Spannungsabfall entspricht, der einem Fehlerstrom auf einer gegebenen
Länge der betreffenden Schleife gleichwertig ist, und daß die Bezugsspannung mittels
einer Anordnung von Vierpolen der fehlerhaften Schleife erzielt wird.
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Eine verteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß im
Fall von Fehlern zwischen Phasen der Zeit punkt, in dem der Fehlerstrom einen Wert
Null annimmt, als Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Leitungsstromes in der fehlerhaften
Schleife an der Meßstelle betrachtet wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausg@ @ ltung der Erfindung besteht darin,
daß im Fall @@ @@ @ger @dschl@@sen der Zeitpunkt, in dem der Fehlers @ @ @in@@ Wert
@@ll @nnimmt, mit dem Zeitpunkt des @ @hg@ @ einpoligen Komponents der Leitung Meßstelle
zusammengelegt wird.
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Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt Figur 1 das einphasige Ersatzschaltbild eines allgemeinen Falles, welcher
zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, Figur 2 das dreiphasige
Schaltbild mit den Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Figur 3 die Anordnung
von Vierpolen nach dem erfindungsgemRen Verfahren.
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In dem allgemeinen, in Figur 1 dargestellten Fall kann man eine Spannung
u und einen Strom i definieren, deren Augenblickswerte im Meßpunkt durch die folgende
Beziehung verbunden sind: di u = xri + xl + R'if (1) dt wobei r = Widerstand Je
Längeneinheit; 1 = Induktanz Je Längeneinheit; R' = Widerstand des Fehlers; if =
effektiver Strom im Fehler; x = Abstand zwischen dem Fehler und dem Meßpunkt.
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Wenn man eine Bezugsimpedanz verwendet, welche im Ersatzschaltbild
der Figur 1 einer Länge y der Leitung entspricht, erhält man, wenn man diese Impedanz
vom gleichen Strom i durchfließen läßt, eine Spannung v, £dr welche gilt: di v =
yri + yl . (2) dt In
In den Zeitpunkten, in welchen der Strom if
im Fehler einen Wert Null annlnmt, kann man schreiben, indem man di für diesen Zeitpunkt
den Werten von u, v, i und den dt Index o anfügt: di u0 = xri0 + xl ( )0 = x/y v0
(3) dt woraus folgt u0 = y . . (4) v0 Der Abstand, in welchem ner Fehler entsteht,
ist daher proportional zum Verhältnis zwischen der Spannung der fehlerhatten Schleife
und einer Bezugs spannung, welche dem Spannungsabfall in einer gegebenen Schleifenlänge
entspricht, wobei dieses Verhältnis in Zeitpunkten betrachtet wird, in denen der
Strom im Fehler durch einen Wert Null geht. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet
die Ausschaltung eines auf dem Widerstand des Fehlers beruhenden Meßfehlern und
die DurchfUhrung einer genauen Messung unabhängig von der Wellenform der Strom-
und Spannungsgrößen und insbesondere unabhangig vom Vorhandensein und von der Amplitude
einer flüchtigen aperiodischen Komponente.
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An der Stelle d.s Relais kennt lan Jedoch ii allgemeinen den Strom
im Fehler nicht, wenn nicht die überwachte Leitung als Antenne geschaltet ist, d.h.
von einem einzigen Ende her gespeist wird, in welche Fall der Leitungsstrom gleichseitig
alt dem Fehlerstrom durch Null geht.
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Im Fall einer Speisung von zwei Inden her nuß ian den Fall eines
dauernden Erdschlußfehlers vom Fall eines dauernden Fehlers zwischen zwei Phasen
unterscheiden.
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I@
Im Fall eines dauernden Fehlers zwischen zwei
Phasen kann man ausreichend genau die Lage des Fehlers bestimmen, indem man das
Verhältnis der Spannung zwischen Phasen der fehlerhaften Schleife zur Bezugsspannung
in Zeitpunkten bildet, in denen der Strom in dieser Schleife durch Null geht. Das
Vorhandensein eines Fehlerwiderstands ergibt keine große Abweichung in der Ortsbestimmung,
da in den Zeitpunkten, in denen der Leitungsstrom durch Null geht, die Klemmenspannung
des Fehlers sehr gering ist, da einerseits bei dieser Art von Fehler zwischen Phasen
der Fehlerstrom eine im allgemeinen sehr große Amplitude in bezug auf den Strom
bei Normallast besitzt, wodurch die Zeitpunkte des Nulldurchgangs des Leitungsstromes
und des Fehlerstromes im wesentlichen zusammenfallen, und da andererseits der Wert
des Widerstands von Fehlern zwischen Phasen, welcher nur ein Bogenwiderstand ist,
im allgemeinen klein ist.
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Diese beiden GrÜnde wirken zusammen, so daß der Ausdruck R'if in den
Zeitpunkten, in denen der Strom i durch Null geht, einen bezüglich des Werts der
anderen Ausdrücke der Gleichung (1) vernachlässigbaren Wert besitzt.
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Im Fall eines Erdschlußfehlers ist dagegen der Fehlerwiderstand die
Summe eines Bogenwiderstandes und eines durch die Masten gebildeten Erdableitungswiderstandes.
Dieser aesamtwiderstand kann einen hohen Wert annehmen, welcher außerdent den Fehlerstinnt
beü.lich des Lastatroms klein machen kann.
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Die Gesamtheit dieser Überlegungen führt dazu, daß man eine großen
Fehler geht, wenn man in der gleichen Weise wie für einen "X.eipllasenfehler die
Lage des Erdschlußfehlers vom Wert des Verhältnisses der Phasenspannung der Fehlerschleife
zu einer Bezugsspannung ableitet, wenn der Leitungsstrom
strom durch
Null geht.
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Der in einem dauernden Erdschluß fließende Strom ist Jedoch die Summe
der gleichpoligen Strom, welche in den zu beiden Seiten des Fehlers gelegenen Teilen
des Netzes fließen. Wenn man die einzige Hypothese macht, welche in Hochspannungs-Fernleitungsnetzen
praktisch immer bestätigt wird, daß die gleichpoligen Impedanzen dieser Teile des
Netzes den gleichen Betrag haben, so ist der gleichpolige Strom an den Klemmen des
Relais In Jedem Zeitpunkt proportional zurn Fehlerstrom und wird daher in den gleichen
Zeitpunkten Null wle dieser.
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Man erhält daher eine genaue Ortsbestimmung der Erdschlüsse unabhängig
vom Fehlerwiderstand, indem man das Verhältnis der Phasenspannung der fehlerhaften
Phase zu einer Bezugsspannung in den Zeitpunkten bildet, in denen der gleichpollge
Strom an der Stelle des Relais durch Null geht.
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Das anhand von Figur 2 erläuterte erfindungsgemäße Verfahren verwendet
im wesentlichen zwei Meßkanäle mit gesteuerter Messung, welche von zwei sperrenden
Probeschaltern 5 bzw. 6 gebildet werden, welche durch die für die Messung erforderlichen
Größen von den Elementen 1, 2 und 3 her überwacht werden, die in bezug auf Figur
3 ausfUhrlicher erläutert werden. Mit 7 ist eine Detektorschaltung für den Nulldurchgang
des Stroms i bezeichnet.
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Diese sperrenden Probeschalter sind an sich aus zahlreichen Veröffentlichungen
bekannt. Sie weisen einen Eingang und einen Meßausgang sowie einen Steuereingang
auf.
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Bei Abwesenheit eines Signals am Steuereingang und unabhängig von
den Änderungen des auf den Eingang gegebenen Signals
Signals folgt
der Ausgang augenblicklich und genau dem Eingangssignal. Darüber hinaus hält der
Meßausgang diesen Augenblickswert unter den gleichen Bedingungen während einer unbegrenzten
Zeit nach dem Empfang eines Sperrsignals an seinem Steuereingang aufrecht (solche
Schaltungen sind in einer Veröffentlichung der Mc Graw Hill Book Co. mit dem Titel
"Electronic analog and hybrid computers, § 10-4 beschrieben).
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Der Meßeingang des sperrenden Probeschalters 5 wird mit der Spannung
u der Fehlerschleife (beispielsweise den Phasen a und b) gespeist, welche an den
Klemmen des Relais 1 abgenommen wird. Der Meßeingang des sperrenden Probeschalters
6 wird mit der Bezugsspannung v gespeist.
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Der Sperrbefehl wird gleichzeitig aur die beiden Probeschalter 5 und
6 gegeben, wenn der zur Überwachung der Messungen genommene Strom im Element 7 durch
Null geht.
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Die Spannung u der Fehlerschleife und die Bezugsspannung v werden
auf die entsprechenden Eingänge der sperrenden Probeschalter tiber eine sogenannte
Phasenwählterschaltung 4 an sich bekannter Bauart gegeben, welche die mit einem
Fehler behafteten Leiter feststellt.
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Man nimmt sodann an den Meßausgängen die gesperrten und einen konstanten
Wort aufweisenden Spannungen u0 bzw.
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vo ab.
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Da die Vorriehtung zur Ortsbestimmung nicht zur Steuerung eines Sicherheitsorgans
als Funktion der Lage des Fehlers bestimmt ist, kann man entweder getrennte Werte
u0 und v0 messen und zuletzt den Quotienten derselben bilden oder automatisch den
Quotionton dieser beiden Spannungen u0 und t0 durch eines der bekannten Verfahren
zur Verhältnisbestimmung
stimmung derart bilden, daß direkt auf
einem Gerät mit Skalenauslenkung oder auf einem Gerät mit numerischer Anzeige der
Abstand angezeigt wird, in welchem der Fehler entstanden ist.
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Die Spannung u der Fehlerschleife ist sodann: die Phasenspannung bezüglich
des fehlerhaften Leiters an der Stelle, an der die Messung durchgeführt wird, im
Fall eines Einphasen-Erdschlusses; die Spannung zwischen Phasen bezüglich zwei fehlerhaften
Leitern an der Stelle, an der die Messung durchgeführt wird, im Fall eines Fehlers
zwischen zwei Phasen unabhängig von der Erde.
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Die Bezugsspannung v stellt in allen Fällen den Spannungsabfall dar,
welcher auf einer gegebenen Lunge y der Leitung erzeugt wird, die im Fall des betrachteten
Fehlers durch ihr Ersatzschaltbild wiedergegeben wird. Bekannte Formeln geben die
Werte dieser Bezugsspannungen, und zwar: für einen Einphasenfehler zwischen der
Phase a und Erde: d(ia + 3k' ih) van = yr (ia + 3k ih) + y , (5) dt rh - r lh -
l wobei k = und k' = sowie ih = 1/3 (ia + ib + ic) 3r 3l und wobei in diesen Formeln
r und 1 einerseits sowie rh und 1h andererseits Jeweils die gleichpoligen Mitfeldkomponenten
der Widerstände und Induktansen Je Längeneinheit sind; für einen Zweiphasenfehler
zwischen den Phasen a und b: d(ia - ib) vab = yr (ia - ib) + yl , (6) dt wobei
wobei
r und 1 in dieser Formel die gleichen Bedeutungen haben wie vorher.
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Die Ausdrücke der Bezugsspannungen v für Einphasen- oder Zweiphasenfehler
an anderen Schleifen lassen sich aus den Formeln (5) und (6) durch eine zyklische
Vertauschung der Phasenindices a, b, e ableiten.
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Die bei dem anhand von Figur 1 erläuterten Verfähren verwendeten Einrichtungen
sind beispielsweise in Figur 3 dargestellt. Sie stellen eine Umsetzung der oben
erwähnten Gleichungen dar und gestatten die Erzielung der Spannung u der fehlerhaften
Schleife, der Bezugsspannung v und des zur Überwachung der Messungen genommenen
Stromes i.
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Dabei genügt die Spannung van der Gleichung (5) und die Spannung vab
der Gleichung (6).
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Aus Figur 3 sind die drei Phasen a, b, c sowie die Elemente 301, 302,
303 ersichtlich, welche Jeweils den Elementen 1, 2 und 3 der Figur 2 entsprechen
und vor der Phasenwählerschaltung 4 angeordnet sind.
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Das Element 301 gibt die Spannungen uab und uan Jeweils zwischen die
Phasen a und b einerseits bzw. die Phase a und Erde andererseits. mittels Transformatoren
311, 312, deren Primärwicklungen zwischen die Jeweiligen Phasen a, b und Erde geschaltet
sind.
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Das Element 302 gibt Bezugsspannungen Vab und van ab, welche proportional
zu den Strömen ia, ib, welche in der Fehlerachleife a b fließen, und i, ih in der
zwischen der Phase a und Erde gebildeten Fehlerschleife sind.
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Gemäß
Gemäß dem Schaltbild der Figur 3 wird die
Spannung vab an den Klemmen der in Reihe liegenden Sekundärwicklungen der Gegeninduktivität
313 und eines Stromtransformators 314 erhalten, wobei die Sekundärwicklung des letzteren
über einen nichtinduktiven Widerstand 317 geschlossen ist.
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Die Gegeninduktivität 313 und der Stromtransformator 314 haben Jeweils
zwei Primärwicklungen 313a, 313b bzw. 314a, 314b.
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Die Wicklungen 313a und 314a, welche in Reihe liegen, sind mit der
Sekundärwicklung eines- Hauptstromtransformators 321 verbunden, dessen Primärwicklung
vom Phasenleiter a gebildet wird. Die Wicklungen 313b und 314b sind in gleicher
Weise in Reihe mit.der Sekundärwicklung des Hauptstromtransformators 322 der Phase
b geschaltet.
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Der Wicklungssinn der Wicklungen 313a, 314a einerseits und 313b, 314b
andererseits ist so gewählt, daß die an den Klemmen der Sekundärwicklungen der Gegeninduktivität
313 und des Stromtransformators 314 abgenommenen Spannungen proportional zur Differenz
der Ströme ia und ib sind.
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Ein Potentiometer 318 an den Klemmen dieser Sekundärwicklungen gestattet
die Abnahme einer Spannung VabS welche an die Länge y der überwachten Schleife angepaßt
werden kann.
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In entsprechender Weise wird die Spannung Van an den Klemmen eines
Potentiometers 320 erhalten, welches durch die Summe der Sekundärspannungen der
Gegeninduktivität 315 und des Stromtransformators 316 gespeist wird, der in den
nichtinduktiven Widerstand 319 abgibt.
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Die Primärwicklungen 315a und 316a werden in Reihe durch den
den
Strom ia des Sekundärkreises des Hauptstromtransformators 321 gespeist. Die Wicklungen
315h und 316h, welche mit Ab griffen versehen sind, ermöglichen die Einstellung
der in der Gleichung (5) definierten Koeffizienten k und k' und werden in Reihe
von dem Reststrom 3ih gespeist, welcher gleich dem Dreifachen der gleichpoligen
Komponente der Leitungsströme ist und erhalten wird, indem man die Summe der Sekundärströme
der Hauptstromtransformatoren 321, 322 und 323 der Phasen a, b und c bildet.
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Der Wicklungssinn der Hauptwicklungen der Gegeninduktivität 315 und
des Stromtransformators 316 ist so gewählt, daß die an den Sekundärwicklungen abgegebenen
Spannungen proportional zur Summe der Primärströme sind.
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Schließlich weist gemäß Figur 3 das Element 303 Stromtransformatoren
324 und 325 aur, welche in nichtinduktive Widerstände 326 und 327 abgeben. Die Primärwicklung
des Transformators 324 wird von dem Reststrom 3ih durchflossen und man nimmt eine
Spannung wh an den Klemmen des Widerstandes 326 ab. Die Primärwicklungen des Transformators
325 werden von den Strömen ia und ib in solcher Richtung durchflossen, daß man am
Widerstand 327 eine Spannung wa wb proportional zur Differenz der Ströme ia und
ib abnimmt.
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Diese Spannungen wh und w a wb werden, wie es in Figur 2 angedeutet
ist, zur Steuerung des Detektors 7 über die Phasenwählerschaltung 4 aufgegeben.
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So verfügt man in Jedem Zeitpunkt im Fall eines Fehlers zwischen Phasen,
beispielsweise a und b, über Spannungen uab, vab, wa - Wb und im Fall eines Fehlers
zwischen einer Phase
Phase (beispielsweise a) und Erde verfügt
man über die Spannungen uan, Van und Wh.
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Patentansprüche