DE1904403B2

DE1904403B2 - Verfahren und anordnung zur messung der entfernung eines fehlers auf einer mehrphasenleitung

Info

Publication number: DE1904403B2
Application number: DE19691904403
Authority: DE
Inventors: Michel Vert le-Petit Souillard Michel Tontenay-aux-Roses Fonteny, (Frankreich}
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1968-02-27
Filing date: 1969-01-30
Publication date: 1978-02-23
Also published as: CH515508A; DE1904403A1; GB1248476A; FR1566425A; JPS5539789B1; DE1904403C3; US3612989A; SE361219B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren /ur Messung der Entfernung eines Fehlers auf einer Mehrphascnleitung, bei welchem das Verhältnis der jo Augenblickswerte der Spannungsabfälle an der Leitung und an einer Leitungsnachbildung im Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Fehlerstroms gebildet wird, sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Aus der DE-AS 10 87 249 ist es bekannt, die π Entfernung eines Phasenschlusses dadurch zu messen, daß der Spannungsabfall an der gestörten Phase und der Spannungsabfall an einer Leitungsnachbildung im Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Leitungsstroms gemessen und das Verhältnis der gemessenen Span- ad nungsabfälle gebildet wird. Dieses Verfahren ergibt eine gute Genauigkeit bei der Bestimmung der Entfernung des Phasenschlusses, selbst wenn der Kurzschluß mit einem Widerstand (Lichtbogenwiderstand) behaftet ist, weil einerseits der Kurzschlußwiderstand im allgemei- -41 nen klein ist und andererseits der Kurzschlußstrom im allgemeinen groß gegen den Strom bei Normallast ist, so daß der Nulldurchgang des Kurzschlußstroms im wesentlichen mit dem Nulldurchgang des Leitungsstroms an der Meßstelle zusammenfällt. Beide Tatsa- >o chen tragen dazu bei, daß der Spannungsabfall am Kurzschluß im Meßzeitpunkt, d. h. im Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Leitungsstroms, klein ist und für die Fehlerortsbestimmung vernachlässigt werden kann.

Diese Verhältnisse gelten aber nicht mehr für den Fall ">^r> eines einphasigen Erdschlusses. In diesem Fall ist einerseits der Widerstand, über den der Kurzschlußstrom fließt, wesentlich größer, weil zu dem eigentlichen Kurzschlußwiderstand (Lichtbogenwiderstand) der Erdableitungswiderstand kommt. Infolge des höheren w) Widerstandes ist wiederum der Kurzschlußstrom kleiner, so daß eine erhebliche Phasenverschiebung zwischen den Nulldurchgängen des Kurzschlußstroms und des Leitungsstroms an der Meßstelle bestehen können. In diesem Fall können daher beträchtliche μ Fehler entstehen, wenn die Entfernung des Erschlusses aus dem Verhältnis von Spannungsabfällen bestimmt wird, die im Augenblick des Nulldurchgangs des Leitungsstroms gemessen werden. Der Fehler wird noch größer, wenn der Kurzschlußstrom mit einer Einschwingkomponente behaftet ist und die Feststellung des Bestehens dieser Einsehwingkomponente erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das eine genaue Bestimmung der Entfernung eines Erdschlusses unabhängig von der Größe des Fehlerwiderstands und vom Bestehen von Einschwingkomponenten ermöglicht, sowie einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Ortsbestimmung eines einphasigen Erdschlusses das Verhältnis der Augenblickswerte im Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Nullstromkomponente gebildet wird.

Da durch den Erdschluß das Mehrphasen-Stromsysiem unsymmetrisch wird, kann es bekanntlich in zwei symmetrische Stromsysteme mit entgegengesetztem Umlüufsinn (Mitsystem und Gegensystem) sowie in ein Nullsyslem zerlegt werden, in dem alle Phasenströme nach Größe und Phasenlage gleich sind. Die Nullstromkomponente ist bekanntlich gleich dem dritten Teil der Summe der drei Phasenströme. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine genaue Bestimmung der Entfernung eines Erdschlusses, unabhängig von der Kurvenform des Kurzschlußstroms und von der Größe des Fehlerwiderstandes dann erhalten wird, wenn an der Meßstelle der Spannungsabfall an der gestörten Schleife und der Spannungsabfall an einer Leitungsnachbildung, aus deren Verhältnis die Entfernung bestimmt wird, in dem Zeitpunkt gemessen werden, in dem die Nullstromkomponente, also praktisch die Summe der drei Phasenströme durch Null geht.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Schaltung, die eine den Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Nullstromkoniponente anzeigende Steuerspannung erzeugt, und durch Speicherabtastschaltungcn, welche den Spannungsabfall an der Leitung bzw. an einer Leitungsnachbildung empfangen und von der Steuerspannung zur Abtastung und Speicherung des Augenblickswertes der zugeführten Spannung ausgelöst werden.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. I das einphasige Ersatzschaltbild eines allgemeinen Falles zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 das dreiphasige Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

F i g. 3 das genauere Schaltbild von Bestandteilen der Anordnung von F i g. 2.

Für den in Fig. 1 dargestellten, mit einem Fehler (Erdschluß oder Phascnschluß) behafteten Leitungsabschnitt sind die Augenblickswerte der Spannung u und des Stroms / im Meßpunkt durch die folgende Beziehung miteinander verknüpf;:

w = xn + xl -——

Dabei sind

r = Widerstand je Längeneinheit,
/ = Induktivität je Längeneinheit,
R' = Widerstand des Kurzschlusses.

// = effektiver Kurzschlußstrom,
ν = Entfernung zwischen der Kurzschlußstelle und der Meßstelle.

Wenn man eine Bezugsimpedanz verwendet, welche im Ersatzschaltbild der F i g. I einer Länge yder Leitung entspricht, erhält man, wenn man diese Impedanz vom gleichen Strom /durchfließen läßt, eine Spannung v, für welche gilt:

«· = yri + yi -j~ . (2)

In den Zeitpunkten, in welchen der Kurzschlußstrom //durch Null geht, kann man schreiben, indem man für diesen Zeitpunkt den Werten von (/, v. i und -τ— den '' Index!) anfügt:

U_n = .vn

woraus folgt

χ = y ■

(3)

(4)

Die Entfernung der Kurzschlußstelle von der Meßstelle ist also proportional zum Verhältnis zwischen der Spannung der den Kurzschluß enthaltenden Leitungsschleifc und einer Bezugsspannung, welche dem Spannungsabfall an einer Leitungsschleife gegebe- in ner Länge entspricht, wobei dieses Verhältnis in Zeitpunkten betrachtet wird, in denen der Kurzschiußstrom durch Null geht.

An der Meßstelle kennt man jedoch im allgemeinen den Kurzschlußstrom nicht, außer wenn die überwachte π Leitung von einem einzigen Ende her gespeist wird, in welchem Fall der Leitungsstrom gleichzeitig mit dem Kurzschlußstrom durch Null geht.

Im Fall einer Speisung von zwei Enden her muß man den Fall eines dauernden Erdschlusses von Fall eines tu dauernden Phasenschlusses unterscheiden.

Im Fall eines dauernden Phasenschlusses kann man ausreichend genau die Lage des Phasenschlusses bestimmen, indem man das Verhältnis der Phasenspannung der gestörten Schleife zur Bezugsspannung in 4-, Zeitpunkten bildet, in denen der Strom in dieser Schleife durch Null geht. Das Vorhandensein eines Kurzschlußwiderstands ergibt keine große Abweichung in der Ortsbestimmung, da in den Zeitpunkten, in denen der Leitungsstrom durch Null geht, der Spannungsabfall am ,o Kurzschluß sehr gering ist, da einerseits bei Phasenschlüssen der Kurzschlußstrom eine im allgemeinen sehr große Amplitude gegenüber dem Strom bei Norinallust hat, wodurch die Zeitpunkte des Nulldurchgangs des Leitungsstromes und des Kurzschlußstromes -,-, im wesentlichen zusammenfallen, und da andererseits der Wert des Kurzschlußwiderstands bei einem Phasenschluß, welcher nur ein Lichtbogenwiderstand ist, im allgemeinen klein ist.

Diese beiden Gründe bewirken zusammen, daß der <,o Ausdruck RΊ) in den Zeitpunkten, in denen der Strom / durch Null geht, einen bezüglich der Werte der anderen Ausdrücke der Gleichung (I) vernachlässigbaren Wert besitzt.

Im Fall eines Erdschlusses ist dagegen der Kurz- „·-, schlußwiderstand die Summe eines Lichtbogenwiderstandes und eines durch die Masten gebildeten Erdableiuingswiderstandes. Dieser Gesamtwiderstand kann einen großen Wert annehmen, wodurch wiederum der Kurzschlußstrom klein gegen den Laststrom werden kann. Die Gesamtheit dieser Überlegungen führt dazu, daß man einen großen Fehler begeht, wenn man in der gleichen Weise wie bei einem Phasenschluli die Lage des Erdschlusses vom Wert des Verhältnisses der Phasenspannung der gestörten Schleife zu einer Be/ugsspannung im Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Leitungsstroms ableitet.

Der in einem dauernden Erdschluß fließende Strom ist jedoch die Summe der Nullströme, welche in den zu beiden Seiten des Kurzschlusses gelegenen Teilen des Netzes fließen. Wenn man die einzige Hypothese macht, welche in Hochspannungs-Fernleitungsnetzen praktisch immer bestätigt wird, daß die Nullimpedanzen dieser Teile des Netzes den gleichen Betrag haben, so ist der Nuilstrom an den Klemmen des Relais in jedem Zeitpunkt proportional zum Kurzschlußstrom und geht daher in den gleichen Zeitpunkten wie dieser durch Null. Man erhält daher eine genaue Ortsbestimmung der Erdschlüsse unabhängig vom Kurzschlußwiderstand, indem man das Verhältnis der Phasenspannung der gestörten Phase zu einer Bezugsspannung in den Zeitpunkten bildet, in denen der Nullstrom an der Stelle des Relais durch Null geht.

Dieses Prinzip wird bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung angewendet, mit der sowohl die Entfernung eines Phasenschlusses als auch die Entfernung eines Erdschlusses gemessen werden kann. Diese Anordnung enthält im wesentlichen zwei Meßkanäle mit gesteuerter Messung, welche von zwei Speicherabiastschaltungcn 5 bzw. 6 gebildet werden, denen die für die Messung erforderlichen Größen von den Schaltungen 1, 2 und 3 geliefert werden, die später an Hand von Fig. i ausführlicher erläutert werden. Mit 7 ist eine Detektorschaltung für den Nulldurchgang des Stroms i bezeichnet.

.Speicherabtastschaltungen oder Momentanwertspeicher, im angelsächsischen Sprachgebrauch »sample & hold« genannt, sind aus zahlreichen Veröffentlichungen bekannt. Sie weisen einen Meßeingang und einen Meßausgang sowie einen Steuereingang auf. Wenn kein Signal am Steuereingang anliegt, folgt das Ausgangssignal verzögerungsfrei genau dem Eingangssignal. Nach dem Empfang eines Sperrsignals am Steuereingang hält dagegen der Meßausgang den Augenblickswert des Eingangssignals für eine unbegrenzte Zeit fest (solche Schaltungen sind in einer Veröffentlichung der Mc Graw Hill Book Co. mit dem Titel »Electronic analog and hybrid computers«, § 10-4, beschrieben).

An den Meßeingang der Speicherabtastschaltung 5 wird die Spannung u der gestörten Schleife (beispielsweise zwischen den Phasen a und b) angelegt, welche an den Klemmen des Relais 1 abgenommen wird. An den Meßeingang der Speicherabtastschaltung 6 wird die Bezugsspannung t' angelegt. Das Sperrsignal wird gleichzeitig an die Steuereingänge der beiden Speicherabtastschaltungen 5 und 6 angelegt, wenn der zur Überwachung der Messungen im Nulldurchgangsdetektor 7 genommene Strom durch Null geht.

Die Spannung u der gestörten Schleife und die Bezugsspannung ν werden an die Meßeingiiiige der Speicherabtastschaltungen 5 bzw. 6 über einen Phasenwähler 4 an sich bekannter Bauart gegeben, welcher die gestörten Leiter feststellt.

Man erhält sodann an den Meßausgängen die gespeicherten Augenblickswerte uo bzw. vn, welche die Spannungen u bzw. ν im Augenblick des Nulldurch-

gangs des als Kriterium verwendeten Stroms hüben. Wie oben erläutert, ist dies im Fall eines Phasenschlusses der Lcitungsslrom und im ("all eines Erdschlusses der Nullstrom. Die Entfernung des Kurzschlusses ergibt sich dann aus dem Quotienten der gespeicherten Werte (Αι und ν».

Da die Anordnung nur zur Ortsbestimmung des Kurzschlusses und nicht zur Steuerung eines Sicherheitsorgans in Abhängigkeit von der Entfernung des Kurzschlusses bestimmt ist, kann man entweder getrennte Werte ;/» und Hi messen und zuletzt den Quotienten derselben bilden oder automatisch den Quotienten dieser beiden Spannungen Uo und v_n durch eines der bekannten Verfahren zur Verhältnisbcstimmung derart bilden, daß direkt auf einem Gerät mit Zeiger und Skala oder auf einem Gerät mit digitaler Anzeige die Entfernung des Kurzschlusses angezeigt wird.

Die Spannung uder gestörten Schleife ist also

- im Fall eines einphasigen Erdschlusses die Phasenspannung des gestörten Phasenlciters an der Meßslelle;

- im Fall eines Phascnschlusses die verkettete Spannung zwischen den gestörten Phascnlcitern an der Meßstelle.

Die Bezugsspannung ν stellt in allen Fallen den Spannungsabfall dar, welcher auf einer gegebenen Länge _vder Leitung erzeugt wird, die durch das für den jeweils vorliegenden Kurzschluß gültige Ersatzschallbild wiedergegeben wird. Die Werte dieser Bezugsspannungensind aus den folgenden Formeln bekannt:

1. Für einen einphasigen Erdschluß zwischen der Phase «(und Erde:

v_an = yr{i_{a +} ni>) + y--^y-"-?~-'^h-!--. (5)

3r

Dabei sind

3/

/•und / die Mitsyslemkomponenlen des Widerstands

bzw. der Induktivität je Längeneinheit,
/•/,und //, die Nullsystcmkomponcnlen des Widerstands

bzw. der Induktivität je Längeneinheit,
ii, der Nullstrom.

2. Für einen Phasenschluß zwischen den Phasen a und b:

wobei rund /in dieser Forme! die gleichen Bedeutungen haben wie vorher.

Die Ausdrücke der Bc/.ugsspannungcn ν für Erdschluß oder Phiisenschluß an anderen Schleifen lassen sich aus den Formeln (5) und (6) durch eine zyklische Vertauschung der Phasenindizes .·/, b. cableiten.

Ein Ausführungsbeispicl der für die Durchführung des erläuterten Verfahrens verwendeten Anordnung isl in Fig. 3 genauer dargestellt. Die dargestellten Schaltungen geben die obenerwähnten Gleichungen wieder und gestatten die Erzielung der Spannung ι/ der gestörten Schleife, der Bezugsspannting e und des Stromes i. dessen Nulldurchgang ilen Meßzeitpunkt bestimmt.

Dabei genügt die Spannung i.„, der Gleichung (5) und •ι die Spannung i'.,/,dcr Gleichung (b).

F i g. 3 zeigt die drei Phasen a. g. c sowie Schaltungen 301, 302, 303, welche den Schaltungsblöckeii 1,2 bzw. 3 der F i g. 2 entsprechen und vor dem Phasenwählcr 4 angeordnet sind.

κι Die Schaltung 301 liefert die Spannung (/.,/, zwischen den Phasen n und b und die Spannung u,-,„ /wischen der Phase <■) und Erde mittels Transformatoren 311, 312 deren Primärwicklungen an die Phasen a bzw. b und Erde angeschlossen sind.

i> Die Schaltung 302 liefert eine Bezugsspannung ν.,ι, die proportional zu den Strömen /.,. /'/, ist, welche in der gestörten Schleife a. 6 fließen, und eine Bezugsspannung i',„„ welche proportional zu den Strömen /'.„ /,, isl, die zwischen der Phase a und Erde fließen.
Gemäß dem Schaltbild der F i g. 3 wird die Spannung v,,/, an den Klemmen der in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen einer Gcgeninduklivitäi 313 und eines Stromtransformators 314 erhallen, wobei an die Sekundärwicklung des Stromtransformators ein nichtinduktiver Widerstand 317 angeschlossen ist. Die Gcgeninduktivilät 313 und der Stromtransformator 314 haben jeweils zwei Primärwicklungen 3I3a, 3136 bzw. 314a,3146.

Die Wicklungen 313a und 314a, welche in Reihe liegen, sind mit der Sekundärwicklung eines Hauptstromtransformators 321 verbunden, dessen Primärwicklung vom Phascnleiter a gebildet wird. Die Wicklungen 3136 und 3146 sind in gleicher Weise in Reihe mit der Sekundärwicklung des Hauptslromtransformators322der Phase 6geschaltet.

Der Wicklungssinn der Wicklungen 313a, 314;) einerseits und der Wicklungen 3136, 3146 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 ^, und //,sind.

Ein Potentiometer 318 an den Klemmen dieser Sekundärwicklungen gestattet die Abnahme einer Spannung v,,/* welche an die Länge y der überwachten Schleife angepaßt werden kann.

In entsprechender Weise wird die Spannung v,„, an den Klemmen eines Potentiometers 320 erhalten, welche durch die Summe der Sekundärspannungen einer Gcgeninduklivitäi 315 und eines Stromtransformalors 316 gespeist wird, der durch den nichtinduktiven Widersland 319 belastet ist.

Die Primärwicklungen 315;/ und 316a werden in Reihe durch den Strom /,, des Sekundärkreises des Hauptstromtransformalors 321 gespeist. Die Wicklungen 315/) und 316/), welche mit Abgriffen versehen sind, ermöglichen die Einstellung der in der Gleichung (5) definierten Koeffizienten k und A'und werden in Reihe von dem Rcslstrom 3/), gespeist, welcher dadurch erhalten wird, daß die Summe der Sekundärströme der I lauptstromtransformatoren 321, 322, 323 der Phasen a, 6 und ι· gebildet wird, und der somit gleich dem Dreifachen der Nnllstromkomponcntc ;'/, der Leitungsströme ist.

Der Wicklungssinn der llauptwicklungen der Gegeninduktivität 315 und des Stromtransformators 316 isl so gewählt, daß die an den Sekundärwicklungen abgegebenen Spannungen proportional zur Summe der Primärströme sind.

Schließlich weist gemäß Fig. 3 die Schaltung 303 Stromtransformatoren 324 und 325 auf, welche durch nichtinduktive Widerstände 326 und 327 belastet sind. Die Primärwicklung des Transformators 324 wird von dem Reststrom 3//, durchflossen, und man erhält eine j Spannung Wh an den Klemmen des Widerstandes 326. Die Primärwicklungen des Transformators 325 werden von den Strömen i_a und k in solcher Richtung durchflossen, daß man am Widerstand 327 eine Spannung w_a— wi, proportional zur Differenz der iu

Ströme/],und //,erhält.

Diese Spannungen Wh und w_:! — Wb werden, wie es in F i g. 2 angedeutet ist, zur Steuerung des Detektors 7 an diesen über den Phasen wähler 4 angelegt.

So verfügt man in jedem Zeitpunkt im Fall eines Phasenschlusses, beispielsweise zwischen den Phasen a und b. über Spannungen u„b, v_ab, W₀-Wt, und im Fall eines Erdschlusses, beispielsweise zwischen der Phase a und Erde, verfügt man über die Spannungen u_a„, v_a„ und

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen B09 508/62

Claims

9 04 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Entfernung eines Fehlers auf einer Mehrphasenleitung, bei welchem ■ das Verhältnis der Augenblickswerte der Spannungsabfälle an der Leitung und an einer Leitungsnachbildung im Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Fehlerstroms gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ortsbestimmung eines einpha- i sigen Erdschlusses das Verhältnis der Äugenblickswerte im Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Nullstromkomponente gebildet wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine π Schaltung, die eine den Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Nullstromkomponente anzeigende Steuerspannung erzeugt, und durch Speicherabtastschaltungen, welche den Spannungsabfall an der Leitung bzw. an einer Leitungsnachbildung empfan- ->< gen und von der Steuerspannung zur Abtastung und Speicherung des Augenblickswertes der zugeführten Spannung ausgelöst werden.