DE1939510A1

DE1939510A1 - Messeinrichtung fuer Stroeme in Hochspannungsleitern

Info

Publication number: DE1939510A1
Application number: DE19691939510
Authority: DE
Inventors: Moellenbeck Dipl-Ing Klaus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-07-31
Filing date: 1969-07-31
Publication date: 1971-02-11
Also published as: FR2053326A1; CH519175A; FR2053326B1; DE1939510C3; DE1939510B2

Description

Meßeinrichtung^für_Ströme_in_ Hpchspannungsleitern

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung für Ströme in Hochspannungsleitern mit Übertragung der Meßwerte in Form von Impulsen von einer hochspannungsseitigen Sendeeinrichtung zu einer niederspannungsseitigen Empfangseinrichtung.

Bei mehreren bekannten Meßeinrichtungen dieser Art unterzieht man die Momentanwerte„des su messenden, meist sinusförmigen Stromes einer Impulscodierung und setzt die auf diese V/eise erhaltenen elektrischen Inroulse in Lichtimpulse um, die beispielsweise über Lichtleiter zu der ^Empfangseinrichtung auf Hiederspannungspotential geführt sind. Dort erfolgt eine Rückformung in elektrische Impulse und eine digitale oder analoge Weiterverarbeitung.

Die Meßgenauigkeit dieser bekannten Meßeinrichtungen hängt im wesentlichen davon ab, in wieviele Momentanwerte eine Stromperiode zerlegt wird. Mit steigender Meßgenauigkeit nimmt demzufolge der Aufwand für die Codierung zu; um eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen, muß ein verhältnismäßig großer Aufwand zunächst hinsichtlich des Verschlüßlers getrieben werden, der beispielsweise eine Taktfrequenz von etwa 0,5 bis 1 MHz für die Impulsübertragung bereitstellen muß. Dies wiederum hat zur Folge, daß die Anforderungen sowohl an die die Lichtimpulse abgebenden Bauelemente, wie Lumineszenzdioden, Laserdioden, usw., als auch an die Photoelemente in der niederspannungsseitigen Empfangßeinrichtung bei diesen hohen Frequenzen besonders

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groß sind. Auch ist der Aufwand für die Digital-Analog-Umsetzer in der Empfangseinrichtung zur Entschlüßlung der codierten Meßwerte verhältnismäßig hoeh.

Diesen Schwierigkeiten geht eine andere bekannte Hochspannungsmeßeinrichtung zur Mossung von Wechselgrößen, bei der die zu messenden Wechselgröße hochspannungsseitig in ein Signal umgesetzt wird, das unter Zwischenschaltung eines Isolators mittels zwei Übertragungseinrichtungen an Bnpfänger weitergeleitet wird, dadurch teilweise aus dem Vfege, daß eine erste übertragungseinrichtung nur die Amplitude der Wechselgröße und eine zweite Übertragungseinrichtung nur die zeitliche lege des Kulidurchganges überträgt.

Durch eine solchermaßen ausgebildete Hoehspannungsmeßeinrichtung ergibt sich der Vorteil, einer Auslegung der ersten Übertragungseinrichtung niit geringer Bandbreite, da über diese Übertragungseinrichtung nur die Amplitude der lifechselgröße und nicht noch die zeitliche lage des Nulldurehganges übertragen wird.

Gemäß der Erfindung wird zwecks einer noch weitergehenden Vereinfachung einer Meßeinrichtung für Ströme in Hochspannungsleitern mit Übertragung der Meßwerte in Form von Impulsen hinsichtlich der Codierung der Meßwerte und der Ausbildung der Übertragungseinrichtung vorgesehlagen, daß in der Sende einrichtung eine von dem zu messenden Strom beeinflußte Scheitelwert-Meßeinriehtung vorgesehen ist, der ein Analog-Digital-Umsetzer zur Erzeugung von elektrischen Impulsen mit einem dem jeweiligen Seheltelwert des zu messenden Stromes entsprechenden Informationsinhalt nachgeordnet ist, daß in der Sendeeinrichtung ein weiterer Analog-Digital-Umsetzer zur Erzeugung von weiteren elektrischen Impulsen angeordnet ist, deren Informationsinhalt ein Maß für die zeitliche I-age des Scheitelwertes ist, und daß ein mit den elektrischen Impulsen angesteuertes Sendeteil in

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an sich bekannter Weise durch Aussenden von Impulsen die Übertragung der Meßwerte zur Empfangseinrichtung bewirkt, v/o ihre Umsetzung in elektrische Impulse erfolgt.

Der Erfindung liegt der Gedanke augrunde, daß es in vielen Anwendungsfällen einer Hochspannungsmeßeinrichtung, beispielsweise dann, wenn eine solche Meßeinrichtung zur Speisung von Netzschutzgeräten eingesetzt v/erden soll, nicht erfordex'lich ist, den Primärstrom auf Niederspannungspotontial analog nachzubilden. Vielmehr reicht es oft aus, wenn nur der Scheitelwert des Stromes im Hochspannungsleiter und seine Phasenlage bekannt sind. Aus diesen beiden kennzeichnenden Größen des zu messenden Stromes im Hochspannungsleiter läßt sich nämlich im allgemeinen eine Nets- f schutzanordnung ausreichend ansteuern. Dabei kann ohne weiteres auf die Rückformung des übertragenen Meßwertes in eine analoge Form versichtet werden, v/enn die zur Speisung der Hetzschutzanordnung erforderliche, aus der Netsspannung abgeleitete Spannung gleichfalls in digitaler Form vorliegt, was sich ohne nennenswerte Schwierigkeiten erreichen läßt. FqIIs erforderlich, kann aus den in digitaler Form vorliegenden Werten für Seheitelwert und dessen Phasenlage ein analoger Strom gebildet werden, dessen Seheitelwert und dessen Phasenlage den digitalen Werten entspricht.

Zur Übertragung der Meßwerte von der Hochspannungs- zur Niederspannungsseite können Lichtimpulse verwendet werden, die von einem vorzugsweise als Luminessenzdiodenanoränung ausgebildeten Sendeteil erzeugt v/erden. Auch einer hochfrequenten Schwingung aufmodulierte Impulse können zur Meßwertübertragung dienen.

Die sur !Bestimmung des Scheitelwertes des zu messenden Stromes in der Sendeeinrichtung vorgesehene Scheitelwert-Meßeinrichtung kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet

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sein. Bevorzugt wird eine Scheitelwert-Meßeinrichtung, die in an sich bekannter Weise aus einer Reihenschaltung eines Kondensators mit zwei parallelgeschalteten Meßzweigen mit antiparallelgeschalteten Gleichrichtern besteht. Dabei werden zur Unterdrückung eines störenden Einflusses eines Gleichstromgliedes im Falle eines zu messenden, verlagerten Kurzschlußstromes vorteilhafterweise die Ströme in beiden Meßzweigen zur Messung herangezogen, d.h., es werden Spitze-Spitze-Vierte gemessen. Dies bringt zwar im normalen Betriebsfall keinerlei Vorteil mit sich, ist aber - wie eben angedeutet - im Falle verlagerter Kurzschlußströme von großer Bedeutung, da Kurzschlußströme dieser Art mit einem exponentiell abklingenden Gleichstromglied behaftet sind, das bei nicht erfolgender Unterdrückung eine falsche Ermittlung des Nulldurchganges des zu messenden Wechselstromes bzw. der zeitlichen Lage Beines Scheitelwertes verursachen würde.

Auch die Bestimmung der zeitlichen Lage des Scheitelwertes des zu messenden Stromes kann in unterschiedlicher Weise vorgenommen werden. Die einfachste Art zur Ermittlung der zeitlichen Lage des Scheitelwertes besteht darin, daß man aufeinanderfolgende Nulldurchgänge des zu messenden Stromes von der Sende- zur Knpfangseinrichtung überträgt und daraus Rückschlüsse auf die Lage des Scheitelwertes zieht. Dieses Verfahren ist jedoch nur dann zuverlässig, v/enn der Scheitelwert genau in der Mitte zwischen zwei Nulldurchgängen liegt.

Unabhängig von dieser Voraussetzung ist ein im Rahmen der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung angewendetes Verfahren zur Übertragung der zeitlichen Lage des Scheitelwertes, das sich eines an die dem zu messenden Strom proportionale Meßspannung angeschlossenen Differentiationsgliedes bedient. Die Ausgangsspannung dieses Differentiationsgliedes muß nach bekannten mathematischen Zusammenhängen stets im Scheitelwert des Stromes einen Nulldurchgang aufweisen, der zur Kenn-

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zeichnung und Übertragung der zeitlichen lage des Scheitelwertes gut geeignet ist.

Die Verwendung des Differentiationsgliedes schafft die Möglichkeit, die Phasenlage des Seheitelwertes des au messenden Stromes "bezogen auf seine Nulldurchgänge festzustellen und auf Niederspannungspotential zu übertragen. Zu diesem Zwecke ist in der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung dem weiteren Analog-Digital-Umsetzer außer dem Differentiationsglied eine Phasenwinkel-MeSanordnung vorgeordnet, an der eingangsseitig die Mißspannung und die *.usgangsspannung des Differentiationsgliedes angeschlossen sind, so daß am Ausgang der Phasenwinkel-Meßanordimng eine (J Spannung mit einer dem Phasenwinkel zwischen der Meßspannung und der Ausgangsspannung des Differentiationsgliedes proportionalen Höhe ansteht. Diese Spannung wird durch den weiteren Analog-Digital-Umsetzer in elektrische Impulse umgesetzt, die beispielsweise in der Lumineszenzdiodenanoidnung in Idchtimpulse umgewandelt und zur niederspannungsseitigen Empfangseinrichtung übertragen werden.

Als Analog-Digital-Umsetzer kommen Codierer in Präge, die nach den unterschiedlichsten Prinzipien arbeiten; sie müssen lediglich der Forderung genügen, daß sie eine in der Sendeeinrichtung erzeugte Spannung in eine Impulsfolge jj mit einem entsprechenden Informationsinhalt umsetzen. Dieser Forderung entsprechen unter anderem Spannungs-Frequenzumsetzer .

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung kann hinsichtlich der Zahl der Übertragungskanäle und damit auch hinsichtlich der Zahl der im Sendeteil vorgesehenen Sinzelsender sowie hinsichtlich der Zahl der Empfänger in der Empfangseinrichtung unterschiedlich ausgeführt sein. So kann das Sendeteil beispielsweise zv/ei Einzelsender enthalten, von denen dem einen die elektrischen Impulse des einen Analog-Digital-

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Umsetzers und dem anderen die elektrischen Impulse des weiteren Analog-Digital-Umsetzers zugeführt werden; jedem Einzelsender ist in der Empfangseinrichtung jeweils ein Empfänger zugeordnet.

Demgegenüber vorteilhafter erscheint eine Ausbildung, bei der das Sendetcil einen einzigen Sender enthält, der über eine Verknüpfungsschaltung mit beiden Ana log-Digit a 1-Umsetzern verbunden ist, wobei in der Empfangseinrichtung einem einzigen Empfänger eine Entknüpfungsschaltung zur Trennung der Impulse nach ihrem Informationsgehalt nachgeordnet ist.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur 1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung dargestellt; die Figuren 2 und 3 zeigen die Scheitelwert-Meßeinrichtung betreffende Einzelheiten der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung.

Wendet man sich zunächst der Fig.1 zu, dann erkennt man eine auf Hochspannungspotential angeordnete Sendeeinrichtung S, die in einem Gehäuse Gs unter anderem eine von einem zu messenden Strom J im Hochspannungsleiter H beeinflußte Meßwerterfassungseinrichtung M enthält. In der Meßwerterfassungseinrichtung M wird aus dem zu messenden Strom J eine ihm proportionale Spannung u gebildet.

Diese Spannung u wird einer Scheitelwertmeßeinrichtung SM zugeführt, die eine Ausgangsspannung u abgibt, deren Höhe dem jeweiligen Scheitelwert des zu messenden Stromes J proportional ist. Mit dieser Spannung u_ wird eingangsseitig ein Analog-Digital-Umsetzer U1 beaufschlagt, der beispielsweise als Spannungs-Frequenz-Umsetzer ausgebildet ist. Am Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers U1 entsteht in diesem Falle eine Impulsfolge mit einer Frequenz f1, die dem jeweiligen Scheitelwert des zu messenden Stromes J proportional

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ist. Die Impulsfolge mit der Frequenz f1 wird einer Verknüpfungsschaltung V zugeführt.

Die in der Meßwerterfassungseinrichtung M aus dem au messenden Strom J abgeleitete Meßopannung u liegt auch am Eingang eines Differentiationsgliedes D sowie am Eingang E1 einer Phasenwinkel-Meßanordnung P. An einem weiteren Eingang E2 der Phasenwinkel-Meßanordnung P ist eine Spannung u¹ angeschlossen, die die A_usgangsspannung des Differentiatiationsgliedes D darstellt und einen zeitlichen Verlauf hat, der der ersten Ableitung der Meßspannung u nach der Zeit entspricht. In der Phasenwinkel-Meßanordnung P wird aus der Meßspannung u und der Ausgangsspannung u^f des Differentiationsgliedes D eine Spannung u gebildet, die dem Phasenwinkel zwischen den Spannungen u und u¹ proportional ist und demzufolge die Phasenlage des Scheitelwertes des zu niessenden Stromes bezüglich der liulldurchgänge angibt. Die Spannung u_v/ wird einem weiteren Analog-Digital-Umsetzer U2, beispielsweise einem Spann ungs-Prequenz-Urnsetzer, zugeführt, an dessen Ausgang dann eine Impulsfolge mit einer der Spannung u proportionalen Frequenz £2 entsteht. Diese Impulsfolge gelangt ebenfalls in die Verknüpfungsschaltung V, in der beispielsweise den der Codierung des Scheitelwertes entsprechenden Einzelimpulsen Impulse überlagert v/erden, die den Zeitpunkt des Scheitelwertes und der Nulldurchgänge des zu messenden Stromes kennzeichnen.

Der Verknüpfungsschaltung V ist ein Verstärker VSt nachgeordnet, der die von der Verknüpfungsschaltung V abgegebenen elektrischen Impulse so weit verotärkt, wie es zur Ansteuerung einer Lumineszenzdiode L erforderlich ist. Die von der Lumineszenzdiode L erzeugten Lichtimpulse gelangen nach Überwindung einer zur Erzielung eines erforderlichen Isolationsabstandes A vorgesehenen Xuftstrecke oder über Lichtleiter zu einem Photoelement Ph in einer Empfangseinrichtung E, die zweckmäßigerweise in einem Gehäuse Ge

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untergebracht ist. Dem Photoelement Ph ist ein Verstärker. VS2 nachgeordnet, der die mittels des Photoolementes Ph aus den I/ichtimpulsen gewonnenen elektrischen Impulse einer Entknüpfungsschaltung ES zuführt, in der die impulse unterschiedlichen Informationsinhalten in Impulsfolgen mit den Frequenzen f1 und f2 getrennt werden. In der Empfangseinrichtung E auf ifiGderspannungspotential entstehen demzufolge in digitaler Form zwei Meßgrößen, die im Falle der Verwendung von Spannungß-Frequenz-Umsetzern hinsichtlich ihrer Frequenz mit den Ausgangsfrequenzen der Umsetzer UI und U2 der Sendeeinrichtung S übereinstimmen und damit ein Maß für die Höhe des jeweiligen Scheitelwertes und die zeitliche I/äge des Scheitelwertes des zu messenden Stromes darstellen.

Bei entsprechender Auslegung einer an die Meßeinrichtung angeschlossenen Netzschutzanordnung können die Meßgrößen in der vorliegenden digitalen Form unmittelbar verarbeitet werden.

In der Fig.2 ist dargestellt, in v/elcher V.'eise bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung der Scheitelwert vorzugsweise ermittelt wird. An die von einem Widerstand R gebildete Meßwerterfassungseinrichtung M1, die von einein dem zu messenden Strom proportionalen Strom J1 durchflossen wird, ist die Scheitelwert-Meßeinrichtung SMt angeschlossen, die demzufolge an einer dem zu messenden Strom proportionalen Spannung u1 liegt. Die Scheitelwert-Meßeinrichtung SM1 enthält einen Kondensator O, mit dem ein Gleichrichter G1 und ein WiderstaiiäLR1 in Reine liegt; parallel zum Gleichrichter Gf und zum Widerstand RI ist eine Reihenschaltung aus einem weiteren Widerstand R2 und einem weiteren Gleichrichter G2 geschaltet. In den beiden Parallelztfeigen RI/G1 sowie R2/G2 fließen Ströme 11m und i2m, die unmittelbar ein Maß für den Scheitelwert des Stromes 3i und damit auch für den zu messenden Strom darstellen. JDer Strom 12m erzeugt

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an dem Y/iderstand R2 einen Spannungsabfall u2m, mit dem der Analog-Digital-Umsetzer U3 angesteuert wird, der beispielsweise ein Spannungs-Prequenz-Umsetzer ist und mit dem Umsetzer U1 gemäß J?ig»1 identisch ist.

Besondere Vorteile hinsichtlich der Unterdrückung von störenden Beeinflussungen durch Gleichstromglieder verlagerter Kurzschlußströme bietet die Anordnung der Scheitelwert-Meßeinrichtung mit Umsetzer gemäß ilg.3, in der mit der 3?ig,2 übereinstimmende Einzelheiten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei ist der Analog-Digital-Um** setzer UJ an beide Zweige der Scheitelwert-Meßeinrichtung SM1 angeschlossen, so daß Spitze-Spitze-Werte des zu messenden Stromes erfaßt werden. Dadurch werden dem Meßstrom im Kurzschlußfalle überlagerte Gleichstromglieder unschädlich gemacht und können keinen störenden Einfluß mehr auf das Meßergebnis ausüben.

Durfeh~diq Erfindung ist eine Meßeinrichtung für Ströme irt Hochspannungsleitern rait Übertragung der Keßwerte in Porffi von Impulsen geschaffen, deren wesentlicher Vqteil in de*? niedrigen tibertragungsfrequenz für die Impulse liegt. Dies hat die vorteilhafte Folge, daß die Anforderungen an die Sende- und Empfangseinrichtung sowie an die Verstärker niedrig liegen, wodurch einerseits die Herstellungskosten gegenüber bekannten Meßeinrichtungen dieser Art gesenkt und andererseits die Zuverlässigkeit erhöht wird.

3 Figuren

9 Ansprüche :

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Claims

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^S" w% ί· ^V w% 4· fv w\ *■* W %n Tt "Λ Ί< Λ *

ί_ S. ί-5- δ- ,5·5. δ- £. P. i« I¹* ^G» Ou s.

Meßeinrichtung für Ströme in Hochspannungsleitern mit Übertragung der Meßwerte in Form von Impulsen von einer hochspannungsseitigen Sendeeinrichtung au einer niederspannungsseitigen Empfangseinrichtung, dadurch g β k e η η a e i ahne t , daß in der Sendeeinrichtung eine von dem zu messenden Strom beeinflußte Scheitelwert-Moßeinrichtung vorgesehen ist, der ein Analog-Digital-Umsetzer zur Erzeugung von elektrischen Impulsen mit einem dem jeweiligen Scheitelwert des zu messenden Stromes entsprechenden Informationsinhalt nachgeordnet ist, daß in der Sendeeinrichtung ein weiterer Analog-Digital-Umsetzer zur Erzeugung von weiteren elektrischen Impulsen angeordnet ist, deren Informationsinhait ein Miß für die zeitliche lage des Scheitelwertes ist, und daß ein mit den elektrischen Impulsen angesteuertes Sendeteil in an sich bekannter Weise durch Aussenden von Impulsen die Übertragung der Meßwerte zur Empfangseinrichtung bewirkt, v/o ihre Umsetzung in elektrische Impulse erfolgt.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -

k en η ze ic h η e t , daß zur Übertragung lichtimpulse verwendet werden, die von einem vorzugsweise als Lumineszenzdiodenanordnung ausgebildeten Sendeteil.erzeugt werden.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, d a^fcd u r c h g e ~ k e η η ze ic h η e t , daß zur Übertragung einer hochfrequenten Schwingung aufmodulierte Impulse dienen.
4. Meßeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r ο k gekennzeichnet , daß die Scheitelwert-Meßeinrichtung in an sich bekannter Weise aus einer Reihenschaltung eines Kondensators mit zwei parallelgeschalteten Meßzweigen mit._van£^a_ra^3.e.l-ge schaltet en Gleichrichtern besteht und daß zur Unterdrückung eines störenden

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Einflusses eines Gleichstromgliedes im Palle eines zu messenden, verlagerten Kurzschlußstromes die Ströme in beiden Meßzweigen zur Messung herangezogen werden.
5· Meßeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Analog-Digitai-Umsetfcer unter Zwischenschaltung eines Differentiationsgliedes an eine dem zu messenden Strom proportionale Meßspannung angeschlossen ist.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5» d a d u r e>h g e kennzeichnet , daß dem weiteren Analog-Digital-Umsetzer eine Phasenwinkel-Meßanordnung vorgeordnet ißt*, an der eingangsseitig die Meßspannung und die Ausgangs- ™ spannung des Differentiationsgliedes angeschlossen ist, so daß am Ausgang der Fhasem/inkel-Meßanordnung eine Spannung mit einer dem Phasenwinkel zwischen der Meßspannung und der Ausgangsspannung des Differentiationsgliedes proportionalen Höhe ansteht.
7. Meßeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Analög"3>igital-TJmsetaer Spannungs-Fre^uenz-Umsetzer sind«
8.Λ Meßeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

d # di^ r cyh g ^ k % ft η $ e i c h η e t , daß ßas I

Settdeteil $wei Einzelsender enthält, von denen dem einen (|ie elektrischen l^uis^aps einen Analog-Digital-tJmsetzers und dem anderen die eiekjtjfiseiien Impulse des weiteren Ana- * log^öigitöi-Uniöetzeri Ätt^efi|l#t werden, und daß jedem Einaeljsender in der BnpfangöeinriGhtüög ein Etapfanger züge-

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9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet ,daß das oendeteil einen einzigen Sender enthält, der über eine Verknüpfungsschaltung mit beiden Analog-Digital-Umsetzern verbunden i3t, und daß in der Empfangseinrichtung einem einzigen Empfänger eine Entknüpfungsschaltung zur Trennung der impulse nach ihrem Informationsinhalt nachgeordnet ist.

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