DE19545267A1

DE19545267A1 - Verfahren zum Gewinnen von fehlerbehaftete Schleifen in einem mehrphasigen elektrischen Energieversorgungsnetz kennzeichnenden Signalen

Info

Publication number: DE19545267A1
Application number: DE19545267A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Ing Jurisch; Matthias Dipl Ing Kereit
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-11-27
Filing date: 1995-11-27
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2015-11-28
Also published as: CN1203666A; WO1997020219A2; DE19545267C2; US6034592A; CN1078710C; CA2238506A1; WO1997020219A3; EP0864096A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gewinnen von fehlerbehaftete Schleifen in einem mehrphasigen elektrischen Energieversorgungsnetz kennzeichnenden Signalen mittels Impe danzanregung, bei dem

- geprüft wird, ob sich unter den als fehlerbehaftet erfaßten Schleifen mindestens eine Schleife mit einem Erdfehler be findet und
- anschließend mittels Vergleichs der Beträge der bei der Im pedanzanregung gewonnenen Impedanzwerte die die fehlerbe hafteten Schleifen kennzeichnenden Signale gebildet werden.

Ein bekanntes Verfahren dieser Art ist in dem Siemens- Gerätehandbuch "Digitaler Abzweigschutz 7SA511 V3.0", Bestell- Nr. C53000-G1100-C98-1, 1995 auf der Seite 36 beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt eine Impedanzanregung in Form eines schleifenbezogenen Anregeverfahrens. Dabei wer den nach Durchführen eines ersten Verfahrensschrittes zur Erdfehlererkennung bei mindestens einem erkannten Erdfehler die Leiter-Erde-Schleifen und bei keinem erfaßten Erdfehler die Leiter-Leiter-Schleifen überwacht. Eine Schleife gilt als angeregt, wenn der ermittelte entsprechende Impedanzzeiger innerhalb des für die jeweilige Schleife geltenden Anregepo lygons liegt. Sind mehrere Schleifen gleichzeitig angeregt, wird ein Impedanzvergleich vorgenommen, bei dem nur solche Schleifen als angeregt eingestuft werden, deren Impedanz nicht mehr als das 1,5fache der kleinsten Schleifenimpedanz beträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gewinnen von fehlerbehaftete Schleifen in einem mehrphasigen elektrischen Energieversorgungsnetz kennzeichnenden Signalen anzugeben, bei dem mit großer Sicherheit alle die Schleifen eliminiert werden, die trotz anfänglicher Anregung tatsäch lich nicht fehlerbehaftet sind, so daß von einem beispiels weise zugeordneten Distanzschutz nur die Schleifen untersucht werden, die tatsächlich von einem Fehler befallen sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Verfahren der ein gangs angegebenem Art erfindungsgemäß

- bei Ermittlung ausschließlich erdfehlerfreier Schleifen durch Vergleich von hinsichtlich der erfaßten Leiter-Lei ter-Schleifen errechneten virtuellen Impedanzen nach Betrag und Phase mit bei der Impedanzregung ermittelten Impedanzen die tatsächlich fehlerbehafteten Schleifen ermittelt, und
- bei Ermittlung mindestens einer Schleife mit Erdfehler wer den durch einen Vergleich der Beträgen von aus den Impe danzwerten der als fehlerbehaftet erfaßten Leiter-Erde- Schleifen gebildeten virtuellen Impedanzwerten mit dem kleinsten virtuellen Impedanzwert fehlerfreie Leiter-Erde- Schleifen erkannt und eliminiert;
- zur Weiterverarbeitung der Impedanzwerte der übrigen nicht eleminierten und als fehlerbehaftet erfaßten Schleifen wer den im Hinblick auf die Anzahl von gleichzeitig festge stellten Leiter-Erde-Schleifen unterschiedlich ausgestalte te Prüfverfahren verwendet, von denen jeweils das der je weils festgestellten Anzahl von Leiter-Erde-Schleifen zuge ordnete Prüfverfahren durchlaufen wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be steht darin, daß bei ihm zum Eliminieren von Impedanzschein anregungen nacheinander Prüfungen nach verschiedenen Kriteri en durchgeführt werden, wobei die jeweils nachfolgende Prü fung vom Ergebnis der jeweils vorangehenden Prüfung abhängig ist, so daß zielgerichtet nur die jeweils tatsächlich fehler freien Schleifen eliminiert werden. Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren rela tiv zuverlässig fälschlicherweise angeregte, weil fehler freie, Schleifen ausgesondert werden können. Dies ist auf die Verwendung virtueller Impedanzen zurückzuführen, bei deren Berechnung nur auf einen der zur Ermittlung der Schleifenim pedanz verwendeten Ströme zurückgegriffen wird, wobei voraus gesetzt wird, daß der andere Strom die gleiche Amplitude hat und gegenüber dem verwendeten Strom um 180° in der Phase ge dreht ist. Das Benutzen von virtuellen Impedanzen vermeidet die Nachteile der Verwendung von Mitsystemimpedanzen nach der Theorie der symmetrischen Komponenten, weil die Mitsystemimp danz einer fehlerbehafteten Schleife in bestimmten Fehlerfäl len größer als die Mitsystemimpedanz einer fehlerfreien Schleife sein kann. Zur Definition von Mitsystemimpedanzen wird auf das Buch von R. Roeper "Kurzschlußströme in Dreh stromnetzen", 6. Auflage, 1984, Seiten 48 bis 53 verwiesen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich im Hinblick auf ein sehr zuverlässiges und zielgerichtetes Eliminieren angeregter, aber an sich fehlerfreier Schleifen als vorteil haft erwiesen, wenn im Falle einer einzigen erfaßten Leiter- Erde-Schleife das Prüfverfahren in der Weise durchgeführt wird, daß durch Vergleich der Impedanzwerte aller erfaßten Leiter-Leiter-Schleifen mit einem vorgegebenen Mehrfachen des Impedanzwertes der Leiter-Erde-Schleife diejenigen Leiter- Leiter-Schleifen eliminiert werden, deren Impedanzwerte ober halb des vorgegebenen Mehrfachen des Impedanzwertes der Lei ter-Erde-Schleife liegen, und anschließend durch einen Ver gleich der Phasenwinkel der Impedanzwerte der nichteliminier ten Leiter-Leiter-Schleifen und der Leiter-Erde-Schleife so wie durch einen Vergleich der Impedanzwerte dieser Schleifen miteinander eine noch nicht eliminierte Leiter-Leiter- Schleife oder die Leiter-Erde-Schleife eliminiert wird, wobei im Falle einer eliminierten Leiter-Erde-Schleife ein zusätz liches Prüfungsverfahren hinsichtlich dieser Schleife durch geführt wird.

Um zuverlässige Arbeitsergebnisse zu erhalten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn vor dem Vergleich der Impe danzwerte aller erfaßten Leiter-Leiter-Schleifen überprüft wird, ob der Betrag der jeweiligen Impedanz größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Damit ist sichergestellt, daß die Bestimmung der Phasenwinkel mit ausreichend großen Impe danzen erfolgt, so daß Meßfehler weitgehend ausgeschlossen sind.

Um im Falle von zwei bei der Anregung als fehlerbehaftet festgestellten Leiter-Erde-Schleifen mit ebenfalls hoher Zu verlässigkeit fehlerfreie Schleifen erkennen und eliminieren zu können, wird bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des er findungsgemäßen Verfahrens im Falle von zwei festgestellten Leiter-Erde-Schleifen die Phasendifferenz zwischen den Impe danzen der beiden Leiter-Erde-Schleifen daraufhin überprüft wird, ob sie oberhalb eines vorgegebenen Grenzwinkels liegt, und bei einer oberhalb dieses Grenzwinkels liegenden Phasen differenz wird mittels Vergleichs der Phasenwinkel der Impe danzen der Leiter-Erde-Schleifen mit dem Phasenwinkel einer Nullimpedanz die Leiter-Erde-Schleife mit der größten Phasen differenz zur Nullimpedanz eliminiert; durch Vergleich der Impedanzwerte der erfaßten Leiter-Leiter-Schleifen mit einem kleinsten Impedanzwert der Leiter-Erde-Schleifen werden die jenigen Leiter-Leiter-Schleifen eliminiert, deren Impe danzwerte oberhalb eines vorgegebenen Mehrfachen des klein sten Impedanzwertes liegen, und anschließend wird durch einen Vergleich der Phasenwinkel der Impedanzwerte der nichtelimi nierten Leiter-Leiter-Schleife und der Leiter-Erde-Schleife sowie durch einen Vergleich der Impedanzwerte dieser Schlei fen miteinander eine noch nicht eliminierte Leiter-Leiter- Schleife oder die Leiter-Erde-Schleife eliminiert, wobei im Falle einer eliminierten Leiter-Erde-Schleife das zusätzliche Prüfungsverfahren hinsichtlich dieser Schleife durchgeführt wird.

Auch bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah rens hat es sich im Hinblick auf eine möglichst hohe Zuver lässigkeit als vorteilhaft erwiesen, wenn vor der Überprüfung der Phasendifferenz geprüft wird, ob der Betrag der Leiter- Erde-Schleifen jeweils größer als ein vorgegebener Schwellen wert ist.

Sowohl bei der Feststellung von tatsächlich fehlerbehafteten Schleifen im Falle von einer einzigen zunächst als fehlerbe haftet ermittelten Leiter-Erde-Schleife als auch im Falle von zwei zunächst als fehlerbehaftet erkannten Leiter-Erde- Schleifen werden in vorteilhafter Weise zum Vergleich der Im pedanzwerte der erfaßten Leiter-Leiter-Schleifen nach der Theorie der symmetrischen Komponenten errechnete Mitsystemim pedanzen verwendet werden.

Um im Verlauf der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens bei zunächst einem oder zwei als fehlerbehaftet ermit telten Leiter-Erde-Schleifen mit Sicherheit feststellen zu können, welche von zwei noch nicht eliminierten Leiter- Schleifen tatsächlich fehlerbehaftet ist, werden gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem sich jeweils beim Vergleich der Phasen winkel ergebenden Phasenwinkel mit einer oberhalb eines vor gegebenen weiteren Grenzwinkels liegenden Größe die Beträge der Impedanzen der beiden jeweiligen Schleifen miteinander verglichen; bei einem größeren Betrag der Impedanz der Lei ter-Leiter-Schleife als der der Leiter-Erde-Schleife wird die Leiter-Leiter-Schleife eliminiert, während bei einem anderen Größenverhältnis die Leiter-Erde-Schleife nur dann eliminiert wird, wenn in dem zusätzlichen Prüfverfahren der Wert der Im pedanz der Leiter-Leiter-Schleife kleiner als der Wert der nach der Theorie der symmetrischen Komponenten errechneten Mitsystem-Impedanz dieser Schleife ist.

Bei einer anderen ergänzenden Ausgestaltung des erfindungsge mäßen Verfahrens werden in vorteilhafter Weise im Falle von drei als fehlerbehaftet festgestellten Leiter-Erde-Schleifen durch Vergleich von hinsichtlich des als fehlerbehaftet er faßten Leiters errechneten virtuellen Impedanzen nach Betrag und Phase mit den bei der Impedanzanregung ermittelten Impe danzen die tatsächlich fehlerbehafteten Leiter-Erde-Schleifen ermittelt.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Blockschaltbildes, in

Fig. 2 ein Flußdiagramm, mit dem eine Übersicht über den Ab lauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens vermittelt wird, in

Fig. 3 ein weiteres Flußdiagramm, mit dem der Ablauf dessel ben Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ver fahrens bei einer einzigen angeregten Leiter-Erde- Schleife dargelegt wird, in

Fig. 4 ein zusätzliches Flußdiagramm, mit dem der Verfah rensablauf bei zwei angeregten Leiter-Erde-Schleifen veranschaulicht wird, und in

Fig. 5 ein ergänzendes Flußdiagramm, mit dem der Verfahrens ablauf bei drei angeregten Leiter-Erde-Schleifen oder bei ausschließlich erdfehlerfreien, angeregten Lei ter-Leiter-Schleifen gezeigt wird, dargestellt.

Wie der Fig. 1 im einzelnen zu entnehmen ist, werden einem Analog-Digital-Wandler 1 über Wandler Wi1, Wi2 und Wi3 Ströme I_L1 bis I_L3 in Leitern eines nicht dargestellten mehrphasigen Energieversorgungsnetzes zugeführt. Außerdem wird über einen zusätzlichen Stromwandler wie eine dem Erdstrom im Energie versorgungsnetz proportionale Stromgröße in den Analog- Digital-Wandler 1 eingespeist. Ferner liegen eingangsseitig an dem Analog-Digital-Wandler 1 den Spannungen an den Leitern des nicht dargestellten mehrphasigen Energieversorgungsnetzes proportionale Spannungen U_L1 bis U_L3, die über Spannungswand ler Wu1 bis Wu3 gewonnen sind; eine zusätzliche Spannung U_E ist über einen zusätzlichen Spannungswandler Wue aus der Erd spannung an dem mehrphasigen Energieversorgungsnetz abgelei tet.

Mittels des Analog-Digital-Wandlers 1 aus den genannten Ein gangsgrößen gebildete Digitalwerte werden über einen Datenbus 2 einer Einrichtung 3 zur Impedanzmessung zugeführt. Dieser Einrichtung 3 ist über einen weiteren Datenbus 4 eine Anrege einrichtung 5 nachgeordnet, mit der in unten noch näher be schriebener Weise festgestellt wird, ob in der Einrichtung 3 Impedanzwerte gebildet sind, die aufgrund eines Vergleichs mit einem Anregepolygon auf eine fehlerbehaftete Schleife hindeuten.

Ausgangsseitig ist die Anregeeinrichtung 5 über einen weite ren Datenbus 6 mit einer Anordnung 7 zur Scheinanregungseli minierung verbunden, der außerdem über einen zusätzlichen Da tenbus 8 Meßwerte zugeführt werden, die den über den Datenbus 6 mitgeteilten angeregten Schleifen zugeordnet sind. In der Anordnung 7 werden die Schleifen eliminiert, die aufgrund ei ner in dieser Anordnung vorgenommenen Überprüfung tatsächlich fehlerfrei sind, so daß über einen Datenbus 9 einer Auswahl schaltung 10 nur noch die Schleifen mitgeteilt werden, die tatsächlich fehlerbehaftet sind. Diesen tatsächlich fehlerbe hafteten Schleifen werden in der Auswahlschaltung 10 die über einen Datenbus 11 zugeführten Impedanzmeßwerte zugeordnet, so daß eine an einen weiteren Datenbus 12 angeschlossene und in Fig. 1 nicht dargestellte Distanzschutzmeßeinrichtung eine Distanzmessung für die tatsächlich als fehlerbehaftet erkann ten Schleifen durchführt und gegebenenfalls einen Auslösebe fehl an einen zugeordneten, ebenfalls nicht dargestellten Leistungsschalter im zu überwachenden mehrphasigen Energie versorgungsnetz abgibt.

In Fig. 2 ist ein Flußdiagramm dargestellt, das die Wir kungsweise der Anordnung 7 gemäß Fig. 1 in einer Übersicht in groben Zügen wiedergibt. Ist in der Anregeeinrichtung 5 festgestellt worden, daß in mindestens einer Schleife des zu überwachenden mehrphasigen Energieversorgungsnetzes eine Impe danz aufgetreten ist, die nach Betrag und Phase in ein vorge gebenes Anregepolygon fällt, dann wird in einem ersten Schritt 21 zunächst überprüft, ob ein Erdfehler aufgetreten ist. Ist dies der Fall, dann wird in einem weiteren Prüfungs schritt 22 ein Betragsvergleich vorgenommen. Bei diesem Be tragsvergleich werden lediglich Leiter-Erde-Schleifen - von der Anregeeinrichtung 5 erfaßt - hinsichtlich ihrer Impedanz mit der jeweiligen virtuellen Impedanz Z_VLxE verglichen.

Die jeweilige virtuelle Impedanz Z_VLxE der von der Anregeein richtung 5 erfaßten Leiter-Erde-Schleifen werden ohne Berück sichtigung des Nullstromes unter Benutzung des Leiterstromes I_Lx in der zu überprüfenden Leiter-Erde-Schleife gemäß der nachstehenden Gleichung (1) durchgeführt.

In dieser Gleichung bezeichnet die Größe Z_VLxE die virtuelle Impedanz einer Schleife zwischen einem Leiter Lx, wobei x für 1 bis 3 steht, und Erde; mit U_Lx-E ist die Spannung zwischen dem Leiter der jeweils überprüften Leiter-Erde-Schleife und Erde bezeichnet, während I_Lx den Leiterstrom in dem entspre chenden Leiter Lx bezeichnet.

Überschreiten die Beträge der Impedanzen von seitens der An regeeinrichtung 5 erfaßten Leiter-Erde-Schleifen einen Schwellenwert, der durch eine k-fache Größe des Betrages (z. B. 1,5-fach) der jeweils kleinsten virtuellen Impedanz ge geben ist, dann wird die entsprechende Anregung zurückge setzt. Die entsprechende Leiter-Erde-Schleife ist damit eli miniert und wird nicht weiter als angeregt betrachtet.

Anschließend erfolgt eine weitere Überprüfung der noch als fehlerbehaftet im Prüfungsverfahren befindlichen Schleifen in Abhängigkeit von der Anzahl der ursprünglich jeweils als gleichzeitig seitens der Anregeeinrichtung 5 als angeregt er kannten Schleifen. Als Kriterium dafür werden die Signale an gesehen, die über den Datenbus 6 von der Einrichtung 5 abge geben werden. Ergibt sich anhand eines so von der Anregeein richtung 5 erzeugten Anregemusters, daß im vorliegenden Falle nur eine einzige Leiter-Erde-Schleife angeregt worden ist, dann wird für die weitere Überprüfung ein Prüfungspfad 23 eingeschlagen, während bei einem Anregemuster mit zwei ange regten Leiter-Erde-Schleifen ein anderer Prüfungsweg 24 be schritten wird; ergibt das Anregemuster, daß gleichzeitig drei Leiter-Erde-Schleifen angeregt worden sind, dann wird ein zusätzlicher Prüfungsweg 25 eingeschlagen.

Im Prüfungspfad 23 wird in einem Funktionsblock 26 überprüft, ob eine Leiter-Leiter-Schleife als tatsächlich fehlerbehaftet einzustufen ist oder die erfaßte eine Leiter-Erde-Schleife. Entsprechend wird von der Anordnung 7 gemäß Fig. 1 an die Auswahlschaltung 10 über den Datenbus 9 ein entsprechendes Signal gegeben.

Im Prüfungspfad 24 ist ein Funktionsblock 27 vorhanden, mit dem festgestellt wird, ob im Falle von zwei gleichzeitig an geregten Leiter-Erde-Schleifen Leiter-Erde-Schleifen oder Leiter-Leiter-Schleifen als tatsächlich angeregt weiter zu behandeln sind.

Im Prüfungspfad 25 ist ein Funktionsblock 28 vorhanden, in dem eine Überprüfung auf Scheinimpedanzanregungen immer dann erfolgt, wenn entweder die Erdfehlererkennung im Verfahrens schritt 21 keinen Erdfehler ergeben hat, oder wenn - wie eben dargelegt - drei Leiter-Erde-Schleifen als gleichzeitig ange regt von der Anregeeinrichtung 5 erkannt worden sind. Auch dann, wenn die Funktionsblöcke 26 und 27 keine eindeutigen Aussagen liefern, wird zusätzlich der Funktionsblock 28 durchlaufen, so daß nach Durchlauf des erfindungsgemäßen Ver fahrens gemäß Fig. 2 am Schluß nur noch solche Schleifen kennzeichnende Signale an die Auswahlschaltung 10 gemäß Fig. 1 abgegeben werden, die tatsächlich fehlerbehaftete Schleifen bezeichnen.

In Fig. 3 ist der Funktionsblock 26 gemäß Fig. 2 aus führ lich dargestellt, wobei durch die eingekreisten Ziffern die Zuordnung der Fig. 3 zur Fig. 2 gekennzeichnet ist. Das in Fig. 3 gezeigte Flußdiagramm läßt erkennen, daß in einem Schritt 30 zunächst überprüft wird, ob der Betrag der Impe danz der jeweiligen Leiter-Erde-Schleife größer als ein vor gegebener Grenzwert, im vorliegenden Falle 250 mΩ, ist. Da mit wird ein zu großer Meßfehler verhindert, der sich bei zu kleinen Beträgen der Impedanzen bei der nachfolgend durchge führten Phasenwinkelmessung der Schleifenimpedanzen ergeben würde.

Nach dem Schritt bzw. der Verzweigung 30 mit der eben be schriebenen Impedanzüberprüfung wird anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt 31 eine Eliminierung aller der an gelegten Leiter-Leiter-Schleifen vorgenommen, deren Impedanz- Betrag Z_FL-L um einen bestimmten Faktor K₂ größer als der Be trag der kleinsten ermittelten Leiter-Erde-Impedanz Z_FL-E ist; k₂ kann z. B. 1,8 sein. Mit den übriggebliebenen Leiter- Leiter-Schleifen wird nun eine Phasenwinkelüberprüfung durch geführt, sofern in einem weiteren Verfahrensschritt 32 fest gestellt worden ist, daß die Beträge der noch übriggebliebe nen Schleifenimpedanzen größer als im Beispiel 250 mΩ sind. Scheitert bei einer Leiter-Leiter-Schleife diese Schwellwer tabfrage, dann kann in dem in Fig. 3 dargestellten Funkti onsblock keine klare Aussage mehr über den Fehler getroffen werden. Es wird dann zu dem Funktionsblock 28 gemäß Fig. 2 verzweigt.

Unterscheiden sich die Phasenwinkel der Leiter-Leiter- Impedanz und der einen erfaßten Leiter-Erde-Impedanz vonein ander um beispielsweise 30°, wie es in dem weiteren Verfah rensschritt 33 überprüft wird, dann wird davon ausgegangen, daß eine der beiden Anregungen eine Scheinanregung sein muß. Welche der beiden Schleifen nun wirklich einen Fehler auf weist, wird in weiteren Verfahrensschritten ermittelt. Sind beide Phasenwinkel gleich, so wird zunächst von einem zweipo ligen Erdfehler ausgegangen. Um diesbezüglich ganz sicher zu sein, wird anschließend in einem Funktionsblock 34 eine wei tere Überprüfung vorgenommen.

Im Rahmen der weiteren Prüfung werden - um festzustellen, welche der beiden Schleifen tatsächlich am Fehler beteiligt ist - im Anschluß an den Schritt 33 die Beträge der Schlei fenimpedanzen im Schritt 35 miteinander verglichen. Ist der Betrag der Leiter-Leiter-Impedanz kleiner als der der Leiter- Erde-Impedanz und liegt der Zeiger der Leiter-Leiter-Impedanz im 1. oder 3. Quadranten des Zeigerdiagrams, so ist die Lei ter-Leiter-Schleife nicht am Fehler beteiligt und kann elimi niert werden. Sind diese Bedingungen nicht erfüllt, so darf die Leiter-Erde-Schleife nur eliminiert werden, wenn sich die gemessene Leiter-Leiter-Impedanz durch einen Vergleich mit den virtuellen Impedanzen als tatsächlich fehlerbehaftet ein stufen läßt. In diesem Falle handelt es sich um eine Über funktion der Erdfehlererkennung. Wurde die Leiter-Erde- Schleife eliminiert, so muß nach Abarbeitung des Funktions blockes gemäß Fig. 3 ebenfalls der Funktionsblock 28 gemäß Fig. 2 durchlaufen werden. Kann die Impedanz der Leiter- Leiter-Schleife nicht als tatsächlich fehlerbehaftet erkannt werden, so muß diese Impedanz eine Scheinimpedanz sein und die entsprechende Leiter-Leiter-Schleife wird eliminiert.

Bei dem sich an den Schritt 35 anschließenden Schritt 36 der Überprüfung der Leiter-Leiter-Impedanz bzw. Verifizierung der Leiter-Leiter-Schleife wird davon ausgegangen, daß die Lei terströme beider tatsächlich oder vermeintlich am Fehler be teiligten Leiter mit dem Fehlerstrom identisch sind. Unter dieser Annahme können für eine Leiter-Leiter-Schleife zwei virtuelle Schleifenimpedanzen berechnet werden. Für die Be rechnung einer virtuellen Impedanz wird jeweils nur ein Lei terstrom verwendet; die Berechnung erfolgt nach den folgenden Gleichungen (2) und (3)

in denen mit Z_V1,Lx-Ly die virtuelle Impedanz der jeweiligen Leiter-Leiter-Schleife bei Rechnung mit dem Strom I_Lx durch den ersten am Fehler beteiligten Leiter und mit Z_V2,Lx-Ly die virtuelle Impedanz bei Berechnung mit dem Strom I_Ly durch den zweiten am Fehler beteiligten Leiter bezeichnet ist; mit U_Lx-Ly sind in den Gleichungen (2) und (3) die Spannungen zwi schen den beiden Leitern der jeweiligen Schleife bezeichnet. Weichen die beiden auf diese Art berechneten virtuellen Impe danzen nicht wesentlich voneinander ab und sind diese beiden auf die Mitsystemimpedanz nach der Theorie der symmetrischen Komponenten normierten Schleifenimpedanzen nicht wesentlich größer als die von der Einrichtung 3 gemäß Fig. 1 berechnete Impedanz, dann handelt es sich mit Sicherheit nicht um eine Scheinimpedanz. Ist der Betrag der Mitsystemimpedanz kleiner als beispielsweise das 0,3fache des Betrages der virtuellen Impedanzen, dann kann die Schleifenimpedanz nicht verifiziert werden. Daraus folgt, daß die entsprechende Leiter-Leiter- Schleife nicht am Fehler beteiligt sein kann; sie wird elimi niert, wenn Resistanz und Reaktanz das gleiche Vorzeichen aufweisen.

In Fig. 4 ist der Funktionsblock 27 gemäß Fig. 2 in seinen einzelnen Verfahrensschritten dargestellt. Es ist zu erken nen, daß in einem ersten Schritt 40 zunächst überprüft wird, ob die Impedanzen beider angeregter Leiter-Erde-Schleifen groß genug für einen Vergleich der Phasenwinkel sind. Ist dies nicht der Fall, dann wird der Funktionsblock 28 gemäß Fig. 2 durchlaufen.

Anderenfalls wird anschließend in einem weiteren Verfahrens schritt 41 geprüft, ob es sich bei dem Fehler im Falle der zwei angelegten Leiter-Erde-Schleifen um einen zweipoligen Erdfehler handelt. Dies wird dadurch entschieden, daß die Phasenwinkel der beiden Leiter-Erde-Schleifen miteinander verglichen werden. Ergibt sich ein Unterschied von weniger als 30°, dann könnte es sich um einen zweipoligen Erdkurz schluß handeln; es wird dann eine weitere Überprüfung im Funktionsblock 28 gemäß Fig. 2 vorgenommen. Anderenfalls ist eine der beiden Leiter-Erde-Schleifen nicht fehlerbehaftet, und es ist eine der beiden Schleifen zu eliminieren. Dies wird unter Berücksichtigung der Nullimpedanz in den nachfol genden Schritten 42 und 42 entschieden.

Die Nullimpedanz wird gemäß nachstehender Gleichung (4)

berechnet, in der mit Z₀ die Nullimpedanz, mit U₀ die Span nung nach Erde und mit I_E der Erdstrom bezeichnet ist. Dabei ist nur der Phasenwinkel der Nullimpedanz von Bedeutung und wird deshalb auch nur berechnet. Anschließend werden die Dif ferenzen zwischen dem Phasenwinkel der beiden Leiter-Erde- Impedanzen und dem Phasenwinkel der Nullimpedanz im Verfah rensschritt 42 gebildet. Berücksichtigt wird nur der kleinste Phasenwinkel ϕ_min zwischen dem Phasenwinkel der Nullimpedanz und den Phasenwinkeln der Impedanzen der Leiter-Erde-Schleife Z_FL-E. Ist die kleinste Winkeldifferenz größer als beispiels weise 45°, so kann keine klare Aussage darüber getroffen wer den, welche der beiden Leiter-Erde-Schleifen nicht am Fehler beteiligt ist. Es wird dann sofort die Prüfung gemäß dem Funktionsblock 28 nach Fig. 2 ausgeführt. Andernfalls wird die Leiter-Erde-Schleife im Verfahrensschritt 44 eliminiert, deren Impedanzwinkel sich am meisten vom Phasenwinkel der Nullimpedanz unterscheidet.

Eine Eliminierung weiterer Scheinanregungsimpedanzen erfolgt anschließend in der Weise, wie es bei der Erläuterung der Fig. 3 im einzelnen dargelegt ist, und zwar in einem Umfange vom Verfahrensschritt 31 an.

In dem in Fig. 5 im einzelnen dargestellten Block 28 gemäß Fig. 2 wird eine Überprüfung immer dann durchgeführt, wenn von der Einrichtung 5 überhaupt keine Leiter-Erde-Schleife als angeregt gemeldet wird oder wenn alle drei Leiter-Erde- Schleifen als fehlerbehaftet erfaßt worden sind; ferner wird - wie oben bereits im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 erläutert worden ist - immer dann der Funktionsblock 28 gemäß Fig. 2 durchlaufen, wenn in den Funktionsblöcken 26 und 27 keine eindeutige Aussage über die jeweils tatsächlich fehler behaftete Schleife getroffen werden konnte. Wurden in den Funktionsblöcken 26 und 27 bereits eindeutig Fehler als zwei polige Fehler erkannt, so wird der Funktionsblock 28 übergan gen.

Zuerst wird in einem ersten Prüfungsschritt 50 geprüft, ob das von der Anregeeinrichtung 5 gemäß Fig. 1 erzeugte Anrege muster einem Leiter-Leiter-Erde-Fehler entspricht; ist dies der Fall, dann wird ein zweipoliger Erdfehler verifiziert. Andernfalls werden in dem Prüfungspfad gemäß Fig. 5 in einem weiteren Prüfungsschritt 51 alle noch angeregten Schleifen mit Hilfe virtueller Impedanzen verifiziert, und zwar in fol gender Weise:

Zur Eliminierung von Leiter-Erde-Schleifen wird davon ausge gangen, daß der Leiterstrom des fehlerbehafteten Leiters und der Nullstrom mit den Fehlerstrom identisch ist. Unter dieser Annahme können für jede Leiter-Erde-Schleife zwei virtuelle Schleifenimpedanzen berechnet werden; einmal wird aus dem Nullstrom I_E und der zugehörigen Leiter-Erde-Spannung U_Lx-E eine virtuelle Impedanz Z_V1.Lx-E und ein weiteres Mal aus dem Leiterstrom I_lx und der zugehörigen Leiter-Erde-Spannung U_Lx-E eine weitere virtuelle Impedanz Z_V2,Lx-E berechnet:

Sind diese virtuellen Schleifenimpedanzen nicht wesentlich größer als die von der Anregeeinrichtung 5 berechneten (Mitsystem-) Impedanz Z_Lx-E - in Fig. 5 aus Platzgründen mit Z_R bezeichnet -, dann handelt es sich in diesem Fall mit Si cherheit nicht um eine Scheinanregung.

Im Detail wird dieser Vergleich in der Weise durchgeführt, daß ein Vergleich der Beträge der Impedanzen in Verbindung mit einem Winkelvergleich durchgeführt wird, wie es in Fig. 5 angedeutet und in den nachfolgenden Gleichungen (7) und (8) (im einzelnen beschrieben ist:

In diesen Gleichungen (7) und (8) bezeichnen Z₀ die Nullimpe danz und Z1 die Mitsystemimpedanz der Leitung; diese Impedan zen sind nicht aus Meßgrößen gebildet, sondern beschreiben Eigenschaften der Leitung; 1,5 ist ein frei vorgegebener Fak tor K. Mit den Gleichungen (7) und (8) wird ausgenutzt, daß ein mit dem Schleifenstrom I_Lx gebildeter Impedanzzeiger nach Betrag und Phasenlage deutlich von einem nur mit dem Phasen strom gebildeten Zeiger abweicht, wenn fehlerfreie Schleifen vorliegen. Im Gegensatz dazu sind die Zeiger fehlerbehafteter Schleifen nahezu deckungsgleich. Der Winkelvergleich wird je doch nur durchgeführt, wenn sich die Beträge von virtueller Impedanz und Mitsystemimpedanz nicht zu stark voneinander un terscheiden (Faktor 1,5). Ohne Winkelüberprüfung wird die je weilige Schleife als nicht verifizierbar in diesem Schritt 51 bewertet.

Mit Hilfe dieser Verifikation der Anregung ist bei Mehrfach- Erdkurzschlüssen mit unterschiedlichen Fußpunkten in einer Richtung vom Einbauort eines nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren arbeitenden Schutzgerätes prinzipiell keine eindeutige Unterscheidung von Fehler- und Scheinimpedanzen möglich. Aus diesem Grund erfolgt anschließend in einem weiteren Prüfungs schritt 52 eine Scheinimpedanzeliminierung mit einem Betrags vergleich.

Zur Eliminierung von Leiter-Leiter-Schleifen wird eine Veri fikation der Anregung unter Berücksichtigung der Phasenwinkel vorgenommen, indem folgende Beziehungen (9) und (10) berück sichtigt werden:

In diesen Gleichungen (9) und (10) bezeichnet U_Lx-Ly/I_Lx eine erste virtuelle Impedanz der jeweils betroffenen Leiter- Leiter-Schleife und U_Lx-Ly/I_Ly eine weitere virtuelle Impedanz jeweils derselben Leiter-Leiter-Schleife; Z_Lx-Ly ist die je weilige Mitsystemimpedanz; 1,2 ein frei vorgegebener Faktor K. Mit Hilfe dieser Verifikation der Anregung ist bei Mehr fachfehlern mit unterschiedlichen Fußpunkten in einer Rich tung vom Einbauort des Schutzgerätes prinzipiell keine ein deutige Unterscheidung von Fehler- und Scheinimpedanzen mög lich.

Die erste Stufe der Verifikation besteht also auch hier aus einem Vergleich der Beträge von Mitsystemimpedanz und virtu eller Impedanz. Unterscheiden sich die Beträge von virtueller und Mitsystemimpedanz zu stark voneinander (hier um den Fak tor 1,2), so wird kein Winkeltest durchgeführt, die entspre chende Schleife kann nicht verifiziert werden.

Sind die Beträge von virtueller und Mitsystemimpedanz sowohl bei Leiter-Erde- als auch bei Leiter-Leiter-Schleifen nicht unzulässig unterschiedlich, dann erfolgt der Winkelvergleich zwischen der Mitsystemimpedanz und den beiden virtuellen Im pedanzen. Dabei wird der jeweilige Winkelvergleich nur durch geführt, wenn die Impedanz für eine hinreichend genaue Win kelbestimmung groß genug ist.

Beim Winkeltest werden alle Schleifen bestätigt, wo die Dif ferenz zwischen dem Phasenwinkel der Mitsystemimpedanz und dem Phasenwinkel der virtuellen Impedanz kleiner als 60° ist. Sind Betragsvergleich und Winkeltest mit der ersten virtuel len Impedanz positiv verlaufen, dann werden die gleichen Tests noch einmal mit der zweiten virtuellen Impedanz durch geführt.

Kann die Impedanz einer Schleife nicht verifiziert werden, so wird diese Schleife nur dann aus dem Anregemuster eliminiert, wenn sich die Mitsystemimpedanz im 2. oder 4. Quadranten der komplexen Ebene befindet.

Sind an dieser Stelle noch mehr als eine Schleife angeregt und wurde bisher noch kein Doppelerdfehler erkannt, so wird für alle Schleifen die Scheinanregungseliminierung mit einem Betragsvergleich der Mitsystemimpedanzen in dem Schritt 52 durchgeführt. Der Faktor k beträgt wie im Schritt 22 gemäß Fig. 2 1,5. Der zusätzliche Betragsvergleich ist notwendig, da nicht alle Fehlerarten bei der Verifikation der Anregung klar erkannt werden können.

Zum Schluß wird zur Sicherheit geprüft, ob alle angeregten
Schleifen eliminiert wurden. Ist das der Fall, dann wird die letzte Elimination mit dem Betragsvergleich wieder rückgängig gemacht.

Claims

1. Verfahren zum Gewinnen von fehlerbehaftete Schleifen in einem mehrphasigen elektrischen Energieversorgungsnetz kenn zeichnenden Signalen mittels Impedanzanregung, bei dem

- geprüft wird, ob sich unter den als fehlerbehaftet erfaßten Schleifen mindestens eine Schleife mit einem Erdfehler be findet und
- anschließend mittels Vergleichs der Beträge der bei der Im pedanzanregung gewonnenen Impedanzwerte die die fehlerbe hafteten Schleifen kennzeichnenden Signale gebildet werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

- bei Ermittlung ausschließlich erdfehlerfreier Schleifen durch Vergleich von hinsichtlich der erfaßten Leiter-Lei ter-Schleifen errechneten virtuellen Impedanzen (U_Lx-Ly/I_Lx; U_Lx-Ly/I_Ly) nach Betrag und Phase mit bei der Impedanzregung ermittelten Impedanzen (Z_Lx-Ly) die tatsächlich fehlerbehafteten Schleifen ermittelt werden und
- bei Ermittlung mindestens einer Schleife mit Erdfehler durch einen Vergleich der Beträgen von bezüglich der als fehlerbehaftet erfaßten Leiter-Erde-Schleifen gebildeten virtuellen Impedanzwerten (Z_VLxE) mit dem kleinsten virtuellen Impedanzwert (Z_VLxE) fehlerfreie Leiter-Erde- Schleifen erkannt und eliminiert werden und
- zur Weiterverarbeitung der Impedanzwerte der übrigen nichteliminierten und als fehlerbehaftet erfaßten Schleifen im Hinblick auf die Anzahl von gleichzeitig als fehlerbehaftet festgestellten Leiter-Erde-Schleifen unter schiedlich ausgestaltete Prüfverfahren (23, 24, 25) verwendet werden, von denen jeweils das der jeweils festgestellten Anzahl von Leiter-Erde-Schleifen zugeordnete Prüfverfahren durchlaufen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

- im Falle einer einzigen erfaßten Leiter-Erde-Schleife durch Vergleich der Impedanzwerte aller erfaßten Leiter-Leiter- Schleifen mit einem vorgegebenen Mehrfachen (K₂) des Impe danzwertes der Leiter-Erde-Schleife diejenigen Leiter- Leiter-Schleifen eliminiert werden, deren Impedanzwerte (Z_FL-L)oberhalb des vorgegebenen Mehrfachen des Impedanzwertes (Z_FL-E) der Leiter-Erde-Schleife liegen, und anschließend durch einen Vergleich der Phasenwinkel der Impedanzwerte der nichteliminierten Leiter-Leiter-Schleifen und der Leiter-Erde-Schleife (Schritt 33) sowie durch einen Vergleich (Schritt 35) der Impedanzwerte dieser Schleifen miteinander eine noch nicht eliminierte Leiter-Leiter- Schleife oder die Leiter-Erde-Schleife eliminiert wird,
- wobei im Falle einer eliminierten Leiter-Erde-Schleife ein zusätzliches Prüfungsverfahren (Schritt 34) hinsichtlich dieser Schleife durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

- vor dem Vergleich der Impedanzwerte aller erfaßten Leiter- Leiter-Schleifen überprüft wird (Schritt 30), ob der Betrag der jeweiligen Impedanz größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

- im Falle von zwei festgestellten Leiter-Erde-Schleifen die Phasendifferenz zwischen den Impedanzen der beiden Leiter- Erde-Schleifen daraufhin überprüft wird (Schritt 41), ob sie oberhalb eines vorgegebenen weiteren Grenzwinkels (30°) liegt, und bei einer oberhalb dieses Grenzwinkels (30°) liegenden Phasendifferenz mittels Vergleichs der Phasenwinkel der Impedanzen der Leiter-Erde-Schleifen mit dem Phasenwinkel einer Nullimpedanz Z₀ die Leiter-Erde- Schleife mit der größten Phasendifferenz zur Nullimpedanz Z₀ eliminiert wird (Schritte 42 bis 44) und
- durch Vergleich der Impedanzwerte der erfaßten Leiter-Lei ter-Schleifen mit einem vorgegebenen Mehrfachen (K₂) des kleinsten Impedanzwertes der Leiter-Erde-Schleifen die jenigen Leiter-Leiter-Schleifen eliminiert werden, deren Impedanzwerte (Z_FL-L) oberhalb des vorgegebenen Mehrfachen des kleinsten Impedanzwertes (Z_FL-E) liegen, und anschließend durch einen Vergleich der Phasenwinkel der Impedanzwerte der nichteliminierten Leiter-Leiter-Schleife und der Leiter-Erde-Schleife (Schritt 33) sowie durch einen Vergleich (Schritt 35) der Impedanzwerte dieser Schleifen miteinander eine noch nicht eliminierte Leiter-Leiter- Schleife oder die Leiter-Erde-Schleife eliminiert wird,
- wobei im Falle einer eliminierten Leiter-Erde-Schleife das zusätzliche Prüfungsverfahren (Schritt 34) hinsichtlich dieser Schleife durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß

- vor der Überprüfung der Phasendifferenz geprüft wird, ob der Betrag der Leiter-Erde-Schleifen jeweils größer als ein vorgegebener Schwellenwert (Schritt 40) ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß

- zum Vergleich der Impedanzwerte der erfaßten Leiter-Leiter- Schleifen nach der Theorie der symmetrischen Komponenten errechnete Mitsystemimpedanzen verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß

- bei einem sich jeweils beim Vergleich der Phasenwinkel er gebenden Phasenwinkel der nichteliminierten Leiter-Leiter- Schleife und der Leiter-Erde-Schleife mit einer oberhalb eines vorgegebenen zusätzlichen Grenzwinkels liegenden Größe die Beträge der Impedanzen der beiden jeweiligen Schleifen miteinander verglichen werden und bei einem größeren Betrag der Impedanz der Leiter-Leiter-Schleife als der der Leiter-Erde-Schleife die Leiter-Leiter-Schleife eliminiert (Schritt 35) wird, während bei einem anderen Größenverhältnis die Leiter-Erde-Schleife nur dann elimi niert wird, wenn in dem zusätzlichen Prüfverfahren (34) der Wert der Impedanz der Leiter-Leiter-Schleife kleiner als der Wert der nach der Theorie der symmetrischen Komponenten errechneten Mitsystem-Impedanz dieser Schleife ist.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß

- im Falle von drei als fehlerbehaftet festgestellten Leiter- Erde-Schleifen durch Vergleich von hinsichtlich der als fehlerbehaftet erfaßten Leiter-Erde-Schleifen errechneten virtuellen Impedanzen U_Lx-Ly/I_Lx; U_Lx-Ly/I_Ly) nach Betrag und Phase mit bei der Impedanzanregung ermittelten Impedanzen (Z_Lx-Ly) die tatsächlich fehlerbehafteten Leiter-Erde- Schleifen ermittelt werden.