DE19640821A1 - Verfahren zur Erfassung von Erdschlüssen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Erdschlüssen in einem Energiever­ teilungsnetz mit mindestens drei strahlenförmigen Abgängen und Erdschlußkompensation, wobei der Summenstrom gemessen und von diesem mindestens eine Oberschwingung ausge­ siebt wird.

In elektrischen Anlagen, vornehmlich in Verteilnetzen, sind Erdschlüsse dadurch erkennbar, daß sich die Stromsumme der drei Außenleiter im Erdschlußfall deutlich von der Strom­ summe im erdschlußfreien Betrieb unterscheidet. Bekannte Verfahren zur Erfassung solcher Fehler arbeiten daher nach den folgenden Prinzipien:

• a) Auswertung der Einschwingvorgänge (Erdschlußwischerrelais).
• b) Grenzwertüberschreitung der Amplitude der fünften Oberschwingung im Summenstrom, wobei jeder Abgang unabhängig von den anderen ausgewertet wird.
• c) Messung der fünften Oberschwingung der elektromagnetischen Felder des Summenstromes und der Verlagerungsspannung.
• d) Auswertung der Wirkkomponente des Summenstromes (Wattmetrische Relais).
• e) Änderung des Summenstromes durch Änderung des Kompensationsgrades (Pulsortungsmethode, Netz-Erdschluß-Analysator).
• f) Vergleich der Amplituden des Einschwingvorganges.

Die bekannten Verfahren nach a) und f) erfordern in allen Fehlerfällen kräftige Ein­ schwingvorgänge mit bestimmten Frequenzen, unabhängig vom Augenblick des Fehlerein­ trittes. Da aber bei von außen hervorgerufenen Fehlern, wie z. B. Blitzschlag, der Augenblick des Fehlereintrittes und die Phasenlage des erdschlußbehafteten Außenleiters voneinander unabhängig sind, ergeben sich unterschiedliche Arten von Einschwingvorgängen, wodurch kein klar definiertes Meßsignal vorliegt.

Das bekannte Verfahren nach b) erfolgt mit konstant eingestellten Grenzwerten zur Unter­ scheidung in gesunde und erdschlußbehaftete Abgänge. Da sich aber der Pegel der treibenden fünften Oberschwingungs-Spannung dauernd ändert, unterliegen die Stromwerte ebenfalls diesen Schwankungen. Dadurch ist die Einstellung eines fixen Ansprechwertes oft sehr schwierig.

Eine Variante des bekannten Verfahrens nach b) ist die Richtungsbestimmung der 5. Ober­ schwingung des Summenstromes in Bezug auf die 5. Oberschwingung der Verlagerungsspan­ nung durch Auswertung der Phasenlagen. Dieses Verfahren setzt eine Erfassung beider Grö­ ßen pro Abgang voraus.

Das bekannte Verfahren nach c) erfordert eine klare Ausbildung von elektromagnetischen Feldern und ist daher auf Freileitungsabgänge beschränkt.

Das bekannte Verfahren nach d) erfordert für eine eindeutige Messung entsprechend große Signale, also Wärmeverluste im gesamten Erdschlußstrompfad. Diese werden hauptsächlich in der Petersenspule erzeugt, die zu diesem Zwecke oft auch mit einer Wattreststromer­ höhung ausgerüstet ist, aber auch in allfällig vorhandenen Überspannungsableitern, sofern vorhanden. Da aber die nutzbaren Stromkomponenten im Verhältnis zu den Wandlernennströmen oft sehr klein sind, stehen in einem solchen Fall nur unzureichende Meßsignale zur Verfügung.

Das bekannte Verfahren nach e) erfordert bei Verstimmungsänderung des Kompen­ sationsgrades durch Zusatzkondensatoren oft große Kapazitäten. Wenn die Verstimmungsän­ derung des Kompensationsgrades durch Regeln der Petersenspule erfolgt, dauert dieser Regelvorgang längere Zeit.

Da die bei einem Erdschluß auftretenden Summenströme und Verlagerungsspannungen von verschiedenen Netzparametern abhängen, die von Netz zu Netz und sogar für das gleiche Netz, z. B. vom Schaltzustand maßgeblich beeinflußt werden können, ist die Angabe einer für alle Netze und Betriebsarten zufriedenstellenden Erdschlußerfassung mit einer der vorstehend beschriebenen bekannten Verfahren unmöglich. Oft ist auch eine Nachrüstung unter Berück­ sichtigung bereits bestehender Erdschlußerfassungs-Einrichtungen erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine vom jeweiligen Netz bzw. Netzzustand unabhängige Erfassung von Erdschlüs­ sen ermöglicht und mit dem ein einfaches Nachrüsten bestehender Einrichtungen durchführ­ bar ist.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anzeige eines Erdschlusses ohne sehr genaue und daher teure Summenstromvorrichtungen durchführen zu können.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß jeweils die Amplitude der Oberschwingun­ gen, vorzugsweise der fünften Oberschwingung- des Summenstroms eines jeden Abgangs fortlaufend gemessen wird, daß der Abgang mit der bezogen auf die anderen Abgänge größ­ ten Oberschwingungsamplitude bestimmt und als erdschlußbehaftet angezeigt wird, und daß gegebenenfalls weitere mit ihren Oberschwingungsamplituden innerhalb eines vorbestimmten Bereiches unterhalb der gerade größten Oberschwingungsamplitude gelegene Abgänge auch als erdschlußbehaftet angezeigt werden.

Dadurch wird erreicht, daß unabhängig vom Schaltzustand, z. B. Einschwingvorgängen oder Netzzustandsänderungen des Netzes bzw. der Betriebsart des Netzes eine zuverlässige und dauernde Anzeige des Erdschlußzustandes durchführbar ist. Ein weiterer Vorteil des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß aufgrund der Relativmessung zwischen den ein­ zelnen Abgängen nur geringe Anforderungen an die Genauigkeit der Summenstromwandler bestehen. Die erfindungsgemäße Erdschlußerfassung ist außerdem unabhängig von Verlust­ leistungen und unabhängig von der Verteilung der Kapazitäten und Induktivitäten des Null­ systems.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Abgänge mit der größten bzw. mit einer im vorbestimmten Bereich liegenden Amplitude rückfallverzögert erdschlußbehaftet angezeigt werden. Durch die Rückfallverzügerung kann auch bei Wegfall des Erdschlusses noch festgestellt werden, welcher Abgang diesen Fehler aufgewiesen hat.

Nach einer anderen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Verlagerungsspan­ nung des Netzes gemessen wird, und daß bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes der Verlagerungsspannung die Anzeige der erdschlußbehafteten Abgänge freigegeben wird. Dadurch wird zusätzlich die Anzeige eines Erdschlusses durchgeführt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann darin bestehen, daß zusätzlich die Phasenlage der Oberschwingungen, vorzugsweise der fünften Oberschwingung der Summenströme der Ab­ gänge, laufend untereinander verglichen wird, und daß derjenige Abgang, der sich in Phasenopposition bzw. derjenige mit der größten Phasendifferenz gegenüber einer Mehrzahl, mindestens drei der Abgänge, befindet, als erdschlußbehaftet angezeigt wird. Durch diese zusätzliche Überwachung der einzelnen Abgänge über ihre gegenseitige Phasenlage kann das Auftreten eines Erdschlusses festgestellt werden. Dazu ergänzend können durch die gemein­ same Auswertung von Phasenlage und Amplitude der Oberschwingungen Besonderheiten des Erdschlußgeschehens im überwachten Netzteil berücksichtigt werden.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Erfassung von Erdschlüssen zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren anzugeben, mit der eine zuverlässige und vom jeweiligen Netzzustand bzw. von der Netzbetriebsart unabhängige Erfassung von Erdschlüssen auf Abgängen ermöglicht wird.

Dies wird bei einer Einrichtung, bei der an den Abgängen Vorrichtungen zur Erfassung des Summenstromes, z. B. Kabelumbauwandler, Holmgreenschaltungen o. ä. vorgesehen sind, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Ausgang jedes Summenstromwandlers an je eine Vorrichtung zur Bildung eines stromproportionalen Spannungsabfalls, z. B. einen Shunt oder einen Wandler, gekoppelt ist, daß der Ausgang der Spannungsabfall-Vorrichtung mit dem Eingang eines Filters zur Aussiebung von Oberschwingungen, vorzugsweise der fünften Oberschwingung, verbunden ist, welches Filter an eine Vorrichtung zur Bestirninung der Amplitude, z. B. einen Spitzenwertgleichrichter, angeschlossen ist, daß die Ausgänge aller Vorrichtungen zur Bestimmung der Amplitude mit einer Vorrichtung zur Ermittlung der größten Amplitude bzw. der Amplitude innerhalb eines vorbestimmten Bereiches unterhalb der größten Amplitude verbunden sind, und daß die Vorrichtung zur Ermittlung der größten Amplitude für jeden Abgang an je zumindest eine, vorzugsweise rückfallverzögerte Anzeige angeschlossen ist.

Auf diese Weise kann eine verläßliche und einfach aufzubauende Einrichtung ausgeführt werden, die auch an bestehenden Einrichtungen nachgerüstet werden kann.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Vorrichtung zur Ermittlung der größten Amplitude bzw. der Amplitude innerhalb eines vorbestimmten Berei­ ches unterhalb der größten Amplitude einen Multiplexer aufweist, der eingangsseitig mit den Vorrichtungen zur Bestimmung der Amplitude und ausgangsseitig mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers verbunden ist, welcher an seinem Ausgang mit einer Schaltung zur Ermittlung der größten Amplitude bzw. der Amplitude innerhalb eines vorbestimmten Berei­ ches unterhalb der größten Amplitude verbunden ist. Durch Verwendung eines Multiplexers kann ein laufender Vergleich zwischen allen Abgängen angestellt werden, so daß die aktuelle Lage der Amplitudenwerte zueinander für die Ermittlung der erdschlußbehafteten Abgänge herangezogen werden kann.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Ausgänge aller Filter zur Aussiebung zusätzlich mit einer Vorrichtung zur Ermittlung des größten Phasenunterschieds der ausgesiebten Oberschwingungen verbunden sind. Die relative Phasenlage der ausgesieb­ ten Oberschwingungen der Abgänge ist ein weiterer Meßwert für die Erfassung eines Erd­ schlusses, welcher unabhängig von den Amplitudenmeßwerten für eine laufende Netzüber­ wachung herangezogen werden kann. Durch die Verknüpfung von Phasenlage und Amplitude können auch weitere komplizierte Vorgänge im Netz angezeigt oder aufgezeichnet werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Vorrichtung zur Ermittlung der Phasenlage einen Multiplexer aufweist, der eingangsseitig mit den Ausgängen der Filter zur Aussiebung und ausgangsseitig mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wand­ lers verbunden ist, welcher an seinem Ausgang mit einer Schaltung zur Ermittlung des größ­ ten Phasenunterschieds verbunden ist. Diese Realisierung bietet auf einfache Weise die Mög­ lichkeit alle Abgänge zusammen laufend auf ihre gegenseitige Phasenlage zu untersuchen und diese einer Auswertung zuzuführen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spieles einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erfassung von Erdschlüssen eingehend er­ läutert.

In Fig. 1 ist ein Energieverteilungsnetz mit Erdschlußkompensation und mit Netzleitungen L1, L2, L3 dargestellt, von denen mehrere strahlenförmige Abgänge A1 . . . An abzweigen, wobei zur Überwachung eines jeden Abgangs A1 . . . An je ein Summenstromwandler S1 . . . Sn ange­ bracht ist, die durch einen Kabelumbauwandler oder eine technisch gleichwertige Holmgreenschaltung zur Erfassung des auszuwertenden Summenstromes realisiert sein kön­ nen. Der Ausgang jedes Summenstromwandlers S1 . . . Sn ist an je eine Vorrichtung zur Bil­ dung eines stromproportionalen Spannungsabfalls, die in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Wandler 2 gebildet ist, gekoppelt. Der Ausgang des Wandlers 2 ist wiederum mit dem Eingang eines Filters 3 zur Aussiebung der fünften Oberschwingung verbunden. Die verwen­ dete Ordnung der Oberschwingung der Netzfrequenz ist im Rahmen der Erfindung veränder­ bar und daher nicht auf die fünfte Oberschwingung allein beschränkt. Das Filter 3 ist an einen Spitzenwertgleichrichter 4 bestehend aus einer Halbleiterdiode und einem Kondensator ange­ schlossen, so daß die gerade aktuelle Amplitude einer der fünften Oberschwingung des Sum­ menstromes entsprechenden Spannung abgreifbar ist. Die Ausgänge aller Spitzenwertgleich­ richter 4 sind mit einem Multiplexer 5 verbunden, der die aktuellen Spitzenwerte abtastet und einem Analog-Digital-Wandler 6 zuführt, welcher eine Wandlung in digitale Werte vor­ nimmt. Alternativ zur Reihenfolge Filterung, Gleichrichtung und Multiplexer können diese Funktionen beispielsweise auch durch die Reihenfolge Multiplexer, Filterung und Gleich­ richtung realisiert werden.

In einer Schaltung zur Ermittlung der größten Amplitude bzw. der Amplitude innerhalb eines vorbestimmten Bereiches unterhalb der größten Amplitude 7, welche mit dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 6 verbunden ist, wird erfindungsgemäß jeweils die Amplitude der fünften Oberschwingung des Summenstroms eines jeden Abgangs fortlaufend gemessen so­ wie derjenige Abgang mit der bezogen auf die anderen Abgänge A1 . . . An größten Ober­ schwingungsamplitude bestimmt und als erdschlußbehaftet angezeigt.

Treten weitere mit ihren Oberschwingungsamplituden innerhalb eines vorbestimmten Berei­ ches unterhalb der gerade größten Oberschwingungsamplitude gelegene Abgänge bei der Messung auf, so werden auch diese als erdschlußbehaftet angezeigt.

Die Ausgabe der Anzeige bzw. des Meldesignals bei Auftreten eines Erdschlusses erfolgt über ein Logikschaltung 10 und über mit je einer Rückfallverzögerungsvorrichtung 11 verse­ hene Ausgabeeinrichtungen 12, welche jeweils einem Abgang A1 . . . An zugeordnet sind. Eine Freigabe der Anzeige erfolgt aufgrund des Überschreitens der Verlagerungsspannung in dem betrachteten Netzteil. Diese wird durch eine Verlagerungsspannungs-Schutzeinrichtung 9 er­ faßt.

Zusätzlich ist noch vorgesehen, daß die Ausgänge aller Filter 3 mit dem Eingang eines Multi­ plexer 5′ verbunden sind, wobei die so abgetasteten Spannungswerte über einen Analog- Digital-Wandler 6 gewandelt und einer Vorrichtung zur Bestimmung der maximalen Phasen­ differenz 8 zugeführt-werden. Die Phasenlage der Oberschwingungen der einzelnen Abgänge A1 . . . An werden miteinander verglichen, wodurch sich bei mindestens drei Signalen eine mehrheitliche Phasenlage definieren läßt. Derjenige Abgang, dessen Oberschwingungssum­ menstrom in Phasenopposition zur mehrheitlichen Phasenlage liegt oder zumindest eine sehr große Winkelverschiebung gegenüber dieser aufweist, wird dann als erdschlußbehaftet ange­ zeigt, wobei über die Logikschaltung 10 mit einem vorgegebenen Anknüpfungsalgorithmus die Besonderheiten des Erdschlußgeschehens im überwachten Netz berücksichtigt werden kön­ nen, indem sowohl die Phasenlage als auch die Amplitudenwerte einer Bewertung unterzogen werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erfassung von Erdschlüssen in einem Energieverteilungsnetz mit min­ destens drei strahlenförmigen Abgängen und Erdschlußkompensation, wobei der Summen­ strom gemessen und von diesem mindestens eine Oberschwingung ausgesiebt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Amplitude der Oberschwingungen, vorzugsweise der fünf­ ten Oberschwingung des Summenstroms eines jeden Abgangs fortlaufend gemessen wird, daß der Abgang mit der bezogen auf die anderen Abgänge (A1 . . . An) größten Oberschwingungsamplitude bestimmt und als erdschlußbehaftet angezeigt wird, und daß gegebenenfalls weitere mit ihren Oberschwingungsamplituden innerhalb eines vorbestimmten Bereiches unterhalb der gerade größten Oberschwingungsamplitude gelegene Abgänge (A1 . . . An) auch als erdschlußbehaftet angezeigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgänge mit der größten bzw. mit einer im vorbestimmten Bereich liegenden Amplitude rückfallverzögert erdschlußbehaftet angezeigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlagerungs­ spannung des Netzes gemessen wird, und daß bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenz­ wertes der Verlagerungsspannung die Anzeige der erdschlußbehafteten Abgänge freigegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Phasenlage der Oberschwingungen, vorzugsweise der fünften Oberschwingung der Summen­ ströme der Abgänge (A1 . . . An), laufend untereinander verglichen wird, und daß derjenige Abgang, der sich in Phasenopposition bzw. derjenige mit der größten Phasendifferenz gegen­ über einer Mehrzahl, mindestens drei der Abgänge, befindet, als erdschlußbehaftet angezeigt wird.

5. Einrichtung zur Erfassung von Erdschlüssen unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei an den Abgängen (A1 . . . An) Vorrichtungen zur Erfassung des Summenstromes, z. B. Kabelumbauwandler, Holmgreenschaltungen o. ä. vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang jedes Summenstromwandlers S1 . . . Sn) an je eine Vorrichtung zur Bildung eines stromproportionalen Spannungsabfalls (2), z. B. einen Shunt oder einen Wandler, gekoppelt ist, daß der Ausgang der Spannungsabfall- Vorrichtung (2) mit dem Eingang eines Filters zur Aussiebung von Oberschwingungen (3), vorzugsweise der fünften Oberschwingung, verbunden ist, welches Filter (3) an eine Vorrichtung zur Bestimmung der Amplitude (4), z. B. einen Spitzenwertgleichrichter, angeschlossen ist, daß die Ausgänge aller Vorrichtungen zur Bestimmung der Amplitude (4) mit einer Vorrichtung zur Ermittlung der größten Amplitude bzw. der Amplitude innerhalb eines vorbestimmten Bereiches unterhalb der größten Amplitude (5, 6, 7) verbunden sind und daß die Vorrichtung zur Ermittlung der größten Amplitude (5, 6, 7) für jeden Abgang an je zumindest eine, vorzugsweise rückfallverzögerte Anzeige (12) angeschlossen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Ermittlung der größten Amplitude bzw. der Amplitude innerhalb eines vorbestimmten Berei­ ches unterhalb der größten Amplitude einen Multiplexer (5) aufweist, der eingangsseitig mit den Vorrichtungen zur Bestimmung der Amplitude (4) und ausgangsseitig mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers (6) verbunden ist, welcher an seinem Ausgang mit einer Schaltung zur Ermittlung der größten Amplitude bzw. der Amplitude innerhalb eines vorbe­ stimmten Bereiches unterhalb der größten Amplitude (7) verbunden ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge aller Filter zur Aussiebung (3) zusätzlich mit einer Vorrichtung zur Ermittlung des größten Phasenunterschieds der ausgesiebten Oberschwingungen (5′, 6′, 8) verbunden sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Ermittlung der Phasenlage (5′, 6′, 8) einen Multiplexer (5′) aufweist, der eingangsseitig mit den Ausgängen der Filter zur Aussiebung (3) und ausgangsseitig mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers (6′) verbunden ist, welcher an seinem Ausgang mit einer Schaltung zur Ermittlung des größten Phasenunterschieds (8) verbunden ist.