DE19716826A1 - Stromversorgungsnetz, insbesondere Schiffsbordnetz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungsnetz, insbesondere ein Schiffsbordnetz, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Für die permanente Verfügbarkeit von Stromversorgungsnetzen, insbesondere von Schiffsbordnetzen, ist es von wesentlicher Bedeutung, daß Kurzschlüsse schnell abgeschaltet und die Kurzschlußorte zur Fehlerbehebung schnell erkannt werden.

Schiffsbordnetze werden bis heute nach den Prinzipien der Strom- und Zeitselektivität geschützt. Hierzu ist jeder Leistungsschalter zwischen den Haupt- und Unterverteilungssträngen sowie zwischen den Unterverteilungssträngen und wichtigen Stromverbrauchern mit Schutzgeräten ausgestattet, die bei Auftreten eines Kurzschlusses mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten die Leistungsschalter auslösen, wobei die Auslösezeiten von den Stromverbrauchern zu den Hauptverteilungssträngen und den die Hauptverteilungsstränge speisenden Generatoren hin zunehmen. Damit gibt jeder Leistungsschalter dem unterlagerten Schalter Zeit, einen Kurzschluß abzuschalten, bevor er seinerseits auslöst. Realisiert wird die zeitselektive Abschaltung der Leistungsschalter in der Weise, daß bei Auftreten eines Kurzschlusses im Bordnetz in allen Schutzgeräten ein Zeitzähler aktiviert wird und jeweils das Schutzgerät, das zuerst seine individuelle Zeitgrenze erreicht, den zugeordneten Leistungsschalter öffnet.

Damit die Zeitselektivität reibungslos funktioniert, müssen die Leistungsschalter in jeder denkbaren Kurzschlußbahn, das ist der Weg zwischen Fehlerort und den Generatoren, immer in der Reihenfolge der an den Schutzgeräten eingestellten Verzögerungszeiten angeordnet sein. Umgruppierungen sind daher nur eingeschränkt und nur mit hohem technischen Aufwand möglich, und eine Ring- und Maschenbildung des Bordnetzes unterbleibt. Bei dem Prinzip der Zeitselektivität ist es auch von Nachteil, daß Kurzschlüsse um so später abgeschaltet werden, je näher sie an den Generatoren liegen. Damit stehen die gravierendsten und stromstärksten Fehler am längsten im Bordnetz an.

Es ist bereits vorgeschlagen worden (DE 196 34 094.2-32), einen integrierten, digitalen Netzschutz bei Schiffsbordnetzen dadurch zu erhalten, daß alle Schutzgeräte neben ihren Schaltrelais zum Auslösen des zugeordneten Leistungsschalters einen Stromsensor erhalten, der den über den Leistungsschalter fließenden Strom nach Höhe und Richtung erfaßt. Alle Schutzgeräte kommunizieren mit einem Schutzrechner, dem die Adresse der einzelnen Schutzgeräte bekannt ist. Der Schutzrechner erkennt anhand der von den Stromsensoren gelieferten Meßwerte das Auftreten eines Kurzschlusses und den Ort der dem Kurzschluß am nächsten liegenden Leistungsschalter und gibt einen Auslöse- oder Freischaltbefehl für diese Leistungsschalter aus, so daß der Kurzschlußbereich des Bordnetzes abgetrennt wird. Um völlige Selektivität zu erreichen, muß jeder Abgang vom Bordnetz mit einem Stromsensor ausgerüstet werden, der an den Netzrechner anzuschließen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stromversorgungsnetz der eingangs genannten Art mit einem integrierten, digitalen Netzschutz auszustatten, der auch in Netzen mit schwierigen Netzkonfigurationen, wie Ring- und Maschenbildung, angewendet werden kann und eine extrem schnelle Abschaltung des Netzbereiches des Bordnetzes, in dem ein Kurzschluß auftritt, gewährleistet.

Die Aufgabe ist bei einem Stromversorgungsnetz der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Stromversorgungsnetz hat den Vorteil, daß durch die fortlaufende Addition der von den Stromsensoren gelieferten Stromvektoren im Kurzschlußfall sofort erkannt wird, ob der Kurzschlußstrom einen von einer Gruppe der Leistungsschalter eingegrenzten Netzbereich durchfließt oder in dem Netzbereich eine Senke hat. Im letzten Fall ist der Kurzschluß durch Netzfehler innerhalb dieses Netzbereiches verursacht, und der Schutzrechner schaltet die diesen Netzbereich begrenzenden Leistungsschalter durch Ansteuerung der den Leistungsschaltern zugeordneten Schaltvorrichtungen in den zugehörigen Schutzgeräten frei, so daß dieser Netzbereich sehr schnell von dem übrigen Netz getrennt wird und die Funktion des verbleibenden Netzteils aufrechterhalten bleibt. Im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen zeitselektiven Abschaltprinzip wird der vom Kurzschluß betroffene Netzbereich unabhängig davon abgeschaltet, ob er sich weit entfernt oder sehr nahe an den Generatoren befindet. Damit werden auch die stromstärksten Kurzschlußfehler sofort eliminiert, wodurch evtl. Folgeschäden verhindert werden. Da alle Stromvektoren auf die virtuelle Netzspannung bezogen sind, bereiten auch die im Netz vorhandenen Transformatoren und die von diesen erzeugten Schwenkwinkel bezüglich ihrer Ein- und Ausgangsspannungen keinerlei Probleme.

Da bei heutigen Stromversorgungsnetzen, insbesondere Schiffsbordnetzen, in der Regel bereits aus anderen Gründen ein Datenverkehr zwischen den Schutzgeräten an den Leistungsschaltern und einem zentralen Bedienerplatz installiert ist, ist der technische Aufwand für die Integration des digitalen Netzschutzes relativ gering.

Bei dem erfindungsgemäßen Stromversorgungsnetz kann zusätzlich der übliche Differentialschutz der Transformatoren problemlos in den Schutzrechner verlagert und dadurch Inbetriebnahme- und Engineering-Kosten eingespart werden. Beim Differentialschutz der Transformatoren werden die Amplituden und Phasenlagen von primär- und Sekundärströmen der Transformatoren verglichen, um spezielle Fehler im Transformator erkennen zu können. Beim herkömmlichen Differentialschutz müssen in dem Fall, daß die Transformatoren einen von Null abweichenden Schwenkwinkel zwischen Primär- und Sekundärspannungen besitzen, die Ströme vor Vergleich mittels Hilfstransformatoren ebenfalls geschwenkt werden. Da aber die erfindungsgemäßen Stromsensoren die Phasenlage der Ströme in den Leistungsschaltern automatisch richtig erfassen, kann ohne diese Hilfsmaßnahmen im Schutzrechner ein Fehler, z. B. ein Kurzschluß, im Transformator sofort erkannt und der entsprechende Transformator abgeschaltet werden.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stromversorgungsnetzes mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Schiffsbordnetzes,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Schutzgerätes für einen Leistungsschalter im Bordnetz gemäß Fig. 1.

Das in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte dreiphasige Schiffsbordnetz als Beispiel für ein Stromversorgungsnetz ist in Hauptverteilungssträngen 11, 12 und in Unterverteilungssträngen 13, 14 unterteilt. Die Zahl der Haupt- und Unterverteilungsstränge 11 bis 14 ist beliebig, und das Netz kann auch noch in eine dritte und vierte Ebene von Unterverteilungen aufgespalten werden. Die Hauptverteilungsstränge 11, 12 und die Unterverteilungsstränge 13, 14 sind untereinander über Leistungsschalter 15 gekoppelt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Bordnetzes werden die Unterverteilungsstränge 13, 14 mit einer niedrigeren Netzspannung als die Hauptverteilungsstränge 11, 12 betrieben, so daß zwischen den Hauptverteilungssträngen 11, 12 und den Unterverteilungssträngen 13, 14 Umspannungs- Transformatoren 16 angeordnet sind, die sowohl auf die Hauptverteilungsstränge 11, 12 als auch auf die Unterverteilungsstränge 13, 14 mittels Leistungsschalter 15 aufgeschaltet sind. Werden die Unterverteilungsstränge 13, 14 mit gleicher Netzspannung wie die Hauptverteilungsstränge 11, 12 betrieben, so werden die Hauptverteilungsstränge 11, 12 und die Unterverteilungsstränge 13, 14 direkt durch Leistungsschalter 15 miteinander verkoppelt.

Die Hauptverteilungsstränge 11, 12 werden von Bordnetzgeneratoren 17 gespeist, die wiederum über Leistungsschalter 15 auf die Hauptverteilungsstränge 11, 12 aufgeschaltet sind. An den Hauptverteilungssträngen 11, 12 sind große Stromverbraucher, wie Versorgungstransformatoren 18 und Asynchronmotoren 19, über Leistungsschalter 15 angeschlossen, und an den Unterverteilungssträngen 13, 14 liegen weitere beliebige Stromverbraucher 20, die über Netzschalter 20 zu- und abschaltbar sind.

Jedem Leistungsschalter 15 ist ein Schutzgerät 22 zugeordnet, wie es im Detail in Fig. 2 im Blockschaltbild dargestellt ist. Jedes Schutzgerät 22 weist eine Schaltvorrichtung 23 zum Betätigen des Leistungsschalters 15 und einen Stromsensor 24 auf, der den durch den Leistungsschalter 15 fließenden Strom erfaßt. Die Schutzgeräte 22 kommunizieren über Datenleitungen 25 mit einem Schutzrechner 26, wobei die Schutzgeräte 22 der gleichen Verteilungsebene jeweils an einem von mehreren Datenkonzentratoren 27 bis 29 angeschlossen sind, die ihrerseits mit dem Schutzrechner 26 verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Schutzgeräte 22, die den Leistungsschaltern 15 zum Aufschalten der Bordnetzgeneratoren 17 auf die Hauptverteilungsstränge 11, 12 zugeordnet sind, zum Datenkonzentrator 27, die Schutzgeräte 22, die den Leistungsschaltern 15 zum Aufschalten der Transformatoren 16, 18 und der Asynchronmotoren 19 auf die Hauptverteilungsstränge 11, 12 zugeordnet sind, zum Datenkonzentrator 28 und die Schutzgeräte 22, die den Leistungsschaltern 15 zwischen den Unterverteilungssträngen 13, 14 und den Leistungsschaltern 15 zum Anschließen der Transformatoren 16 an die Unterverteilungsstränge 13, 14 zugeordnet sind, zum Datenkonzentrator 29 geführt. Die entsprechenden Datenleitungen 25 sind in Fig. 1 strichliniert, strichpunktiert und gepunktet dargestellt.

Die Schaltvorrichtung 23 umfaßt ein Schaltrelais 30 zum Betätigen der Leistungsschalter 15, einen Verstärker 31 und einen Dekoder 32, der einen von dem Schutzrechner 26 kommenden Schaltbefehl dekodiert und eine Ansteuerung des Schaltrelais 30 bewirkt. Das Schaltrelais 30 arbeitet nach dem Arbeitsstromprinzip, d. h. bei Beschicken mit Erregerstrom öffnet es den Leistungsschalter 15.

Der Stromsensor 24 ist zur Messung des durch den Leistungsschalter 15 fließenden Stromes nach Betrag und Phase ausgebildet. Die Phasenmessung erfolgt dabei bezogen auf eine virtuelle Netzspannung U_vir, deren Phasenlage der Phasenlage der Netzspannung unmittelbar vor Kurzschlußeintritt entspricht. Diese virtuelle Netzspannung U_vir wird mittels einer Nachlaufsynchronisation, durch eine sog. PLL-(Phase Locked Loop)Schaltung 33, gewonnen, die an eine Leiterspannung des dreiphasigen Verteilerstrangs angeschlossen ist, in dem der Leistungsschalter 15 liegt. Eine solche PLL ist für einen Anwendungsfall der Nachrichtentechnik aus Tietze/Schenk, Halbleitertechnik 9. Auflage, Springer Verlag Berlin 1989, Seite 954 ff. bekannt und dort in Analogtechnik ausgeführt. Hier wird sie bevorzugt als Programm realisiert, das in den Schutzrechner 26 implementiert werden kann. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verbindet der Leistungsschalter 15 die Unterverteilungsstränge 13 und 14 miteinander, so daß die PLL-Schaltung 33 an eine Leiterspannung entweder des Unterverteilungsstrangs 14 oder des Unterverteilungsstrangs 13 angeschlossen ist. Die von der PLL-Schaltung 33 erzeugte virtuelle Netzspannung U_vir liegt am Eingang einer Auswerteeinheit 34, an die auch eine Strommeßvorrichtung 35 zur Messung der Phasenströme in dem dreiphasigen Verteilungsstrang (in Fig. 2 im Unterverteilungsstrang 14) angeschlossen ist. Die Auswerteeinheit 34 ermittelt den Betrag der drei Phasenströme i₁, i₂, i₃ und deren Phasenlage gegenüber der virtuellen Netzspannung U_vir, also die den Vektor der Phasenströme i₁, i₂ und i₃ beschreibenden Größen, die einer Codiereinheit 36 zugeführt werden. Der Ausgang der Codiereinheit 36 ist über die Datenleitung 25 und dem entsprechenden Datenkonzentrator 27 bis 28 an den Schutzrechner 26 angeschlossen. Die codierte Datenübertragung an den Schutzrechner 26 erfolgt einmal pro Netzspannungsperiode.

Im Schutzrechner 26 sind die einlaufenden Daten Gruppen von Leistungsschaltern 15 zugeordnet, die vorgegebene Netzbereiche eingrenzen. Beispielhaft ist in Fig. 1 durch den Kreis 37 ein Netzbereich gekennzeichnet, der durch vier Leistungsschalter 15 eingegrenzt ist. In gleicher Weise sind die übrigen Leistungsschalter 15 im Netz zu vorgegebene Netzbereiche eingrenzenden Gruppen zusammengefaßt. Während des Netzbetriebs addiert der Schutzrechner 26 fortlaufend für jede Gruppe von Leistungsschaltern 15 die von den Stromsensoren 24 gemessenen und über die Datenleitungen 25 codiert übertragenen Stromvektoren der Phasenströme i₁, der Phasenströme i₂ und der Phasenströme i₃. Solange die vektorielle Addition aller von den Stromsensoren 24 der Gruppe von Leistungsschaltern 15 an den Schutzrechner 26 gelieferten Ströme i₁ bzw. i₂ bzw. i₃ in etwa Null ist, ist dieser Netzbereich fehlerfrei. Ein im Bordnetz auftretender Kurzschlußstrom durchfließt diesen Netzbereich, wird aber nicht von einem Fehler in diesem Netzbereich verursacht. Weicht hingegen das Ergebnis der vektoriellen Addition wesentlich von Null ab, so ist dies ein Anzeichen dafür, daß der Kurzschlußstrom nicht den Netzbereich durchfließt, sondern innerhalb des Netzbereichs eine Senke hat, der Kurzschlußstrom also durch einen Fehler in diesem Netzbereich verursacht ist. In diesem Fall generiert der Schutzrechner 26 einen Schaltbefehl für alle diesen Netzbereich eingrenzenden Leistungsschalter 15, der über die Datenleitungen 25 an die Schaltvorrichtungen 23 der Schutzgeräte 22 dieser Leistungsschalter 15 gelangt. Die entsprechenden Schaltrelais 30 der Leistungsschalter 15 werden erregt und die Leistungsschalter 15 geöffnet. Der fehlerhafte Netzbereich ist damit freigeschaltet, während der ungestörte Betrieb der verbleibenden Netzbereiche gesichert ist.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So können anstelle der direkten Messung der Phasenströme i₁, i₂, i₃ nach Betrag und Phase auch der Betrag und die Phase eines Mitsystems, einen Gegensystems und eines Nullsystems ermittelt werden, die aus den Phasenströmen i₁, i₂, i₃ berechnet werden. Bei einem Schiffsbordnetz ist es dabei ausreichend, wenn nur das Mitsystem berücksichtigt wird. Werden dann für alle Leistungsschalter 15 von einer einen Netzbereich eingrenzenden Gruppe von Leistungsschaltern 15 die Mitsysteme (bzw. die Gegensysteme und die Nullsysteme) vektoriell addiert, so wird die gleiche Aussage über einen Fehlerort innerhalb oder außerhalb dieses Netzbereichs erhalten. Durch diese Umrechnung in die Mitsysteme wird eine Vereinfachung in der mathematischen Berechnung erreicht. Außerdem läßt sich der übliche Differentialschutz für die im Stromversorgungsnetz vorhandenen Umspannungs-Transformatoren 16 sehr leicht durch eine Rechenroutine in den Schutzrechner 26 implementieren, so daß gegenüber dem herkömmlichen Differentialschutz erhebliche Einsparungen erzielt werden. Beim Differentialschutz werden die Primär- und Sekundärströme miteinander verglichen, um Fehler in dem Transformator zu erkennen. Da in der Regel die Primär- und Sekundärspannungen von Transformatoren um ein Vielfaches von 30° gegeneinander verschoben sind, ist ein unmittelbarer Vergleich der Primär- und Sekundärströme nicht möglich, vielmehr muß diese Verschiebung bzw. Schwenkung zuvor rückgängig gemacht werden, wozu in der Regel Stromtransformatoren und Ausgangswandler verwendet werden. Der Vergleich findet dann nicht mehr zwischen primär- und Sekundärstrom statt, sondern zwischen entsprechend geschwenkten Abbildern der Ströme. Dies ist sehr schwer auszulegen und bietet reichlich Möglichkeiten von Vertauschungen. Wird hingegen aus den Phasenströmen am Ein- und Ausgang des Transformators jeweils ein Strommitsystem berechnet, so hat das Strommitsystem der Sekundärwicklungen näherungsweise den gleichen Winkel zur Sekundärspannung, wie das Strommitsystem der Primärwicklungen zur Primärspannung, und zwar unabhängig vom Schwenkwinkel des Transformators. Durch einen einfachen Vergleich der Mitsysteme auf der primär- und Sekundärseite des Transformators kann der Differentialschutz dann von dem Schutzrechner 26 ohne zusätzlichen Mehraufwand mit übernommen werden.

Das gleiche gilt aber auch, wenn auf die Umrechnung der Phasenströme i₁, i₂, i₃ in die Mitsysteme verzichtet wird und die Vektoraddition der in ihrer Phasenlage auf die virtuelle Spannung U_vir bezogenen Phasenströme durchgeführt wird. Da die Phasenwinkel der Ströme sich jeweils auf die am Verteilungsstrang gewonnene virtuelle Netzspannung beziehen, werden die von dem Umspannungs-Transformator 16 hervorgerufenen Schwenkwinkel zwischen den Leiterspannungen am primärseitigen Verteilungsstrang 11 bzw. 12 und am sekundärseitigen Verteilungsstrang 13 bzw. 14 automatisch kompensiert.

Die Ermittlung der vektoriellen Stromsumme ist relativ aufwendig. Eine gleichwertige Aussage über den Ort einer Kurzschlußquelle läßt sich gemäß einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung dadurch herbeiführen, daß nur eine Auswertung der kurzschlußführenden Schalter erfolgt, d. h. überprüft wird, ob die Phasenwinkel der Kurzschlußströme überhaupt zulassen, daß die vektorielle Stromsumme Null werden kann. Haben z. B. alle Kurzschlußströme in einem eingegrenzten Netzbereich näherungsweise den gleichen Phasenwinkel, dann kann die vektorielle Summe nicht Null werden, und der Fehler muß in diesem Netzbereich liegen.

Claims (7)

1. Stromversorgungsnetz, insbesondere Schiffsbordnetz, mit von Generatoren (17) gespeisten Hauptverteilungssträngen (11, 12) und mit Unterverteilungssträngen (13, 14) sowie mit auf diese aufschaltbaren Stromverbrauchern (18, 19, 20), mit zwischen den Verteilungssträngen (11 bis 14) einerseits und den Verteilungssträngen (13 bis 14) und den Generatoren (17) sowie den Stromverbrauchern (18, 19, 20) andererseits angeordneten Leistungsschaltern (15), mit den Leistungsschaltern (15) zugeordneten Schutzgeräten (22), die jeweils eine den zugeordneten Leistungsschaltern (15) betätigende Schaltvorrichtung (23) und einen den über den zugeordneten Leistungsschaltern (15) fließenden Strom erfassenden Stromsensor (24) umfassen, und mit einem mit den Schutzgeräten (22) kommunizierenden Schutzrechner (26), dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsensoren (24) zur Messung des Stromes (i₁ bis i₃) nach Betrag und Phase, die bezogen ist auf eine virtuelle Netzspannung (U_vir), deren Phasenlage derjenigen der Netzspannung vor Kurzschlußeintritt entspricht, ausgebildet sind und daß der Schutzrechner (26) für Gruppen von Leistungsschaltern (15), die vorgegebene Netzbereiche (37) eingrenzen, fortlaufend die von den Stromsensoren (24) gemessenen Stromvektoren addiert und bei einer wesentlichen Abweichung des Additionsergebnisses von Null einen Abschaltbefehl für die der Gruppe zugehörigen Leistungsschalter (15) generiert.

2. Netz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle einer kompletten Vektoraddition nur eine Prüfung der Phasenlagen der Phasenströme dahingehend erfolgt, ob diese eine vektorielle Stromsumme von Null zulassen oder nicht.

3. Netz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte der Stromsensoren (24) codiert an den Schutzrechner (26) übertragen werden.

4. Netz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierung und Übertragung einmal pro Netzspannungsperiode erfolgt.

5. Netz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der virtuellen Netzspannung (U_vir) jeder Stromsensor eine an eine Leiterspannung des dreiphasigen Verteilungsstrangs (11 bis 14) angeschlossene PLL-Schaltung (33) aufweist, die mit Kurzschlußeintritt die unmittelbar vorhergehend vorhandene Phasenlage der Netzspannung festhält.

6. Netz nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stromsensor (24) eine Strommeßvorrichtung (35) zur Messung der Phasenströme (i₁ bis i₃) in den dreiphasigen Verteilungssträngen (11 bis 14), eine Auswerteeinheit (34) zur Berechnung von Betrag und Phase der Phasenströme (i₁ bis i₃) und eine Codiereinheit (36) zur Codierung der Betrags- und phasenwerte aufweist, die über eine Datenleitung (25) mit dem Schutzrechner (26) verbunden ist.

7. Netz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Vektoraddition der Phasenströme innerhalb einer Gruppe von Leistungsschalter (15), die vorgegebene Netzbereiche eingrenzen, eine Vektoraddition mindestens der aus den Phasenströmen (i₁ bis i₃) berechneten Mitsysteme erfolgt.