DE19732103A1

DE19732103A1 - Einrichtung zur Anzeige der Richtung von Erdschlußströmen und Kurzschlüssen in Mittelspannungsnetzen

Info

Publication number: DE19732103A1
Application number: DE19732103A
Authority: DE
Inventors: Hans Ludwig Dipl Ing Schuck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2017-07-26
Also published as: DE19732103C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anzeige der Richtung eines Erdschlußstromes in Mittelspannungs-Dreileiternetzen. Da Kurzschlüsse in der Regel als Erdschlüsse beginnen, wird indirekt auch die Richtung eines Kurzschlusses angezeigt. Das Verfahren benötigt weder herkömmliche Strom- noch Spannungswandler und kann deshalb auch in Netzstationen eingesetzt werden. Erdschlußströme treten in Netzen mit hochohmig geerdeten Sternpunkt auf, wenn die Isolation eines Leiters gegen geerdete Teile durchbrochen wurde. Dabei handelt es sich um Ableitströme der Isolation der gesunden Leiter, die im Erdschlußfall über die Fehlerstelle zur Klemme des speisenden Umspanners zurückfließen, weil diese Ströme - im Gegensatz zum ungestörten Betrieb - nicht mehr symmetrisch sind. Sie sind überwiegend kapazitiv mit einem relativ kleinen ohmschen Anteil.

Für die selektive Anzeige von Isolationsfehlern in Netzen mit zweiseitig gespeisten Leitungen genügt nicht die Feststellung eines Erd- oder Kurzschlußstromes. Erst die Anzeige der Stromrichtung läßt sie als fehlerhafte Leitung erkennen. Eine besondere Problematik ist in erdschlußkompensierten Netzen gegeben, wo der kapazitive Erdschlußstrom von dem etwa gleichgroßen induktiven Strom einer Erdschlußspule kompensiert wird und deshalb nur ein Reststrom für eine Richtungserkennung zur Verfügung steht. Eine andere Problematik besteht darin, daß für eine Selektion der erdschlußbetroffenen Leitung eine Anzeige an ihren beiden Enden erfolgen muß. In den meisten Fällen ist aber mindestens eine Seite eine Netzstation, in der Mittelspannungs-Strom- und Spannungswandler in der Regel nicht zur Verfügung stehen.

Bekannt sind Meßverfahren für eine Erdschluß-Richtungsanzeige, die Strom- und Spannungswandler benötigen. Zu erwähnen sind in diesem Zusammenhang wattmetrische Erdschlußrichtungsrelais, die die geometrische Summe der drei Leiterströme und die Verlagerungsspannung für einen Richtungsentscheid heranziehen. Nachteilig ist bei den bekannten Verfahren, daß sie herkömmliche Strom- und Spannungswandler benötigen und damit so aufwendig sind, daß sie in Netzstationen nicht eingesetzt werden. Bei dem am häufigsten angewendeten Verfahren wird die betroffene Leitung durch Um- oder Abschaltungen ermittelt. Diese erfordern viel Zeit und belasten bei jeder Schalthandlung das Netz mit transienten Überspannungen, so daß es sehr oft zu Kurz- oder Doppelerdschlüssen kommt. Dadurch wird das Ziel einer planmäßigen Abschaltung ohne Unterbrechung der Versorgung oft nicht erreicht.

Ziel der Erfindung ist, die Richtung eines Erdschlusses ohne Verwendung von Strom- und Spannungswandlern anzuzeigen, damit auch eine Anzeige in Netzstationen erfolgen kann. Dann sind Schalthandlungen zur Lokalisierung der fehlerhaften Leitung nicht mehr erforderlich.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, bei dem der Phasenwinkel des Erdschlußstromes eines Leitungsabgangs mit den 3 Phasenwinkeln der Spannungen des örtlichen Niederspannungsnetzes in eine Beziehung gesetzt wird. Dies geschieht durch einen Zeitvergleich definierter Punkte der sinusförmigen Strom- und Spannungskurven wie Nulldurchgänge oder Maxima mit einem elektronischen Gerät, dem ein winkelgetreues sinus - oder impulsförmiges 50 Hz-Signal des Erdschlußstromes und 3 Spannungen des örtlichen Nieder-spannungsnetzes zugeführt werden. Die Erdschlußströme in Hin- und Rückrichtung differieren um 180 Winkelgrade, die 3 Phasenspan nungen dagegen um jeweils 120 Grad. Deshalb haben die Ströme in Hin-Richtung eine andere Winkelbeziehung zu den Spannungen als die in Rück-Richtung. Dieser Umstand erlaubt die Feststellung der Stromrichtung ohne Messung einer Amplitude.

Ein besonderes Merkmal des Verfahrens ist, daß der Strom mit allen 3 Spannungen verglichen wird. Die Erdschlußströme der in 3 Leitern möglichen Erdschlüsse sind - wie die 3 Spannungen - um jeweils 120 Grad versetzt und haben deshalb zu den Spannungen die gleiche Winkelbeziehung. Eine Zuordnung bestimmter Ströme zu bestimmten Spannungen erfolgt nicht, der Drehsinn des Anschlusses ist jedoch zu beachten. Im folgenden wird von rechtsdrehenden Spannungszeigern ausgegangen.

Die Erfindung wird anhand von Bildern und Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Gerätes,

Fig. 2 4 Zeigerdiagramme zur Auswahl zwecks Optimierung der Winkellage,

Fig. 3 ein Vektorbild im Erdschlußfall,

Fig. 4 der dazugehörige Verlauf der Strom und Spannungskurven mit Impulsen im Nulldurchgang.

Fig. 1: Das Gerät besteht aus einem Umbaugeber 1 für das Stromsignal und einer Elektronik 2 und ggf. 2a. Der Umbaugeber besteht im Wesentlichen aus einem ringförmigen Eisenjoch, das um die 3 Leiter im Endverschlußbereich eines Kabels 3 gelegt wird. In ihm pulsiert das magnetische Feld des als Unsymmetrie- oder Summenstrom auftretenden Erdschluß(rest)stroms. Der Umbaugeber wandelt diesen Magnetfluß in ein winkelgetreues elektrisches 50 Hz-Stromsignal, das wenn es sinusförmig ist, einem Impulsgeber 4, wenn es impulsförmig ist, direkt einem Schaltkreis 7 zugeführt wird. Andere Impulsgeber 5 und 5a haben einen Drehstromanschluß an das örtliche Niederspannungsnetz 6. Beim Nulldurchgang oder Maximum der Strom und Spannungskurven dieser 3 Spannungen und des Stromsignals wird jeweils ein elektrischer Impuls erzeugt, der wahlweise entweder als Steuer- oder als Signalimpuls einem Schaltkreis 7 zugeführt wird. In der Darstellung Fig. 1 wird angenommen, daß eine Einweggleichrichtung der Wechselströme und -spannungen vor genommen wird. Die Steuerimpulse des Stromsignals oder die 3 Signalimpulse der Spannungen initiieren in dem Schaltkreis die Öffnung eines bzw. dreier Zeitfenster mit einer bestimmten Länge von z. B. 3,33 Millisekunden. Die Signalimpulse der jeweils anderen Größe(n) passieren den Schaltkreis, wenn sie während der Öffnung eines Zeitfensters eintreffen. Sie bilden dann ein mit 50 Hz pulsierendes Gleichstromsignal, das das Vorliegen einer positiven Stromrichtung indiziert 8. Findet keiner der Impulse ein Zeitfenster, entsteht auch kein Gleichstromsignal, d. h. es liegt keine positive Stromrichtung vor. Bei den Nulldurchgängen und Maxima kann grundsätzlich zwischen dem in positiver oder dem in negativer Richtung gewählt werden. Im folgenden wird von einem Nulldurchgang in positiver Richtung ausgegangen. Winkelfehler des Umbaugebers können durch Unterlagerung des 50 Hz-Stromsignals mit einem Gleichstromglied 9 korregiert werden, weil dadurch seine Sinuskurve gegenüber der Nullinie der Spannungen gehoben oder gesenkt wird. Damit erfolgt eine Zeitverschiebung des schräg verlaufenden Nulldurchgangs. Ist der Winkel-fehler amplitudenabhängig, soll auch das Gleichstromglied von der Amplitude gesteuert bzw. aus ihr gebildet werden. Diese Methode kann auch zur Feinabstimmung der Lage eines Nulldurchgangs eingesetzt werden.

In der Praxis treten bei Erdschlußeintritt und verschiedenen anderen Anlässen höherfrequente Einschwingvorgänge auf, deren Unsymmetriestrom eliminiert werden muß. Deshalb soll das 50 Hz-Stromsignal einen Tiefpaßfilter 10 passieren bzw. erst bei Erkennen eines 50 Hz-Vorgangs ausgewertet werden. Verformungen der Sinuskurven durch die üblicherweise auftretenden Oberwellen sind unkritisch, wenn weil die Kurven nur im engeren Bereich der Nullinie ausgewertet werden.

Fig. 2: Um für alle vorkommenden Phasenwinkel der Erdschlußströme den erfindungsgemaßen Winkelvergleich mit der Spannung durchführen zu können, muß die Lage der Spannungszeiger in der Weise optimiert werden, daß das Zeitfenster und sein Abstand zu den zu sperrenden Signalimpulsen bei Stromrückrichtung möglichst groß ist. Die sechs Leiter und Leiter-Leiter-Spannungen des Niederspannungsnetzes ermöglichen die Wahl zwischen 4 Zeigerdiagrammen. Daraus er eben sich Einstellmöglichkeiten für die Spannungszeiger in 30 Grad-Schritten. Stern 1 stellt die übliche Schaltgruppe Dy 5 des Netztransformators dar, der lange Zeiger I_C den bezogenen Winkel eines kapazitiven Erdschlußstromes.

Eine weiterer Optimierungsschritt ist die Wahl, ob die Steuerimpulse für das Zeitfenster von den Nulldurchgangen der Spannungen oder dem des Stromsignals erzeugt werden.

Fig. 3: Im Zeigerdiagramm verlaufen die Stromvektoren I_E aller Erdschlusse zwischen zwei parallelen Geraden im Abstand des Wattreststromes. Die Gerade 11 stellt den unkompensierten Erdschlußstrom dar, die andere 12 verläuft hierzu im Abstand des Vektors für den Wattreststrom I_R 13. Die Zeiger der möglichen Erdschlußstrome in positiver Richtung bewegen sich in den Segmenten 14, 15 und 16. Das Segment 14 schließt den Bereich der Überkompensation von + ΔI_E < 0,8 × I_R bei erdschlußkompensierten Netzen, das Segment 15 den Bereich der Unterkompensation von -ΔI_E < 0,58 × I_R bei erdschluß- kompensierten Netzen und solchen mit isolierten Sternpunkt ein. Das Segment 16 füllt die Lücke zwischen den Segmenten 14 und 15 im Bereich der genaueren Spulenabstimmung von -ΔI_E = 0,42 × I_R bis + ΔI_E = 0,68 × I_R. Als Ergebnis einer Optimierung wird das Zeitfenster 17 durch das Stromsignal geöffnet. Für die Segmente 14 und 15 wird das Zeigerdiagramm Stern 2 (Fig. 2) 18, für das Segment 16 das Zeigerdiagramm Stern 1 19 gewählt. Die Segmente stellen auch eine (Größe für das Zeitfensters dar. Die Zeiger bewegen sich im Bereich von etwa 60 Winkelgraden, wobei stets ein Spannungszeiger im Bereich des Zeitfensters bleibt. Das bedeutet, daß der Signalimpuls dieser Spannung das Signal für eine positive Stromrichtung bildet. Die Segmente der Erdschlußströme in der Gegenrichtung 20 sind um 180 Grad gedreht. Da sich kein Spannungszeiger darin befindet, wird auch kein Signal für eine positive Stromrichtung gebildet. Die Lange des Zeitfensters wird so gewählt, daß der Spannungszeiger bei positiver Stromrichtung sicher darin, bei negativer Stromrichtung sicher außerhalb liegt. Im vorliegenden Fall beträgt die Länge ca. 3,33 Millisekunden ∼60 Winkelgrade.

Fig. 4: Im Kurvendiagramm sind die Spannungskurven des Zeigerdiagramms Bild 2 18 und der Stromzeiger in Hin- und Rückrichtung 21 und 22 (Fig. 3) dargestellt. Sie entsprechen der Einstellung der Erdschlußspule mit einer leichten Überkompensation bei erdschlußkompensierten Netzen. Beim Nulldurchgang der Stromkurven 23 und 24 wird das Zeitfenster 17 für 3,33 Millisekunden geöffnet. Die Nulldurchgänge der Spannungskurven 25 erzeugen Signalimpulse 26 und 27, von denen in jeder Periode einer 27 das Zeitfenster passiert und damit ein Gleichstromsignal im 50 Hz-Takt bildet. Alle anderen Signalimpulse 26 und besonders die bei der Strom- Gegenrichtung (24) finden kein Zeitfenster und bilden deshalb auch kein Signal.

Wenn die Anzeige möglichst schnell erfolgen soll, um auch die Richtung eines Kurzschlusses anzuzeigen, der schnell aus dem Erdschluß, kann bereits der 1. oder 2. Signalimpuls, der das Zeitfenster passiert, eine Anzeige bewirken.

Claims

1. Verfahren zur Anzeige der Richtung von Erdschlußströmen in Mittelspannungs-Drehstrom netzen, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenwinkel von Erdschlußstrom und Spannung miteinander verglichen werden und hierfür ein Umbaugeber (1), im wesentlichen bestehend aus einem ringförmigen Eisenjoch, das ein winkelgetreues 50 Hz-Signal des Erdschlußstromes abgibt, und die Spannungen des örtlichen Niederspannungsnetzes (6) verwandt werden, so daß eine Erdschlußrichtung auch in Stationen ohne herkömmliche Strom - und Spannungswandler festgestellt werden kann.

2. Verfahren zur Anzeige der Richtung von Erdschlußströmen in Mittelspannungs-Drehstrom netzen gekennzeichnet dadurch, daß eine Abfrage der Phasenwinkel des Erdschluß stroms und der Spannungen des örtlichen Niederspannungsnetzes dadurch vorgenommen wird, daß die eine elektrische Größe bei ihrem Nulldurchgang (23, 24, 25) oder Maximum ein Zeitfenster (17) von bestimmter Dauer öffnet und die andere elektrische Größe bei ihrem Nulldurchgang (23, 24, 25) oder Maximum einen Signalimpuls (26) oder (27) erzeugt, der, wenn dies während eines geöffneten Zeitfensters (27) geschieht, ein mit 50 Hz pulsierendes Gleichstromsignal bildet, das eine positive Erdschlußstromrichtung anzeigt.

3.) Verfahren zur Anzeige der Richtung von Erdschlußströmen in Mittelspannungs-Drehstrom netzen, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenwinkel des 50 Hz-Signals des Erdschlußstromes gemäß Anspruch 1 mit drei um 120 Winkelgrade versetzte Spannungen des örtlichen Niederspannungsnetzes verglichen werden, wobei eine Zuordnung des Stromes zu einer bestimmten Spannung nicht erfolgt, und daß die Winkellage der Spannungen in 30-Gradschritten optimiert werden kann, indem unter 4 Zeigerdiagrammen (Fig. 2) des Niederspannungsnetzes gewählt wird.

4. Verfahren zur Anzeige der Richtung von Erdschlußströmen in Mittelspannungs-Drehstrom netzen, gekennzeichnet dadurch, daß eine Winkelkorrektur (9) des 50 Hz-Signal des Erdschlußstromes gemäß Anspruch 1 dadurch vorgenommen werden kann, daß der Wechselstrom mit einem Gleichstrom unterlagert wird.

5. Verfahren zur Anzeige der Richtung von Erdschlußströmen in Mittelspannungs-Drehstrom netzen, gekennzeichnet dadurch, daß bei dem schnellen Anzeigeverfahren gemäß Anspruch 2 auch die Richtung von Kurzschlüssen angezeigt wird, die sich aus einem Erdschluß entwickelt haben.