DE19757573B4

DE19757573B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Anzeigen der Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechselspannungsnetzen

Info

Publication number: DE19757573B4
Application number: DE1997157573
Authority: DE
Inventors: Wolf Kusserow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: DE19757573A1

Abstract

Verfahren zum Anzeigen der Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechselspannungsnetzen, bei dem der Strom eines Netzleiters (10) induktiv abgegriffen wird, bei dem die Spannung desselben Netzleiters (10) kapazitiv abgegriffen wird, und bei dem eine Auswertung der Phasenlagen des Leiterstroms (I_L) und der Leiterspannung (U_L) mit einem Rechner (13) durchgeführt wird und Richtungsanzeiger (11, 12) entsprechend der Phasenlagenauswertung beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Phasenlagen mit einem oszillatorgesteuerten Zähler des Rechners (13) erfolgt, der den tatsächlichen Nulldurchgang der Leiterspannung (U_L) berechnet, indem der Rechner (13) die Periodendauer (t_per) und die Dauer (t_n) positiver Spannungseingangspulse (U₁) ermittelt, die mit der Leiterspannung (U_L) unter Einwirkung einer negative Halbwellen abschneidenden Diode (35 oder 35') im Rechner (13) erzeugt werden, und unter Berücksichtigung der Zeitdifferenz (T_OFF), die sich aus der Dauer (t_n) eines Spannungseingangsimpulses (U₁) und dessen Periodendauer (t_per) nach folgender Beziehung ergibt: TOFF = 1/2 (1/2 tper – tn)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anzeigen der Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechselspannungsnetzen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein Verfahren mit den vorgenannten Merkmalen ist aus der WO 93/12436 bekannt. Die Auswertung der Phasenlagen des Leiterstroms und der Leiterspannung erfolgen dahingehend, daß der Phasenwinkel im Fehlerfall, zum Beispiel im Kurzschlußfall, mit dem Phasenwinkel vor dem Fehlerfall verglichen wird, wozu der Rechner eingesetzt wird.

Ein weiteres Verfahren mit den aus dem Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannten Merkmalen ist aus der DE-A-31 26 045 bekannt. Für die Auswertung der Phasenlagen des Leiterstroms und der Leiterspannung wird eine IC-Schaltung eingesetzt. Diese besitzt ein Gatter, an das der Sensor für die Spannung des Netzleiters angeschlossen ist. Das Gatter ist mit einem Oszillator beaufschlagt, der bei eingeschaltetem Netz von der Netzfrequenz synchronisiert wird. Der Oszillator liefert ein Rechtecksignal, dessen Phase der Phasenlage der gemessenen Spannung entspricht, so daß dieses Rechtecksignal zur Detektion der Energierichtung im Kurzschlußfall herangezogen werden kann. Die Phase des ermittelten Rechtecksignals entspricht jedoch lediglich der Phasenlage der gemessenen Spannung, ist dieser also nicht gleich. Das resultiert aus der Ausbildung des Sensors und dessen Beschaltung bis zum Gatter. Des weiteren ist das Verfahren nur abhängig von der Netzfre quenz durchzuführen, so daß für unterschiedliche Netzfrequenzen Geräte mit unterschiedlichen Auslegungen verwendet werden müssen. Auf dem Leiter sind transiente Vorgänge vorhanden, ausgelöst zum Beispiel durch Schaltungen oder Lastschwankungen im Netz. Diese transienten Vorgänge bzw. die ihnen entsprechenden Strom- und Spannungsschwankungen klingen nach vorbestimmbarer Zeit ab. In einem Kurzschlußfall steht nun die Synchronisierung durch die Netzfrequenz wegen des Zusammenbruchs der Spannung nicht mehr zur Verfügung, so daß auf der Basis eines möglicherweise fehlerhaft ermittelten Rechtecksignals bzw. einer möglicherweise fehlerhaft ermittelten Phase weitergerechnet werden muß. Es kann zu erheblichen Berechnungsfehlern kommen, die eine zuverlässige Richtungsanzeige nicht mehr gestatten.

Die Bestimmung der Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechselspannungsnetzen, insbesondere in Ring- oder Parallelnetzen beruht darauf, daß Strom und Spannung phasenverschoben verlaufen können. Definitionsgemäß verlaufen sie im Generator gegenphasig und im Verbraucher gleichphasig. Bei mehreren Generatoren und/oder Verbrauchern kann sich die Situation ergeben, daß die Energie je nach Einspeisung durch die Generatoren und je nach Belastung durch die Verbraucher an einer bestimmten Stelle des Netzes in die eine Richtung oder in die andere Richtung fließt. Wechselt die Belastung durch die Verbraucher und/oder die Einspeisung durch die Generatoren, so kann an einer bestimmten Stelle eine Richtungsumkehr des Energieflusses erfolgen. Das ist besonders dann möglich, wenn ein Kurzschluß auftritt, der den Stromfluß dominiert und die Netzspannung zusammenbrechen lassen kann. Eine weitere Rolle bei der Bestimmung der Richtung eines Energieflusses im Netz spielt die Art der Belastung eines Generators durch den Verbraucher und/oder durch das Netz selbst. Bei ohmscher Belastung erfolgt keine Phasenverschiebung zwischen der Spannung und dem Strom. Bei induktiver Belastung, also bei Belastung durch eine Spule, eilt der Strom der Spannung nach und es ergibt sich eine entsprechende nacheilende Phasenlage. Bei einer kapazitiven Belastung des Generators, zum Beispiel durch einen Kondensator, eilt der Strom der Spannung voraus und es ergibt sich eine entsprechend vor eilende Phasenlage. Derartige Phasenverschiebungen betragen maximal 90 Winkelgrad. In der Praxis stellt sich jedoch infolge gemischter Belastungen kaum eine Phasenverschiebung von mehr als 60 Winkelgrad ein, so daß für eine Halbperiode ein auswertbarer Bereich von ca. 60 Winkelgrad verbleibt. In diesem Bereich ist eine Messung der Phasenlagen von Strom und Spannung möglich. Es ist dies insbesondere der Maximumsbereich der Sinusform. Mißt man die Phasenlage des Stroms im Augenblick der höchsten Spannung, also ca. 90 Winkelgrad nach ihrem Nulldurchgang, so ergibt sich sowohl für einen Strom infolge kapazitiver Last, wie auch für einen Strom infolge induktiver Last jeweils ein positiver Wert oder ein negativer Wert. Der Fall, daß ein Strom bei kapazitiver Last einen positiven Wert hat und der Strom einer induktiven Last einen negativen Wert, tritt nicht auf, wie auch umgekehrt nicht. Es kann daher durch Messung der Phasenlage des Stroms an der Meßstelle mit Bezug zur Phasenlage der Spannung an der Meßstelle festgestellt werden, daß die Stromwerte unabhängig von ihrer Phasenlage zur Spannung entweder im positiven Bereich oder im negativen Bereich liegen. Im ersten Fall fließt die Energie nach "links", im zweiten Fall nach "rechts". Bei Gleichphasigkeit von Strom und Spannung ergibt sich also eine Anzeige "links", bei Gegenphasigkeit eine Anzeige "rechts".

Dem bekannten Verfahren gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dieses so zu verbessern, daß die Art der Ankopplung des kapazitiven Abgriffs keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat und insbesondere nicht frequenzabhängig ist.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung geht davon aus, daß die kapazitive Erfassung der Spannung zu einem Ergebnis führt, bei dem die ermittelte Größe nicht genau diesselbe Phasenlage haben kann, wie die abgegriffene Spannung. Die dem kapazitiven Abgriff dienende Elektrode bildet mit der übrigen Schaltung des eingesetzten Geräts eine Kapazität C_i. Es besteht eine Kapazität C_a zwischen dem überwachten Leiter und der Elektronik sowie eine Kapazität C_e der Elektrode gegen Erdpotential. Die vorgenannten Kapazitäten bilden einen kapazitiven Spannungsteiler, der aus der Serienschaltung dieser drei Kapazitäten gebildet wird. Die Wirkung des Spannungsteilers ist von der Bauform des Geräts und von den örtlichen Gegebenheiten abhängig, so daß am Spannungseingang des Meßgeräts nicht immer die gleiche Spannungsamplitude wirksam ist. Infolge dessen werden von dem Rechner bzw. einer sensorgekoppelten Auswertungseinrichtung des Rechners Spannungseingangsimpulse erzeugt, also Rechtecksignale, die die sinusförmige Spannung des Leiters nachbilden. Die Frequenz der Spannungseingangsimpulse entspricht exakt der Netzfrequenz. Ein Spannungseingangsimpuls ist jedoch nicht symmetrisch, das heißt die Dauer des positiven Spannungseingangsimpulses ist kürzer, als die Zeit zwischen zwei Pulsen. Außerdem wird die Kapazität C_i noch durch den Eingangswiderstand des Spannungseingangs des Rechners belastet, so daß der vorgenannte Spannungsteiler nicht mehr als rein kapazitiv zu betrachten ist. Infolge dessen ist der Phasenwinkel zwischen der Leiterspannung und dem Spannungseingangspuls, auch wegen der nicht reproduzierbaren Kapazitäten C_e und C_a, stark vom Einsatzort des Geräts abhängig. Mit Hilfe eines oszillatorgesteuerten Zählers vermag der Rechner jedoch die Dauer eines positiven Spannungseingangspulses zu ermitteln, wie auch die Periodendauer, zum Beispiel anhand des Zeitabstandes zwischen den Anstiegsflanken zweier aufeinander folgender Spannungseingangspulse. Mit Hilfe dieser Größen ist der Rechner in der Lage, den tatsächlichen Nulldurchgang zu berechnen, der dann der Phasenlagenauswertung zugrunde gelegt wird. Die Berechnung des Phasenwinkels zwischen der Leiterspannung und dem aufgrund der Meßschaltung phasenverschobenen Spannungseingangspuls ermöglicht also eine exakte Berechnung des tatsächlichen Nulldurchgangs und damit der exakten Phasenlage der Leiterspannung. Diese berechnete Phasenlage kann dann der Auswertung der Phasenlagen der Leiterspannung und des Leiterstroms zugrunde gelegt werden. Dabei versteht es sich, daß statt der Berechnung des Nulldurch gangs auch eine Berechnung eines anderen kennzeichnenden Punkts im Verlauf einer Schwingungsperiode der Spannung erfolgen kann, beispielsweise des Maximums. Die Genauigkeit der Berechnung hängt jeweils nur von der Oszillatorfrequenz und der Frequenzgenauigkeit ab. Als Oszillatoren zur Steuerung des Zählers können Schwingquarze eingesetzt werden, so daß die Zeitmessung mit einer hohen Auflösung und großer Genauigkeit durchzuführen ist. Der Zähler ist unabhängig von anderen Aktivitäten des Geräts. Er kann für jede Schwingungsperiode neu geladen werden, so daß auf diese Weise eine ständige Synchronisation des Meßergebnisses mit der Netzfrequenz erfolgt.

Zur Berechnung des Nulldurchgangs kann so verfahren werden, daß der tatsächliche Nulldurchgang unter Berücksichtigung der Zeitdifferenz berechnet wird, die sich aus der Dauer eines Spannungseingangsimpulses und einer Periodendauer nach folgender Beziehung ergibt: TOFF = 1/2 (1/2 tper – tn).

Die vorbeschriebenen Verfahren setzen voraus, daß die Leiterspannung für eine Auswertung stets vorhanden ist. Unter dieser Voraussetzung lassen sich die vorbeschriebenen Verfahren dazu benutzen, die Anzeige der Richtung des Energieflusses auch im Normalbetrieb des Netzes anzuzeigen. Im Störungsfall ist das jedoch nicht gewährleistet. Beispielsweise im Kurzschlußfall bricht die Leiterspannung bis auf einen Restbetrag zusammen, der durch den geringen Kurzschlußwiderstand bestimmt ist, oder die Leiterspannung unterliegt einer Kurzschlußschnellabschaltung. In diesem Fall kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß der Rechner eine periodische Ermittlung von Spannungseingangspulsen überwacht und den Zähler, wenn ein Spannungseingangsimpuls nicht vorliegt, nach Erreichen eines Schwellwerts zur Überwachung einer weiteren Spannungsperiode auf einen der zuletzt ermittelten Zeitdifferenz entsprechenden Wert zurückstellt. Der Rechner erkennt infolge dessen das Nichtvorliegen von Spannungseingangspulsen und ist daher grundsätzlich in der Lage, sofort zu reagieren. Hierzu dient die Rückstellung des Zählers auf einen Wert der zuletzt ermittelten Zeitdifferenz, so daß der Zähler sofort erneut versucht, die Leiterspannung abzubilden. Bereits zu diesem Zeitpunkt des Ausfalls der Leiterspannung zum Beispiel infolge eines Kurzschlusses kann der Zählerstand zur weiteren Reproduktion des Phasenwinkels der Leiterspannung dienen.

Vorteilhafterweise wird jedoch so verfahren, daß das Zurückstellen des Zählers eine vorbestimmte Periodenzahl lang wiederholt erfolgt, wobei die Zeit so vorbestimmt wird, daß transiente Vorgänge auf dem abgegriffenen Leiter abklingen. Eine Feststellung der Richtung eines Energieflusses wird also der vorbestimmten Zeit entsprechend hinausgeschoben, so daß während dieser Zeit abklingende transiente Vorgänge die Richtungsfeststellung nicht verfälschen können.

Mit Hilfe des Zählers wird die Phasenlage der Leiterspannung kontinuierlich abgebildet, und zwar unabhängig von den sonstigen Aktivitäten des Rechners. Infolge dessen kann die Anzeige der Richtung des Energieflusses auch bei Normalbetrieb erfolgen, was den Gebrauchswert des Verfahrens bzw. des Anzeigegeräts erheblich erhöht. Die Anzeige kann zu einer on-line Überwachung in einer Warte herangezogen werden.

Da der Rechner vom oszillatorgesteuerten Zähler nur während der Dauer des Vorhandenseins positiver Spannungseingangspulse beaufschlagt ist, vermag er zwischen zwei solchen Pulsen anderes zu berechnen. Das Verfahren wird daher derart weitergebildet, daß der Rechner in der Zeit zwischen zwei Spannungseingangspulsen mit Hilfe eines vom Leiterstrom abhängigen Meßwerts einen Vergleich der Phasenlagen des Leiterstroms und der Leiterspannung durchführt und einen Richtungsanzeiger entsprechend beaufschlagt.

Insbesondere für das vorgenannte Verfahren ist es vorteilhaft, wenn der Rechner den Vergleich der Phasenlagen des Leiterstroms und der Leiterspannung unter Berücksichtigung des L/R-Verhältnisses einer beim induktiven Stromabgriff eingesetzten Sensorspule durchführt. Dieses L/R-Verhältnis der für den Leiterstromabgriff verwendeten Sensorspule bestimmt eine feste Verzögerungszeit zwischen dem Leiterstrom und der Ausgangsspannung der Spule, wenn man zum Beispiel die Nulldurchgänge betrachtet. Diese feste Verzögerungszeit kann durch den Rechner mit einem Korrekturwert berücksichtigt werden, so daß die Phasenlage des Leiterstroms in Bezug auf die Phasenlage der Leiterspannung so genau bestimmt werden kann, daß die Phasenverschiebung der Ausgangsspannung der Spule gegenüber dem Leiterstrom genügend genau berücksichtigt wird. Infolge dessen erfolgt der Stromabgriff entsprechend toleranzgenau, wobei die Toleranz entsprechend dem L/R-Verhältnis berücksichtigt werden kann.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Anzeigegerät für die Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechselspannungsnetzen, insbesondere in Mittelspannungsnetzen mit Ring- oder Parallelstruktur, mit einem als Spule ausgebildeten Sensor für den Strom eines Netzleiters, mit einem Sensor für die Spannung desselben Netzleiters, mit einer sensorgekoppelten Auswertungseinrichtung für die Phasenlagen des Leiterstroms und der Leiterspannung, mit von der Auswertungseinrichtung gesteuerten Richtungsanzeigern, und mit einer in das Gerät integrierten, dessen Stromverbraucher speisenden Stromversorgungseinrichtung.

Ein Anzeigegerät mit den vorgenannten Merkmalen ist aus der DE-A-31 26 045 bekannt.

Ein derartiges Anzeigegerät soll möglichst unabhängig von Anschlußmöglichkeiten sein, die an seinem Einsatzort sehr unterschiedlich bzw. überhaupt nicht vorhanden sein können. Bei dem bekanten Anzeigegerät ist infolge dessen zu seiner Energieversorgung eine Batterie eingebaut, von der die Hilfsenergie der Geräteeinrichtungen bezogen wird. Wegen, der zeitlich begrenzten Haltbarkeit der Batterie muß diese ihrer Belastung entsprechend häufig ausgewechselt werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Anzeigegerät mit den eingangs genannten Merkmalen so zu verbessern, daß seine Energieversorgung kontinuierlich aus dem überwachten Netz erfolgt, so daß der Einsatz einer Batterie und deren periodische Auswechslung überflüssig sind. Zu gleich soll das Anzeigegerät aber so ausgebildet werden, daß eine nicht annehmbare Verfälschung des Abgriffs des Stroms durch die Sensorspule vermieden wird.

Die vorstehende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Auswertungseinrichtung und die Stromversorgungseinrichtung gemeinsam an die Sensorspule angeschlossen sind, und daß die Stromversorgungseinrichtung einen aufladbaren Akkumulator aufweist.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß die Auswertungseinrichtung und die Stromversorgungsrichtung gemeinsam an die Sensorspule angeschlossen sind. Die Sensorspule dient infolge dessen zugleich ihrem eigentlichen Zweck, nämlich den Leiterstrom zu überwachen, wie auch dem Zusatzzweck, Energie für die Stromversorgungseinrichtung zu liefern. Da der Leiterstrom nicht konstant ist, besitzt die Stromversorgungseinrichtung einen aufladbaren Akkumulator, der die Hilfsenergie für das Anzeigegerät zu Zeiten ausreichender Netzenergie sammelt und die gesammelte Energie den Einrichtungen des Anzeigegeräts zur Verfügung stellt, wenn die Netzenergie nicht ausreicht, den Akkumulator zu laden oder das Gerät zu versorgen, zum Beispiel weil ein Störungsfall auf der Leitung vorliegt.

Es ist zweckmäßig, das Gerät so weiterzubilden, daß die Auswertungseinrichtung einen Rechner aufweist, der mit einem Direkteingang an die Sensorspule dort angeschlossen ist, wo auch die Versorgungseinrichtung angeschlossen ist. Infolge der Direktverbindung zwischen dem Stromeingang und der Sensorspule werden Dioden und Kondensatoren vermieden, die die Phasenlage des erfaßten Stromsignals negativ beeinflussen könnten.

Der vorbeschriebene Direkteingang des Rechners dient der Erkennung der Richtung des Energieflusses bei normalem Betriebszustand des Netzes. Für den Fall eines Kurzschlusses kann das Gerät so ausgebildet werden, daß der Rechner einen weiteren, mit einem vorgeschalteten einstellbaren Widerstand versehenen Eingang an die Sensorspule angeschlossen ist. Der vorgeschaltete Widerstand dient als Spannungsteiler und ist beispielsweise als Trimmpotentiometer ausgebildet. Der Spannungsteiler dient der Einstellung zur Erkennung eines Kurzschlußfalls. Wenn der vom einstellbaren Widerstand gelieferte Strom nicht größer ist, als ein am Rechner eingestellter Ansprechstrom, liegt kein Kurzschlußfall vor. Erst wenn der Ansprechstrom überschritten wird, erkennt der Rechner auf Kurzschluß, so daß eine entsprechende Kurzschlußrichtungsanzeige erfolgt.

Das Gerät kann so ausgebildet werden, daß der Rechner einen schwingquarzgesteuerten Zähler hat, der vor Erreichen einer vorbestimmten Zählrate in seinen Anfangszählbereich rückstellbar ist. Die vorbestimmte Zählrate kann entsprechend der oben beschriebenen vorbestimmten Zeit gewählt werden, die erforderlich ist, damit transiente Vorgänge auf dem abgegriffenen Leiter abklingen können.

Eine Ausgestaltung des Gerätes wird dadurch erreicht, daß die Stromversorgungseinrichtung einen Überladeschutz für den Akkumulator aufweist. Mit Hilfe des Überladeschutzes wird die Dauerfunktionsfähigkeit des Akkumulators gewährleistet, auch für den Fall, daß die Sensorspule für die Aufladung zu große Energiemengen bereitstellt.

Zweckmäßig ist es, wenn der Überladeschutz eine mit steiler Kennlinie versehene Leuchtdiode aufweist, die dem Akkumulator über einen Entladeschutzwiderstand parallel geschaltet ist. Eine solche Leuchtdiode läßt sich dahingehend dimensionieren, daß ihre Ansprechschwelle oberhalb der Betriebsspannung des Akkumulators liegt. Dieser vermag sich daher nicht über diese Leuchtdiode zu entladen. Die Stromentnahme der Leuchtdiode aus dem Akkumulator ist zu gering. Der Strombedarf der Leuchtdiode kann in der Regel auch aus dem Netz zur Verfügung gestellt werden. Das andauernde Leuchten dieser Leuchtdiode meldet einem Kontrolleur des Geräts, daß die Versorgungseinrichtung ordnungsgemäß funktioniert.

Des weiteren kann das Gerät so ausgebildet werden, daß dem Überladeschutz ein Überlastschutz parallel vorgeschaltet ist. Hierdurch wird verhindert, daß die Stromversorgungseinrichtung vom Leiter her beschädigt wird, zum Beispiel durch vom Leiterstrom induzierte Spannungsspitzen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Geräts liegt dann vor, wenn der Akkumulator eine die Betriebsspannung des Rechners unterschreitende Spannung hat, und wenn der Akkumulator über eine Aufwärtsregelung an den Rechner angeschlossen ist. Infolge dessen können Akkumulatoren mit niedriger Nennspannung eingesetzt werden und die Aufwärtsregelung kann im Sinne einer Konstanthaltung der Betriebsspannung erfolgen, was für den zuverlässigen Betrieb des Rechners von Bedeutung ist.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Anzeigegeräts,

2a, b Strom- und Spannungsverläufe eines Stromabgriffs des Geräts der 1,

3a–3c Strom- und Spannungsverläufe eines Spannungsabgriffs des Geräts der 1, und

4 eine der 2a entsprechende Darstellung für den Kurzschlußfall.

In 1 ist ein zu überwachender Leiter eines elektrischen Wechselspannungsnetzes mit 10 bezeichnet. Dieser Netzleiter 10 hat einen vergleichsweise großen Querschnitt und ist von einem Bügel 40 umgriffen, mit dem ein allgemein mit 26 bezeichnetes Gerät mechanisch befestigt ist. Der Bügel 40 ist beispielsweise ein Streifen aus Transformatorenblech und bildet eine magnetische Brücke für einen Kern 27 einer Sensorspule 14. Deren Wicklung bzw. Leiterquerschnitte und Anschlüsse sind nicht im einzelnen dargestellt. Es ist lediglich erkennbar, daß sie innerhalb eines Gerätegehäuses 28 angeordnet und ihr Kern 27 mit dem Bügel 40 an den Stellen 29 verschraubt ist. Innerhalb des Gerätegehäuses 28 ist des weiteren sämtliche weitere Hardware des Geräts auf Platinen 30 angeordnet. Ein kapazitiver Sensor 15 ist als Blechstreifen ausgebildet. Der Richtungsanzeige dienen zwei Richtungsanzeiger 11, 12, beispielsweise Leuchtdioden, von denen die eine im Anzeigefall einen Energiefluß in einer ersten Richtung und die zweite einen Energiefluß in einer zweiten Richtung anzeigt. Bei praktischer Ausgestaltung des Geräts werden die Richtungsanzeiger 11, 12 nicht in der Darstellungebene angeordnet, sondern senkrecht dazu, also in Leiterrichtung hintereinander. Dadurch wird die Richtungsanzeige auch optisch besser veranschaulicht.
Die Sensorspule 14 ist über einen Spulenabgriff 14' an eine Gleichrichterbrückenschaltung 31 angeschlossen. von dieser Gleichrichterbrückenschaltung 31 wird eine Stromversorgungseinrichtung 16 mit Gleichspannung versorgt.
Außerdem ist der Stromabgriff 14' an einen Direkteingang 18 eines Rechners 13 angeschlossen. Die Verbindungsleitung 18' zu diesem Direkteingang 18 weist außer einem nicht dargestellten Schutzwiderstand keine Kondensatoren und keine Dioden auf, vielmehr sind die im Rechner 13 vorhandene, im einzelnen nicht dargestellte Auswertungseinrichtung, und die Stromversorgungseinrichtung 16 über den Anschlußpunkt 31' der Brückenschaltung 31 gemeinsam an den Abgriff 14' bzw. an die Sensorspule 14 angeschlossen.
Die Stromversorgungseinrichtung weist als Speicherelement für die Hilfsenergie der Einrichtungen des Anzeigegeräts einen Akkumulator 17 auf, der beispielsweise eine Betriebsspannung von 1,5 Volt hat. Dem Akkumulator 17 zur Brückenschaltung 31 hin vorgeschaltet ist ein Überladeschutz 21. Dieser besteht im wesentlichen aus einer Leuchtdiode 23. Diese Leuchtdiode 23 ist eingangsseitig über einen Entladeschutzwiderstand 22 an den Akkumulator 17 angeschlossen und besitzt eingangsseitig zur Brückenschaltung 31 hin einen Schutzwiderstand 32. Die Leuchtdiode 23 ist beispielsweise als GaAlAs-LED ausgebildet, die eine Ansprechspannung von 1,7 Volt hat, so daß sich der Akkumulator 17 nicht über sie entladen kann. Ihr Stromverbrauch ist sehr gering und sie signalisiert den Normalzustand der Stromversorgungseinrichtung.
Dem Überladeschutz 21 parallel vorgeschaltet ist ein Überlastschutz 24 in Gestalt einer Z-Diode, um schädliche Auswirkungen von Ladestromspitzen auf die nachgeordneten Bauteile der Stromversorgungseinrichtung 16 zu vermeiden.
Dem Akkumulator 17 parallel geschaltet ist eine Aufwärtsregelung 25, die in herkömmlicher Weise dafür sorgt, daß eine erhöhte Betriebsspannung von zum Beispiel 3 Volt zur Verfügung gestellt wird. Die Regelung sorgt dafür, daß diese Betriebsspannung konstant ist. Das ist erforderlich, um den Rechner 13 mit einer für seinen Betrieb konstanten Betriebsspannung zu versorgen.
Der Rechner 13 ist an den Sensor 15 mit einem Spannungsabgriff 15' angeschlossen, der mit einem Spannungseingang 34 einer Richtungserkennung 33 des Rechners 13 verbunden ist. Der Spannungseingang 34 ist durch zwei Schutzdioden 35 und 35' gegen Überspannung gesichert. Diese Beschaltung der Spannungeingangsschaltung 34' und die eingangs erwähnten Kapazitäten C_i, C_a und C_e bewirken, daß das am Spannungseingang 34 vorhandene Signal gegenüber der Leiterspannung phasenverschoben ist. Infolgedessen ist der Rechner mit einer Einrichtung 38 zur Berechnung des tatsächlichen Nulldurchgangs unter Einsatz einer Synchronisationseinrichtung 36 mit einem nicht dargestellten Zähler versehen. Dieser Zähler ist von einem Schwingquarz 37 gesteuert, zum Beispiel mit einer Frequenz von etwa 33 kHz.
Des weiteren ist der Rechner 13 mit einem Eingang 20 versehen, dem ein Widerstand 19 vorgeschaltet ist. Der Widerstand 19 wird von der Leitung 18' des Direkteingangs 18 beaufschlagt. Er wird so eingestellt, daß ein Schwellwert eingestellt werden kann, bei dessen Überschreitung eine Kurzschlußdetektion erfolgt. Dementsprechend beaufschlagt der Rechner 13 Anzeigeausgänge 11', 12' zur Beaufschlagung der Richtungsanzeiger 11, 12 im Kurzschlußfall derart, daß also entweder der Richtungsanzeiger 11 oder der Richtungsanzeiger 12 leuchtet, je nach der Richtung des Energieflusses im Kurzschlußfall. Eine entsprechende Beaufschlagung bei Normalbetrieb des Anzeigegeräts bzw. des überwachten Netzes kann mit Hilfe des Direkteingangs 18 erreicht werden.
Es versteht sich, daß das vorbeschriebene Gerät auch zur Fernanzeige benutzt werden kann, indem die Leuchtsignale der Richtungsanzeiger 11, 12 abgegriffen werden, zum Beispiel mit einem Lichtleiterkabel. Statt dessen können aber auch Funksignale versendet werden, welche den Zustand der Richtungsanzeiger signalisieren, beispielsweise mit einer vorbestimmten Taktrate, wobei die Richtungsanzeiger der Taktrate entsprechend erkannt und ihr Zustand per Funk übertragen wird. Damit ist eine dauernde on-line Überwachung des Energieflusses im Leiter 10 möglich, die den Normalbetrieb und den Kurzschlußfall einschließt.
2 zeigt in Abbildung b die Funktion I_L = f(t), also den zeitlichen Verlauf des Leiterstroms I_L. Es ist ein sinusförmiger Verlauf angenommen. Der Leiterstrom I_L induziert in der Spule 14 eine Abgriffsspannung U'_L, die in 2a in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt ist. Der Anschluß des Rechners 13 mit seinem Direkteingang 18 über die Leitung 18' an die Gleichrichtschaltung 31 bewirkt, daß lediglich positive Halbwellen vorhanden sind, während negative Spannung lediglich schaltungsbedingt vorhanden ist und für die erforderlichen Berechnungen ohne Einfluß auf die Rechenergebnisse gehalten werden kann. Die positiven vom Leiterstrom I_L induzierten Halbwellen U'_1L, U'_2L und U'_3L haben alle unterschiedliche Amplituden. Sie sind infolge des induktiven Abgriffs mit der Spule 14 sämtlich etwa um 90 Winkelgrad zum Leiterstrom I_L verschoben, nämlich nacheilend. Es hat sich aber gezeigt, daß die vom Leiterstrom I_L induzierten Spannungen U'_L sämtlich etwa denselben Durchgang durch die Zeitachse haben, soweit sie einen für die Überwachung vorauszusetzenden Ansprechwert U_A überschreiten. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, den Rechner 13 mit einem Korrekturwert zu versorgen, der das in 2 dargestellte Verhältnis L/R zur Grundlage hat und die Phasenverschiebung zwischen dem Leiterstrom I_L und allen möglichen für die Auswertung relevanten induzierten Spannungen U'_L betrifft. Die Spule 14 "sieht" wegen des Direkteingangs 18 des Rechners 13 alle abgegriffenen Ströme des Netzleiters 10 mit derselben und damit bei der Berechnung durch einen Korrekturwert zu berücksichtigenden Pha senverschiebung. Die tatsächliche Phasenlage des Leiterstroms I_L ist damit hinreichend genau zu bestimmen.
Das Anzeigegerät muß auch so ausgebildet werden, daß die Phasenlage der Spannung UL dieses Netzleiters 10 richtig "gesehen" wird. Der zeitliche Verlauf der Spannung U_L ist in 3a dargestellt, und zwar sinusförmig vom Nulldurchgang aus. Der Abgriff der Spannung U_L mittels des Sensors 15 erfolgt kapazitiv, so daßl also sämtliche abgegriffenen Ströme voreilen, was 3b zeigt. Hier ist der Verlauf abgegriffener Ströme I'_C in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. I'_1C zeigt eine an den Eingang 34 gelangende Halbwelle, deren Sinuskuppe infolge der Wirkung der einen Schutzdiode 35 abgeschnitten ist. Die auf die Halbwelle I'_1C folgende Halbwelle I'_2C ist durch die Wirkung der anderen Schutzdiode 35 abgeschnitten, so daß lediglich ein bei der nachfolgenden Berechnung durch den Rechner 13 nicht zu berücksichtigender geringer Strom fließt.
3c zeigt, daß mit einer von der Leiterspannung U_L bewirkten Stromhalbwelle I'_1C ein Spannungseingangspuls U₁ bewirkt wird. Eine spätere Stromhalbwelle I'_2C würde einen Spannungseingangspuls U₂ bewirken, der einen entsprechenden Abstand von U₁ hat, nämlich einen Zeitabstand t_z. Der rechteckförmige Spannungseingangspuls U₁ hat eine Anstiegsflanke AF, die dadurch bedingt ist, daß die Stromhalbwelle I'_1C einen Ansprechwert I_A erreicht. Für die Zeit t_N des Überschreitens dieses Ansprechwerts I_A ist der Eingangspuls U₁ vorhanden. Diese Zeit t_N ist mit der Einrichtung 35 des Rechners 13 zu ermitteln. Diese besitzt einen nicht dargestellten Zähler, der von einem Schwingquarz 37 beaufschlagt ist. Der Zähler zählt also schrittweise mit einer sehr hohen, durch die Systemfrequenz inkrementierten Auflösung. Die Genauigkeit der Zeitmessung hängt lediglich von der Wahl der den Zähler steuernden Schwingfrequenz ab. Der Rechner, dessen Zähler von einem Ausgangspunkt an konstant durchzählt, kann die Anzahl der Pulse feststellen, während der der Spannungseingangspuls U₁ vorhanden ist. Außerdem kann der Rechner feststellen, wann die Anstiegsflanke AF eines zweiten Spannungseingangspulses U₂ vorhanden ist. Er ist demzufolge in der Lage zu berechnen, wie groß die Periodendauer t_per ist. Diese Periodendauer entspricht exakt derjenigen der Leiterspannung U_L. Aus dem Vergleich der 3b, c ist zu ersehen, daß der tatsächliche Nulldurchgang vom Zeitpunkt der Anstiegsflanke AF entsprechend T_OFF verschoben ist. Entsprechend ist das Ende des Spannungseingangspulses U₁ um T_OFF vom tatsächlichen Nulldurchgang verschoben. Dementsprechend berechnet sich die halbe Periodendauer t_per/2 aus der Summe von t_N und 2T_OFF. Hieraus kann T_OFF berechnet werden, nämlich zu: TOFF = 1/2 (1/2 tper – tn).
Nachdem der Nulldurchgang O' des abgegriffenen Stroms I'_C berechnet wurde, liegt wegen des kapazitiven Abgriffs und der dadurch bedingten Phasenverschiebung von 90 Winkelgrad im Sinne einer Voreilung auch der Nulldurchgang 0 der Leiterspannung U_L fest.
Damit das Anzeigegerät als Kurzschlußrichtungsanzeiger eingesetzt werden kann, wird mit dem einstellbaren Widerstand 19 ein Schwellwert U'_A eingestellt, der überschritten werden muß, damit das Anzeigegerät eine Richtungsanzeige im Kurzschlußfall liefert. Im übrigen gelten für die Messung bzw. für den Stromabgriff am Netzleiter 10 dieselben Überlegungen, wie sie oben für den Normalbetriebsfall des Netzes dargelegt wurden. Für die Zeitdauer t_K fließt ein Kurzschlußstrom, der vom Rechner detektiert wird und bestimmt, daß die Richtungsanzeige eine Richtungsanzeige für einen Kurzschlußfall ist. Infolge dessen kann nun verfahren werden, wie bei der Beschreibung des Spannungsabgriffs oben beschrieben wurde. Es wird eine festgelegt Anzahl von Perioden der zuletzt gemessenen Netzfrequenz abgewartet, also im Sinne einer Ansprechverzögerung. Liegt danach der vom Leiterstrom I_L abgegriffene Wert immer noch über dem Ansprechwert U'_A, so wird sein Phasenwinkel zum Phasenwinkel der reproduzierten Leiterspannung U_L ermittelt und es erfolgt anschließend eine Anzeige der Richtung des Kurzschlußenergieflusses so lange, bis eine voreingestellte Zeit abgelaufen ist, zum Beispiel zwei Stunden.

Claims

Verfahren zum Anzeigen der Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechselspannungsnetzen, bei dem der Strom eines Netzleiters (10) induktiv abgegriffen wird, bei dem die Spannung desselben Netzleiters (10) kapazitiv abgegriffen wird, und bei dem eine Auswertung der Phasenlagen des Leiterstroms (I_L) und der Leiterspannung (U_L) mit einem Rechner (13) durchgeführt wird und Richtungsanzeiger (11, 12) entsprechend der Phasenlagenauswertung beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Phasenlagen mit einem oszillatorgesteuerten Zähler des Rechners (13) erfolgt, der den tatsächlichen Nulldurchgang der Leiterspannung (U_L) berechnet, indem der Rechner (13) die Periodendauer (t_per) und die Dauer (t_n) positiver Spannungseingangspulse (U₁) ermittelt, die mit der Leiterspannung (U_L) unter Einwirkung einer negative Halbwellen abschneidenden Diode (35 oder 35') im Rechner (13) erzeugt werden, und unter Berücksichtigung der Zeitdifferenz (T_OFF), die sich aus der Dauer (t_n) eines Spannungseingangsimpulses (U₁) und dessen Periodendauer (t_per) nach folgender Beziehung ergibt: TOFF = 1/2 (1/2 tper – tn)
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner eine periodische Ermittlung von Spannungseingangspulsen (U₁) überwacht und den Zähler, wenn ein Spannungseingangsimpuls (U₁) nicht vorliegt, nach Erreichen eines Schwellwerts zur Überwachung einer weiteren Spannungsperiode auf einen der zuletzt ermittelten Zeitdifferenz (T_OFF) entsprechenden Wert zurückstellt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zurückstellen des Zählers eine vorbestimmte Pe riodenzahl lang wiederholt erfolgt, wobei die zeit so vorbestimmt wird, daß transiente Vorgänge auf dem abgegriffenen Leiter (10) abklingen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (13) in der Zeit (t_z) zwischen zwei Spannungseingangsimpulsen (U₁, U₂) mit Hilfe eines vom Leiterstrom (I_L) abhängigen Meßwerts einen Vergleich der Phasenlagen des Leiterstroms (I_L) und der Leiterspannung (U_L) durchführt und einen Richtungsanzeiger (11, 12) entsprechend beaufschlagt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (13) den Vergleich der Phasenlagen des Leiterstroms (I_L) und der Leiterspannung (U_L) unter Berücksichtigung des L/R-Verhältsnisses einer beim induktiven Stromabgriff eingesetzten Sensorspule (14) durchführt.
Anzeigegerät für die Richtung eines Energieflusses in elektrischen Wechselspannungsnetzen, mit einem als Spule (14) ausgebildeten Sensor für den Strom (I_L) eines Netzleiters (10), mit einem Sensor (15) für die Spannung (U_L) desselben Netzleiters (10), mit einer sensorgekoppelten Auswertungseinrichtung für die Phasenlagen des Leiterstroms (I_L) und der Leiterspannung (U_L), mit von der Auswertungseinrichtung gesteuerten Richtungsanzeigern (11, 12), und mit einer in das Gerät integrierten, dessen Stromverbraucher speisenden Stromversorgungseinrichtung (16), zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungseinrichtung und die Stromversorgungseinrichtung gemeinsam über eine Gleichrichtschaltung (31) an die Sensorspule (14) angeschlossen sind, und daß die Stromversorgungseinrichtung (16) einen aufladbaren Akkumulator (17) aufweist.
Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungseinrichtung einen Rechner (13) aufweist, der mit einem Direkteingang (18) an die Sensorspule (14) dort angeschlossen ist, wo auch die Versorgungseinrichtung (16) angeschlossen ist.
Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (13) einen weiteren, mit einem vorgeschalteten einstellbaren Widerstand (19) versehenen Eingang (20) an die Sensorspule (14) angeschlossen ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (13) einen schwingquarzgesteuerten Zähler hat, der vor Erreichen einer vorbestimmten Zählrate in seinen Anfangszählbereich rückstellbar ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung (16) einen Überladeschutz (21) für den Akkumulator (17) aufweist.
Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Überladeschutz (21) eine mit steiler Kennlinie versehene Leuchtdiode (23) aufweist, die dem Akkumulator (17) über einen Entladeschutzwiderstand (22) parallel geschaltet ist.
Gerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Überladeschutz (21) ein Überladtschutz (24) parallel vorgeschaltet ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator (17) eine die Betriebsspannung (3 V) des Rechners (13) unterschreitende Spannung (1,5 V) hat, und daß der Akkumulator (17) über eine Aufwärtsregelung (25) an den Rechner (13) angeschlossen ist.