DE2615556B1 - Verfahren zur elektrischen Leitungsdistanzmessung fuer Distanzschutzeinrichtungen - Google Patents

Description

• Eine periodisch nicht sinusförmige Meßgröße wird z. B. vom Lichtbogen verursacht. Aufgrund der nichtlinearen Widerstandscharakteristik des Lichtbogens ist die Spannung bei snusförmigem Kurzschlußstrom annähernd rechteckförmig. Bei Lichtbogenfehlern tritt daher eine Überlagerung der sinusförmigem Leitungsspannung, die dem Abfall auf der Leitungsimpedanz entspricht, mit der rechteckförmigen Lichtbogenspannung auf. Dieser gestörte Spannungsverlauf wird also dem Distanzmeßglied zugeführt Wenn der Kurzschlußstrom auf der Leitung sehr groß ist, kann der Netzstromwandler gesättigt werden. Der Sekundärstrom wird entsprechend der Magnetisierungskennlinie stark verformt Der Verlauf der dem Distanzmeßglied zugeführten Stromgröße ist daher nicht mehr sinusförmig.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Distanzmeßglied gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches so auszubilden, daß die u. a aufgrund der obengenannten Effekte fehlerhafte Distanzbestimmung kompensiert werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches.
• Die Erfindung wird anhand der Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt F i g. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung gemäß der Erfindung, F i g. 3 ein Ersatzschaltbild der Spannungseingangsschaltung nach F i g. 2, F i g. 4 ein Ersatzschaltbild des Stromwandlers in Fig. 2, F i g. 4a das Zeigerdiagramm der Schaltung nach Fig.4, F i g. 5 den Wandler-Stromverlauf bei sinusförmigen Größen, F i g. 6 den Stromverlauf bei gesättigtem Stromwand-1er, F i g. 7 ein Spannungsdiagramm zur Erläuterung der Nichtüberdeckungszeit, Fig.8 und 8a den Verlauf der Spannungen und die Einbeziehung der Lichtbogenspannung, F i g. 9 und 9a den Einfluß der Lichtbogenspannung auf den Distanzentscheid, Fig. 1O und 10a den Einfluß der Ströme bei gesättigtem Wandler auf den Distanzentscheid.
• Die Spannungseingangsschaltung 1 in F i g. 2 besteht aus einer induktiven Spannungswandlergruppe. Damit wird die Meßgröße aus dem Netzsparnungswandler zur weiteren Verarbeitung im Distanzmeßglied noch einmal heruntertransformiert. In F i g. 3 ist das Ersatzschaltbild zu sehen.
• Die Hauptinduktivität wird durch LH und die Bürde auf der Sekundärseite durch Rs nachgebildet Zur Vereinfachung der Betrachtung wird ein Übertragungsverhältnis U, ~ I gewählt, wobei U1 und U2 die Spannungen auf der Primär- und Sekundärseite bedeuten. Die Streuinduktivitäten und Kupferverluste werden im Ersatzschaltbild durch Ls und Rv erfaßt Um die Eisenverluste zu berücksichtigen, wird parallel zu der Hauptinduktivität LH ein Widerstand RFE geschaltet, der wegen der geringen Verluste hochohmig ist Dem Ersatzschaltbild ist zu entnehmen, daß schnelle Spannungsänderungen durch die Anstiegszeitkonstante TAN 2Ls AX 2RV + RB verzögert übertragen werden. Da aber das Verhältnis der Streuinduktivität zu den Widerständen sehr klein ist, kann die Anstiegzeitkonstante als nahezu Null angenommen werden. Es werden also schnelle Spannungsänderungen auf das Distanzmeßglied fehlerfrei übertragen. Die Amplitude einer rechteckförmigen Spannung bei Netzfrequenz wird ungedämpft übertragen, da die Abfalizeitkonstante Lll + LS TAh = - f Rv in der Größenordnung von einigen Sekunden liegt.
• Für die Stromeingangsschaltung 2 werden widerstandsbeschaltete Transaktoren verwendet, mit denen der eingeprägte Stromjwaus dem Netzstromwandler in eine stromproportionale Abbildspannung Uzumgewandelt wird. Die vereinfachte Ersatzschaltung ist in F i g. 4 dargestellt Hier werden die Streuinduktivitäten und Kupferverluste vernachlässigt Die stromproportionale Abbildspannung Uz ist mit dem Spannungsabfall am Widerstand RB identisch. Daneben ist in F i g. 4a das Zeigerdiagramm der Ströme bei sinusförmigen Eingangsgrößen zu sehen. Der Strom über den Widerstand RBbeträgt JRB = und der Magnetisierungsstrom Jeder Hauptinduktivität PH JE = J,v - sin ,) .
• Für schnelle Stromänderungen, die bei Sättigung des Netzstromwandlers auftreten, ist die Änderung der stromproportionalen Abbildspannung Uzder Änderung des Stromes jRB proportional. Nach dem Kirchhoff-Satz ist die allgemeine Form des Widerstandsstromes JRB = Jw - JAf Wenn der Netzstromwandler gesättigt ist, springt zum Zeitpunkt der Sättigung der Strom Jw zu kleinen Stromwerten, die nahezu Null sind. Folglich wird sich der Widerstandsstrom vom stationären Wert auf den negativen Wert des Magnetisierungsstromes ändern.
• Danach klingt der Widerstandsstrom mit der Zeitkonstanten T,v = W-tan,) ab, bis der Zeitpunkt der Entsättigung zu Beginn der nächsten Kurzschlußstromhalbwelle erreicht wird. An dieser Stelle nimmt der Widerstandsstrom mit der gleichen Zeitkonstanten auf den stationären Wert wieder zu.
• In F i g. 5 sind die Verläufe der Ströme Jw, JRB und des Magnetisierungsstromes IM bei sinusförmigen Größen zu sehen. Dabei wird der Magnetisierungsstrom mit negativem Vorzeichen dargestellt. In F i g. 6 sind die Verläufe der Ströme Jw und JRB bei Sättigung des Netzstromwandlers gezeigt Zum Zeitpunkt Tsi wird der Stromwandler gesättigt.
• Die Entsättigung wird bei Ts2 erreicht. Der Einfluß dieses Stromverlaufes auf den Distanzentscheid wird weiter unten behandelt.
• Zurück zu F i g. 2. Die Abbildspannung Uz der Stromeingangsschaltung 2 wird einer Stufe 3 zugeführt, die Rechtecksignale entsprechend den Nulldurchgängen der Abbildspannung Uz erzeugt Weiterhin gelangt die Abbildspannung Uzan eine Summierungsstelle 5, an der sie von der ebenfalls anliegenden Leitungsspannung UL vektoriell subtrahiert wird. Die Differenz 21 U (vergleiche F i g. 1) gelangt auf eine Stufe 4, die ebenfalls Rechtecksignale erzeugt In F i g 7 sind bei sinusförmigen Meßgrößen die Verläufe der zum Distanzentscheid notwendigen Größen (Leitungsspannung UL und Abbildspannung Uz) für den Fehlerort im Kippbereich bei einem Leitungswinkel von etwa 60° dargestellt Darunter sind in F i g. 7a die in Rechteckgrößen umgeformten Meßgrößen der Abbildspannung Uz und der Differenzspannung d Ugezeigt A Uentsteht aus der Differenz von UL und Uz. Die Nulldurchgänge von AU sind daher zeitlich mit den Schnittpunkten der Kurven von UL und Uz identisch. Der als Kriterium für den Distanzentscheid verwendete Winkel ,B= 180°o; entspricht der Nichtüberdeckungszeit TlNr der Rechtecksignale der Abbildspannung Uz und der Differenzspannung UA. Für eine Ja-Entscheidung = Auslösen muß die Integrationszeit des Distanzmeßgliedes größer als TINT sein, und für eine Nein-Entscheidung = Sperren muß sie kleiner sein.
• Es soll nun gezeigt werden, wie sich ein Lichtbogen auf die Kurven nach F i g. 7, 7a auswirkt. In F i g. 8 ist der Spannungsverlauf bei Lichtbogenfehlern dargestellt Die obere Kurve zeigt den Verlauf des Stromes 1w aus dem Netzstromwandler. Die Lichtbogenspannung UBist mit dem Kurzschlußstrom phasengleich und, wie Messungen gezeigt haben, in der Amplitude vom Strom unabhängig. Die Kurve von UL+ UB nach F i g. 8a ist die Überlagerung der Leitungsspannung UL mit der Lichtbogenspannung UB.
• Da die Amplitude der Lichtbogenspannung UB vom Strom unabhängig ist, liegt daher der ungünstigste Fall bei stromschwachen Leitungsfehlern vor, weil der Spannungsabfall auf der Leitungsimpedanz dem Kurzschlußstrom entsprechend gering wird. Damit erreicht die Lichtbogenspannung die Größenordnung der Leitungsspannung. Im Fehlerfall, in dem die Lichtbogenspannung auf den Distanzentscheid Einfluß ausübt, kommt daher keine Sättigung des Netzstromwandlers vor.
• In F i g. 9 sind die Verläufe der für den Distanzentscheid interessanten Meßgrößen von Uzund ULbzw. UL und UB für Fehlerort im Kippbereich dargestellt.
• Die Differenzgröße der Differenzspannung AU=(UL+ U)- Uz geht aufgrund der zugeführten Größen von UB+ UL mehrmals durch Null. Die Nichtüberdeckungszeiten T oder T2 allein reichen nicht aus zur Freigabe des Distanzentscheides. In diesem Fall würde bei Lichtbogenfehlern, bei denen in der Differenzgröße zusätzliche Nulldurchgänge hervorgerufen werden, die Abschaltung erst in der zweiten Zeitstufe des Distanzmeßgliedes erfolgen.
• Da das Distanzmeßglied eigentlich nur eine Ja-Nein-Entscheidung zu treffen hat, kann hier durch Manipulation der Zeitmessung der Einfluß von Lichtbogenspannung auf den Distanzentscheid kompensiert werden.
• Dazu sind gemäß der Erfindung bei der Zeitmessung die Summen von Ti und T2 zu bilden. Damit kann bei Lichtbogenfehlern bis zum Kippbereich eine Freigabe erreicht werden. Ein falscher Entscheid für Lichtbogenfehler außerhalb des Kippbereiches tritt nicht auf, da die Summe dieser Zeiten stets kleiner als die Zeit TINT ist Zur Summenbildung dienen zunächst ein Exklusives-ODER-Gatter, eine Antivalenzschaltung, das die Nichtüberdeckungszeiten T1, T2 der Größen von Uz und AU erfaßt, wenn also nur ein Eingang ein Signal führt. Auf diese Stufe 6 folgt ein Integrator 7, der die den Nichtüberdeckungszeiten Tl und T2 entsprechenden Signale aufsummiert. Der Integrator 7 wird vorzugsweise bei jedem Nulldurchgang der Größe von Uzoder bei einer gleiche Vorteile bringenden Zeit zurückgestellt.
• Hierzu gibt ein Impulsformer 10 bei jedem Nulldurchgang der Größe von Uz einen Nadelimpuls ab, mit dem der Integrator 7 wieder auf Null zurückgestellt wird. Auf den Integrator 7 folgt ein Schwellwertglied 8, das die Ja/Nein-Entscheidung trifft, d. h. den Distanzentscheid freigibt, wenn die im Integrator ermittelte Summe die eingestellte Schwelle überschreitet Es soll nun dargestellt werden, inwieweit sich die Wandlersättigung auf die Schaltung nach F i g. 2 auswirkt Stromwandlersättigung tritt bei stromstarken Leitungsfehlern oder bei Überbürdungen der Netzstromwandler auf. Der Zeitpunkt des Sättigungsbeginns tritt je eher auf, um so größer das Verhältnis von Kurzschlußstrom und Wandlernennstrom ist. Der Zeitpunkt Tsl für den Sättigungseintritt kann nach folgender Beziehung abgeschätzt werden Dabei bedeutet nT die tatsächliche Überstromziffer des Netzstromwandlers, die von der Höhe der Bürde abhängig ist.
• In Fig. 10 sind die Größen von Uz und UL für den Distanzentscheid im Kippbereich bei einem Leitungswinkel von etwa 60° dargestellt Hier ist zunächst zu erkennen, daß bei der bekannten Einrichtung ein Distanzentscheid gegeben wird, wenn der Fehlerort sich weiter vom Kippbereich entfernt. Bei einem Entfernungsverhältnis des Fehlerortes zum Kippbereich kleiner als 604/0 erfolgt erst mit dem erfindungsgemäßen Distanzmeßglied der Distanzentscheid. Für größere Verhältnisse gibt das Distanzmeßglied ein Sperrsignal, da die Differenzgröße zusätzliche Nulldurchgänge aufweist Je kürzer die Zeit bis zur Sättigung ist, um so kleiner wird das für den Distanzentscheid zulässige Entfernungsverhältnis des Fehlerortes zum Kippbereich.
• Die Addition der Nichtüberdeckungszeiten T und T2 führt hier zwar nicht zur Erreichung des Entfernungsverhältnisses von 1, aber die Verkürzung des Meßbereiches läßt sich weitgehend kompensieren.-Diese Addition der Zeiten bringt auf jeden Fall eine Verbesserung des Distanzentscheides.
• Dem Fachmann stehen zahireiche Methoden zur Verfügung, die Nichtüberdeckungszeiten technisch zu erfassen und sie in eine Größe umzusetzen, die zum Distanzentscheid verwendet werden kann. So ist es beispielsweise, wie bereits eingangs schon erwähnt, denkbar, für die Zeit der Nichtüberdeckung eine Spannung linear hochlaufen zu lassen. Neben diesem analogen Meßprinzip ist es im Prinzip auch vorstellbar, die Phasendifferenz digital zu erfassen, indem man Impulse während der Nichtüberdeckung in einen Zähler einzählt und gegebenenfalls dieses Fehlergebnis auch analog ausdrückt Hier sind also dem Fachmann zahlreiche Möglichkeiten zur technischen Realisierung möglich.
• In den Zeichnungen ist eine Integrationsperiode dargestellt, die gleich der Halbwellendauer der Abbildspannung Uz ist Diese Maßnahme ist unter anderem deshalb sehr zweckmäßig, weil sich technisch der Nulldurchgang verhältnismäßig einfach erfassen läßt.
• Im Prinzip sind jedoch auch von der Halbwellendauer abweichende Integrationsperioden denkbar, die jedoch immer so gewählt werden müssen, daß Vieldeutigkeiten nicht auftreten und Mehrfach-Nichtüberdeckungszeiten, die einzeln nicht auslösen, aufsummiert werden.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur elektrischen Leitungsdistanzmessung für Distanzschutzeinrichtungen nach dem integrierenden Phasenvergleichsmeßprinzip, bei dem die Differenzspannung aus einer aus der Leitungsspannung abgeleiteten Größe und einer aus dem Leitungsstrom abgeleiteten Größe (Abbildungsgröße) gebildet wird und die Nichtüberdekkungszeit zwischen der Abbildungsgröße und der Differenzspannung ermittelt und zum Richtungsentscheid durch Vergleich mit einem Schwellwert ausgewertet wird, dadurch gekennzeichn e t, daß alle Nichtüberdeckungszeiten, die insbesondere während einer Halbwellendauer der Abbildungsgröße auftreten, aufsummiert werden.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit Wandlern zur Ableitung der der Leitungsspannung proportionalen Größe und der Abbildungsgröße, mit einem Differenzglied zur Bildung einer Differenzspannung, mit Rechteckgeneratoren zur Erzeugung von mit der Differenzspannung und der Abbildungsgröße nulldurchgangsgleichen Rechteckspannungen, mit einem Glied zur Erfassung der Nichtüberdeckungszeiten beider Rechteckspannungen und einem Integrator zur Erzeugung einer der Nichtüberdeckungszeiten proportionalen Spannung und einem Schwellwertglied zur Auswertung der Tntegratorspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (7) eine Integrationsperiode von insbesondere einer Halbwellendauer der Abbildungsgröße (Abbildspannung Uz) besitzt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsformer (10) vorgesehen ist, der bei jedem Nulldurchgang der Abbildungsgröße (Abbildspannung Uz) einen Impuls erzeugt, der auf den Integrator (7) schaltbar ist.

   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Leitungsdistanzmessung für Distanzschutzeinrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

   Distanzschutzeinrichtungen dienen zum richtungsabhängigen Ermitteln von Fehlern auf einem bestimmten zu überwachenden Leitungsabschnitt eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, und zwar mittels aus Leitungsspannung und Leitungsstrom abgeleiteter Größen.

   Bei Distanzschutzeinrichtungen müssen somit ein Entfernungs- und ein Richtungskriterium hergeleitet werden. Zum Herleiten des Richtungskriteriums sind eine Reihe von Vorschlägen zur Richtungserfassung bekanntgeworden, z. B. DT-AS 24 12 792, auf die hier nicht näher eingegangen zu werden braucht.

   Zum Herleiten des Entferungskriteriums ist es bekannt, eine polygonale Auslösecharakteristik vorzusehen (Siemens-Zeitschrift 45 [197 Ii Seite 266-268).

   Anhand der F i g. 1 soll diese Charakteristik näher erläutert werden. Diese F i g. 1 zeigt ein RX-Diagramm, bei dem in Abzissenrichtung die durch den Sekundärstrom I eines in eine Energieversorgungsleitung geschalteten Stromwandlers an einem ohmschen Widerstand abfallende Spannung UR aufgetragen ist.

   Der Koordinatenursprung A stellt den Ort einer Überwachungsstation bzw. einer Meßstelle dar. Aus dem Leitungs- bzw. Sekundärstrom wird an einem Leitungsabbild, z. B. an einem widerstandsbeschalteten Transaktor, einem induktiven Shunt oder dergleichen, eine Abbildspannung Uz gewonnen, die bei unverzerrtem Sekundärstrom diesem um den Winkel 6 voreilt. In dem Diagramm ist weiterhin eine der Leitungsspannung UL proportionale Größe eingetragen, der der Leitungs-bzw. Kurzschlußwinkel y zugeordnet ist. Im Falle eines Lichtbogenkurzschlusses addiert sich zu dieser Spannung die Lichtbogenspannung. Durch den Vektor der Abbildspannung Uz ist der Eckpunkt Bades Auslösegebietes bestimmt. Zwei Auslösegrenzen sind in bekannter Weise durch Vektoren V" V2 vorgegeben. Die Entfernung A B entspricht der zu schützenden Leitungsstrecke.

   Zwischen der Abbildspannung Uz und der Leitungsspannung UL wird eine vektorielle Differenzspannung A U gebildet Das Auslösekriterium wird von einem Winkel os' zwischen d Uund Uzabgeleitet. Überschreitet ' den durch V festgelegten Grenzwinkel os, d. h. den sogenannten Kippunkt, so erfolgt keine Auslösung.

   Unterschreitet dagegen ol' den Grenzwinkel a, dann wird ausgelöst. Da sich eine Winkelvergrößerung in der Praxis besser bestimmen läßt, werden zweckmäßig die Komplementärwinkel ,B, B', also (180°os) und (1800 - a') verwendet.

   Schaltungstechnisch wird der Auslösewinkel bestimmt, indem man die Überdeckungszeiten bzw. die Nichtüberdeckungszeiten der sinusförmigen, gegebenenfalls in Rechteckkurven umgewandelten Größen der Differenzspannung A U und der Abbildspannung Uz mißt, und zwar z. B. dadurch, daß ihre Phasendifferenz in eine sägezahnförmige Spannung umgesetzt wird, deren Höhe ausgewertet wird, d. h. indem das Nichtüberdekkungs- bzw. Überdeckungszeitintegral erfaßt wird, weshalb die vorliegende Methode auch als integrierendes Phasenvergleichsmeßprinzip bezeichnet wird. Es wird also jeweils am Ende der Nichtüberdeckungszeit der Integrationsvorgang abgebrochen und die Spannung auf Null zurückgebracht, wobei die Spannung, die vor dem Rückführen vorhanden ist, in einem Schwellwertglied verglichen wird, das dann den Distanzentscheid auslöst, falls die Spannung eine bestimmte Schwelle überschreitet.

   Das vorstehend erläuterte Distanzmeßverfahren mit polygonalem Auslösegebiet arbeitet nur einwandfrei, wenn die von den Netzwandlern zugeführten Meßgrößen - Strom und Spannung - sinusförmig sind. Da der Distanzentscheid aus einer Zeitmessung zwischen den Nulldurchgängen der aufbereiteten Meßgrößen gebildet wird, wird die Phasenlage der Nulldurchgänge verschoben, wenn die Meßgrößen von periodisch nicht sinusförmigen Größen überlagert werden. Es können sogar bei ausreichender Amplitude dieser Größen zusätzliche Nulldurchgänge hervorgerufen werden. In solchen Fällen ist durch das verwendete Meßverfahren die genaue Distanzbestimmung nicht möglich. Die einfache Messung der Nichtüberdeckungszeit führt hier immer, unabhängig vom Fehlerort, zur Sperrung des Distanzmeßgliedes, da diese Zeit einem Winkel B, der kleiner als der Grenzwinkel ist, entspricht. Dieser falsche Entscheid kann zur unselektiven Abschaltung führen.