DE2647479C2 - Verfahren und Einrichtung zur Überwachung einer elektrischen Leitung auf Kurzschlüsse - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Überwachung einer elektrischen Leitung auf KurzschlüsseInfo
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Description
Die Erlindung bezieht sich auf Verfahren zur Überwachung
einer elektrischen Leitung auf Kurzschlüsse nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2
sowie auf eine Einrichtung zur Überwachung dieser Leitung auf Kurzschlüsse nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 9.
Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist dabei die Überwachung von Hochspannungsleitungen
in Energieübertragungsnetzen.
Kurzschlüsse in elektrischen Leitungen können z. B. durch Überwachung der Eingangsimpedanz eines Leitungsabschnitts
festgestellt werden, und zwar insbesondere des Realteils dieser Eingangsimpedanz, d. h. der
Eingangsresistanz. Bei extremen, aber unter Umständen noch zulässigen oder jedenfalls nicht wie ein Kurzschluß
zu behandelnden Belastungszuständen der Leitung kann jedoch die Eingangsresistanz in Werteberciche
geraten, die sich mit denjenigen des Kurzschlußfalles überlappen und daher eine genügend
sichere Kurzschlußdetektion einerseits oder aber die Vermeidung von unnötigen Abschaltungen andererseits
nicht mehr zulassen.
Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE-OS
24 40 234 bekannt ist. Dort werden zur Fehlerdistanzbcstimmung Wandlerwellensignale verwendet, wobei
Gewichtsfunktionen durch Multiplikation einer ersten und zweiten Wandlerwellenfunktion mit einem Cosinus-
bzw. Sinus-Signal einer vorgegebenen Referenz-Irequenz gebildet werden. Durch zeitliche Integration
dieser Gewichtsfunktionen werden Integralfunktionen gebildet, von denen die Fehlerortslage abgeleitet wird.
Hierbei werden unterschiedliche Phasenwinkel ausgewertet.
Aus der DE-AS 25 23 005 ist es bekannt, die Lokalisierung des Fehlerortes in bezug auf einen wählbaren
Rcferenzort im Abstand χ = zR vom Meßort vorzunehmen.
Die Festlegung des Referenzortes erfolgt durch Verschiebung der Integrationsintervalle für beide Fortpflanzungsrichtungen
der gegenläufigen Wanderwellcnsignale a(x, t) und b(x, t). Es wird die Auswertefunktion
F= Ad) - Bit) verwendet, mit
-j
α dt
b dt.
Es wird auch hier die gegenseitige Zeitverschiebung
bzw. Phasenlage der Wanderwellensignale ausgewertet.
Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1, 2 und 9 definiert ist, löst die Aufgabe, Verfahren und eine
Einrichtung zur Überwachung einer elektrischen Leitung auf Kurzschlüsse anzugeben, die sich im Vergleich
mit einer bloßen Eingangsresistanzüberwachung durch höhere Diskriminierung zwischen Kurzschlußzuständen
und extremen Belastungszuständea auszeichnet.
Wie noch im einzelnen gezeigt wird, lassen sich in der angegebenen Weise gebildete Amplitudenverhältnisse
- als eine der möglichen Arten von Ergebnisgrößen eines Amplitudenvergleiches - durch Kennlinien in
Abhängigkeit von der veränderlichen Fehler- oder Abschlußresistanz wiedergeben, die eine eindeutige
Unterscheidung zwischen Kurzschluß- und Betriebsbereich ermöglichen.
Die Erfindung wird weiter anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausfuhrungsbeispiele erläutert.
Hierin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines zu überwachenden Leitungsabschnitts mit dem Übersichtsplan
einer Kurzschluß-Überwachungsschaltung,
F i g. 2 bzw. 3 je einen Teil der Schaltung nach F i g. 1 in ausführlicher Darstellung,
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des zu überwachenden Leitungsabschnitts,
Fig. 5 bzw. 6 bzw. 7 je ein Zeigerdiagramm zur Veranschaulichung
der Wirkungsweise der Überwachungsschaltung im Kurzschluß bzw. im Betriebszustand bzw.
im Leerlaufund
F i g. 8 bzw. 9 bzw. 10 je ein Diagramm einer Amplitudenvergleichs-Kenngröße
und ihrer reziproken Größe in Abhängigkeit vom Verhältnis Eingangsresistanz zu Gewichtsresistanz von Strom und Spannung innerhalb
eines Hilfssignals.
Eine gedachte Längskoordinate χ eines zu überwachenden
Leitungsabschnitts 1 hat gemäß F i g. 1 am Leitungsanfang mit einer Meßstation 2 den Wert χ = 0,
am Fehlerort mit der Kurzschlußresistanz Rk den Wert
x = z = Fehlerdistanz und am Leitungsende mit der Abschlußresistanz R1. den Wert χ = xc. Am Meßort
x = 0 werden Leitungsstrom l'„ und Leitungsspannung £/,„ (komplex geschrieben) in Strom- bzw. Spannungssignale im bzw. !/„,umgesetzt, und zwar mittels Wandlern
Ib und la. Ein Multiplikator 3 führt eine relative Gewichtung zwischen Strom- und Spannungssignal ein,
hier z. B. durch Bildung von R ■ im entsprechend R ■ / m,
wobei R ein wenigstens annähernd phasendrehungsfreier bzw. reeller Gewichtungsfaktor mit der Dimension
einer Resistanz ist. In einer Summierschaltung mit Additionsglied 4 und Subtraktionsglied 5 entstehen
Hilfssignale a(0,t) und b(O,t), die dem Meßort x = 0
zugeordnet und mit der Zeit t veränderlich sind, und zwar a = um + R · /,„ bzw. b = - um + R · im. Mit den
komplexen Leitungsgrößen gilt entsprechend A! = Üm +
R /mundß = -Un+R ■ lm.
Es schließt sich eine Vergleichsschaltung l\ an, in der
ein Amplitudenvergleich zwischen einem Hilfssignal und einem Bezugssignal vorgenommen wird. Hierbei
dient beispielweise eines der Hilfssignale als Bezugssignal für das andere, etwa α als Bezugssignal für b. Statt
dessen kann über einen strichpunktiert angedeuteten
Kanal mit einem Übertragungsglied 4a, etwa einem geeigneten Verstärker, das Stromsignal /m selbst oder
ein stromproportionales Signal als Bezugssignal herangezogen werden.
Die Vergleichsschaltung 11 umfaßt eine Integrationsschaltung 6 zur Bildung von Zeitintegralen A], A2, B],
B2, die angenähert Fourierkomponenten der komplexen
Größen A und B mit einer vorgegebenen Frequenz aus dem Spektrum der entsprechenden Zeitsignale, vorzugsweise
von Netzfrequenz, darstellen und in einer Multiplikations- bzw. Quadrier- und Summierschaltung
6 a zu amplitudenkonformen Größen überlagert werden. Es schließt sich ein Vergleicher 7 an, z. B. Quotientenbildner,
mit dem Vergleichssignal F am Ausgang, das in einer Grenzwertschaltung 12 mit zwei Grenzwertschaltern
8 und 9 weiterverarbeitet wird. Eine Logikschaltung 10 faßt die Ergebnisse zusammen, ζ. Β. ίο
so, daß am Endausgang H dann und nur dann ein Signal ansteht, wenn das Vergleichssignal F zwischen den
Grenzwerten C\ und C2 liegt.
Die Integrationsschaltung 6 umfaßt gemäß Fig. 2 einen Satz 75 von Integratoren mit zugeordneten Eingangskontakten
eines Relais 76 zur Bestimmung der Integrationsintervalle mit einem der Integrationsdauer
Tentsprechenden Zeitglied 77 und einem Taktgeber 78. Im Sinne einer Korrelationsfilterung zur Gewinnung
von orthogonalen Komponenten werden α und b paarweise
mit periodischen, gegeneinander zeitlich versetzten Gewichtsfunktionen multipliziert, die aus Generatoren
73 a, 73 b mit entsprechend paarigen Ausgängen entnommen und zusammen mit α bzw. b Multiplikatoren
71 α,, 71 a2, 71 bx, 71b2 zugeführt werden. Im Beispielsfall
ist außerdem noch eine Zeitverschiebung zwischen den Gewichtsfunktionen für α und b eingeführt,
und zwar mittels eines Zeitgliedes 72. Dieses dient der Einführung einer Referenz-Phasenverschiebung zwischen
A und B für Zwecke einer zusätzlichen Phasen- und Fehlerdistanzdetektion. Die Zeitverschiebung für
die Bildung von orthogonalen Komponenten kann im übrigen auch durch Zeitverzögerungsglieder 74O1,
74 a2,74 A1,74 ö2 in den Signalkanälen von α und b eingeführt
werden.
Zur Verdeutlichung der Zuordnung von Fig. 2 und 1 dienen die angedeuteten Schnittstellen M-M und N-N
der Integrationsschaltung.
Außerdem ist in Fig. 2 ein Phasendetektor 79 angedeutet,
der eine Multiplikationsschaltung 79 α sowie ein Additionsglied 796 und eine Auswerteschaltung Ph
umfaßt. Es wird hier z. B. ein Ausdruckt, ■ Bx+ A2- B2
gebildet, dessen Vorzeichen Aufschluß über annähernde Gleich- oder Gegenphasigkeit von A und B
gibt.
Es versteht sich im übrigen, daß anstelle der Komponenten
von A und B nach relativer Gewichtung und Bildung von a, b auch entsprechende Operationen mit um
und R ■ im einschließlich Integration von einer additiven
Überlagerung angewendet werden können. Dies führt dann irn einfachsten Fall zu entsprechend aufgelösten
Ausdrücken mit Strom- und Spannungsintegralen Ix, /2,
Ux, U1 und wiederum dem Gewichtungsfaktor/? inTermen
R ■ /, bzw. R ■ I2. Letztere treten ohnehin bei Verwendung
von Stromsignalen als Bezugssignal für den Amplitudenvergleich auf.
Die in Fig. 3 angedeutete Quadrier- und Summierschaltung
6a, der die Zeitintegrale Ax, A2, Bx, B2 bzw.
sinngemäß nach vorstehender Bemerkung statt jeweils zweier dieser Hilfssignalintegrale die Stromsignalintegrale
/,, I2 zugeführt werden, bildet die Amplitudengrößen A und Br bzw. I2. Diese werden in der Vergleichsschaltung
7 einem Quotientenbildner 70 zugeführt, dessen Ausgang das bereits erwähnte Vergleichssignal F
liefert. Statt der Quotientenbildung können die bereits erwähnten Grenzwerte C1 und C2 auch in den angedeuteten
Multiplikatoren bei A1 eingeführt werden, wobei anschließende Summierglieder die nur noch auf ihr Vorzeichen
zu überwachenden Ausdrücke B2 - C2- A2 bzw.
Cx · A2 - B2 bilden. Einfache Null-Grenzwertschaltcr
Sa und 9 β sind für diese Vorzeichenüberwachung vorgesehen.
Der Bildung der Amplitudengrößen liegen die Ausdrücke
A2 + A2 bzw. Bx + B\ bzw. I2 +12 zugrunde, wie
sich aus dem Schaltungsaufbau ohne weiteres ergibt.
Zur weiteren Erläuterung wird auf das Ersatzschallbild
des zu überwachenden Leitungsabschnitts gemäß Fig. 4 zurückgegriffen. Danach sind die Leitungsverluste
in Form einer zusätzlichen Komponente R, mit der Kurzschlußresistanz Rk in der Querresistanz Rn zusammengefaßt,
was eine zulässige Vereinfachung darstellt. Außerdem ist angenommen, daß der Einfluß des
Abschlusses Re auf die Verhältnisse im Leitungsabschnitt
χ = 0 bis χ = ζ vernachlässigbar gering ist. Dies ist durch die angedeuteten Trennstellen hinter χ = ζ
veranschaulicht. Für die Längsimpedanz der Leitung verbleibt dann die Reaktanz X0 = ω zU mit dem Induktivitätsbelag
L, und für die Eingangsimpedanz gilt Z0 = Rq + jX0-
Damit ergeben sich für die komplexen Hilfssignale A und B die Zeigerdiagramme gemäß Fig. 5, 6 und 7
jeweils für den Kurzschlußfall, den Betriebsfall (hier wird A0 = Äfund ζ = xe) und den Leerlauffall (hier ist der
kapazitive Charakter der Eingangsimpedanz und demgemäß eine gegenüber /m nacheilende Meßspannung
Üm zu berücksichtigen, wobei der Betrag von / „, außerdem
sehr klein wird).
Fig. 5 zeigt, daß für das Verhältnis der Hilfssignalamplituden wegen der geringen Phasenwinkel zwischen
A und B bzw. /m in guter Näherung mit den zu /„,
gleichphasigen Komponenten gerechnet werden kann. Gleiches gilt für das Amplitudenverhältnis Hilfssignal/
Stromsignal. Für die Verhältnisse nach Fig. 6 gilt dies zwar an sich nicht mehr, jedoch wird der entsprechende
Quotient ohnehin sehr groß oder sehr klein. F i g. 7 zeigt endlich, daß die Hilfssignale im Leerlauf annähernd
gegenphasig werden, im Gegensatz zu der annähernden Gleichphasigkeit im Kurzschluß. Das kann zu einem
zusätzlichen Phasenvergleich zwecks Unterscheidung von Kurzschluß und Leerlauf ausgenutzt werden (siehe
den Phasendetektor in der Schaltung nach F i g. 2).
Nach den Funktionen der verschiedenen Amplitudenverhältnisse gemäß Fig. 8 bis 10, die sich unter
Berücksichtigung der Verhältnisse in den Zeigerdiagrammen nach Fig. 5 bis 7 ergeben, läßt sich der
Bereich der Betriebsfälle in der Umgebung von Rq/R = 1 in jedem Fall durch Grenzwertprüfungen eindeutig
von Kurzschluß und Leerlauf unterscheiden. Für die Funktionen B/A und A/B ist dies mit je einem
Grenzwert G1 bzw. G2 möglich, wobei aber noch eine
Unterscheidung zwischen Leerlauf mit R0ZR
> 1 und Kurzschluß mit R0ZR = 0 durch zusätzliche Phasendetektion
erforderlich ist. Gleiches gilt für B/I gemäß Fig. 9, jedoch erlaubt die Funktion I/B mit zwei Grenzwertprüfungen
eine eindeutige Unterscheidung des Kurzschlußfalles gegenüber dem Betriebsfall und
gegenüber Leerlauf. Dies gilt auch für die Funktionen Λ/7und I/A gemäß Fig. 10, jedoch grundsätzlich sogar
unter Zuhilfenahme nur eines Grenzwertes G1 bzw. G4.
Im übrigen kann durch geeignete Wahl des Gewichtungsfaktors R die Annäherung der Zeiger Afund B bzw.
/ an Gleichphasigkeit im Sinne der vorstehenden Vereinfachung je nach Anwendungsfall beeinflußt werden.
Die Wahl von R gleich der (als reell angenommenen) Wellenimpedanz R „. der Leitung hat andererseits den
besonderen Vorteil, daß die Zeitverläufe von a (Q, ι) und
MO,/) unter Berücksichtigung von Oberschwingungen und Transienten einander ähnlicher werden. An die
Güte der Filterung, z. B. Korrelationsfilterung, zur
Gewinnung von Amplitudensignalen einer vorgegebenen Frequenz brauchen dann weniger hohe Anforderungen
gestellt zu werden. Dies gilt insbesondere auch im Hinblick auf die mehr oder weniger vollständige
Kompensation der Zeitverschiebung zwischen den I lilfssignalcn, wie /.. B. mittels des Zeitgliedes 72 innerhalb
der Integrationsschaltung realisiert werden kann (siehe Fig. 2). Bei somit annähernd kongruenten Zeitvcrliiufcn
von α und b nähert sich das Amplitudenverhältnis
A/B sogar für starke Oberschwingungsanteile der Müfssignale im Kurzschlußfall wieder dem Wert 1,
entfernt sich also jedenfalls von dem vorgegebenen Grenzwert zwischen Betriebs- und Kurzschlußbereich.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
20
30
40
45
50
J5
«0
«5
Claims (12)
1. Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Leitung auf Kurzschlüsse,
a) wobei aus Leitungsstrom und Leitungsspannung an einem Meßort (χ = 0) entsprechende
Strom- bzw. Spannungssignale (im bzw. um) gebildet
werden,
b) wobei diese Strom- und Spannungssignale durch Multiplikation mindestens eines dieser
Signale mit einem wenigstens annähernd phasendrehungsfreien Gewichtsfaktor (R bzw.
1/Ä) relativ zueinander gewichtet werden und
c) wobei mindestens zwei Hilfssignale (a, b) gebildet
werden, die der Summa oder Differenz je eines Paares νοα relativ zueinander gewichteten
Strom- und Spannungssignalen (R ■ im, u„
bzw. im, um/R) entsprechen,
dadurch gekennzeichnet,
d) daß ein Amplitudenvergleich zwischen einem der Hilfssignale (a, b) und einem Bezugssignal
durchgeführt wird,
e) daß bei dem Amplitudenvergleich jeweils das andere Hilfssignal (b, a) als Bezugssignal verwendet
wird und
daß in Abhängigkeit vom Überschreiten mindestens eines vorgebbaren Grenzwertes (Q,
C2) für den Differenzbetrag der verglichenen
Signale bzw. für ein im Amplitudenvergleich erzeugtes Vergleichssignal (F) ein Kurzschlußsignal
(H) erzeugt wird.
2. Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Leitung auf Kurzschlüsse mit den Merkmalen a) und
b) des Anspruchs 1 und
40
c) wobei mindestens ein Hilfssignal (a bzw. b) gebildet wird, das der Summe oder Differenzje
eines Paares von relativ zueinander gewichteten Strom- und Spannungssignalen (R ■ im, um
bzw. im, u,„/R) entspricht,
dadurch gekennzeichnet,
d) daß ein Amplitudenvergleich zwischen dem mindestens einen Hilfssignal (a, b) und einem
Bezugssignal durchgeführt wird,
e) daß bei dem Amplitudenvergleich ein Stromsignal (im) als Bezugssignal verwendet wird und
daß in Abhängigkeit vom Überschreiten mindestens eines vorgebbaren Grenzwertes (Q,
C2) für den Differenzbetrag der verglichenen
Signale bzw. für ein im Amplitudenvergleich erzeugtes Vergleichssignal (F) ein Kurzschlußsignal
(H) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als auf das Spannungssignal
(«,„) bezogener Gewichtungsfaktor eine dem Kehrwert
(1/Λ,,.) des Wellenwiderstandes (Rn) der elektrischen
Leitung wenigstens annähernd entsprechende Größe verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quotient aus Hilfssignal
und Bezugssignal gebildet und ein entsprechendes Quotientensignal mit mindestens einem Grenzwert
verglichen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß fur jedes Hilfssignal und
Bezugssignal zwei zeitlich gegeneinander versetzte Zeitintegrale (Ay, A2; By, B2; Iy, I2) gebildet und in
quadratischer oder multiplikativer Verknüpfung additiv überlagert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Amplitudenvergleich einerseits
die Summe der Quadrate zweier Zeitintegrale (B] + B2) eines Hilfssignals (*) und andererseits die
Summe der Quadrate zweier Zeitintegrale (A} + A \
bzw. l\ +1\) gebildet wird und daß die beiden Quadratsummen,
gegebenenfalls nach Multiplikation mit einem Grenzwertfaktor, einem Größenvergleich
unterzogen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitintegrale der Hilfssignale und/
oder Bezugssignale in Form von relativ zueinander gewichteten und additiv bzw. subtraktiv verknüpften
Zeitintegralen (U, R ■ I) der Strom- und Spannungssignale (/"m, um) gebildet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Phasendifferenz
zwischen einem Hilfssignal und einem Bezugssignul mit einem Grenzwert verglichen wird.
9. Einrichtung zur Überwachung einer elektrischen Leitung auf Kurzschlüsse, umfassend
a) eine Meßstation (2) mit Meßeinrichtungen für Leitungsstrom und Leitungsspannung,
b) Wandler (2 β, Ib) zur Umsetzung dieser Größen
in Strom- und Spannungssignalc (/„„ «„,),
c) eine wenigstens annähernd phasendrehungsfrei wirkende Multiplikations- oder Divisionsschaltung (3) zur Gewichtung von Strom- und
Spannungssignalen relativ zueinander,
d) eine Additions- oder Subtraktionsschaltung (4, S) zur Verknüpfung von gewichteten Strom-
und Spannungssignalen, welche Schaltung mit dem Ausgang der Multiplikations- oder Divisionsschaltung
in Wirkverbindung steht,
e) einen Bezugssignalgeber mit einer additiven Verknüpfungsschaltung (4) an dem uusgangsseitig
ein Bezugssignal abgreifbar ist,
0 eine Vergleichsschaltung (11) für die Durchführung
eines Amplitudenvergleichs zwischen einem Hilfssignal (a, b) und einem Bezugssignal (i„, a), welche eingangsseitig mit der
Additions- oder Subtraktionsschaltung in Wirkverbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
g) daß der Bezugssignalgeber eingangsseitig an relativ zueinander gewichtete Strom- und Spannungssignale
(R · /'„„ um) dieser Meßstation (2)
angeschlossen ist und
h) daß ein Grenzwertschalter (8,9) vorgesehen ist,
der eingangsseitig mit der Vergleichsschaltung in Wirkverbindung steht und an dem ausgangsseitig
ein Kurzschlußsignal (H) anliegt, wenn mindestens ein vorgebbarer Grenzwert (C|, C>)
überschritten ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugssignalgcbcr ein
Stromsignal-Übertragungsglied (4 a) vorgesehen ist.
11. Γ.inrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung (11) eine Schaltung (6,6 a) zur Bildung von Amplitudensignalcn
und einen Quotientenbildner (7) aufweist und ausgangsseitig an mindestens einen Grenzwertschallcr
(8, 9) angeschlossen ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Bildung von
Amplituücnsignalen für jedes Eingangssignal
wenigstens 2 Zeitintegratoren aufweist.
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