DE2647479C2

DE2647479C2 - Verfahren und Einrichtung zur Überwachung einer elektrischen Leitung auf Kurzschlüsse

Info

Publication number: DE2647479C2
Application number: DE2647479A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr.sc.math. Zürich Vitins
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1976-09-30
Filing date: 1976-10-21
Publication date: 1986-03-06
Also published as: IT1087723B; GB1590386A; US4179651A; DE2647479A1; SE7710752L; SE433404C; FR2366725A1; CH611467A5; SE433404B

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 = z_R 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 R_k den Wert x = z = Fehlerdistanz und am Leitungsende mit der Abschlußresistanz R₁. den Wert χ = x_c. Am Meßort x = 0 werden Leitungsstrom l'„ und Leitungsspannung £/,„ (komplex geschrieben) in Strom- bzw. Spannungssignale i_m 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 ■ i_m 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 = u_m + R · /,„ bzw. b = - u_m + R · i_m. Mit den komplexen Leitungsgrößen gilt entsprechend A! = Ü_m + R /_mundß = -U_n+R ■ l_m.

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 b_x, 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, ■ B_x+ 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 u_m und R ■ i_m einschließlich Integration von einer additiven Überlagerung angewendet werden können. Dies führt dann irn einfachsten Fall zu entsprechend aufgelösten Ausdrücken mit Strom- und Spannungsintegralen I_x, /₂, U_x, 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 A_x, A₂, B_x, 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. C_x · 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. B_x + 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 R_k in der Querresistanz R_n zusammengefaßt, was eine zulässige Vereinfachung darstellt. Außerdem ist angenommen, daß der Einfluß des Abschlusses R_e 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 = Ä_fund ζ = x_e) und den Leerlauffall (hier ist der kapazitive Charakter der Eingangsimpedanz und demgemäß eine gegenüber /_m nacheilende Meßspannung Ü_m 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

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Leitung auf Kurzschlüsse,

a) wobei aus Leitungsstrom und Leitungsspannung an einem Meßort (χ = 0) entsprechende Strom- bzw. Spannungssignale (i_m bzw. u_m) 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 ■ i_m, u„ bzw. i_m, u_m/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 ■ i_m, u_m bzw. i_m, 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 (i_m) als Bezugssignal verwendet wird und

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als auf das Spannungssignal («,„) bezogener Gewichtungsfaktor eine dem Kehrwert (1/Λ,,.) des Wellenwiderstandes (R_n) 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, u_m) 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 · /'„„ u_m) 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.