DE2659840C3 - Vorrichtung zur elektrischen Leitungsdistanzmessung für Distanzschutzeinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf f-ne Vorrichtung 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 Größe...

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. DE-AS 24 12 792, auf die hier nicht näher eingegangen zu werden braucht

Zum Herleiten des Entfernungskriteriums ist es bekannt, eine polygonale Auslösecharakteristik vorzusehen (Siemens-Zeitschrift 45 (1971), 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 / 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 od. dgl., eine Abbildspannung Uz gewonnen, die bei unverzerrtem Sekundärstrom diesem um den Winkel & voreilt. In dem Diagramm ist weiterhin eine der Leitungsspannung U₁. proportionale Größe eingetragen, der der Leitungsbzw, Kurzschlußwinkel γ zugeordnet ist. Im Falle eines Lichtbogenkurzschlusses addiert sich zu dieser Spannung die Lichtbogenspannung. Durch den Vektor der Abbildspannung Uz ist der Eckpunkt fldes Auslösegebietes bestimmt Zwei Auslösegrenzen sind in bekannter Weise durch Vektoren Vt, V2 vorgegeben. Die Entfernung A B entspricht der zu schützenden Leitungsstrecke.

Zwischen der Abbildspannung Uz und der Leitungsspannung Ui wird eine vektorieüe Differenzspannung

ίο AU gebildet Das Auslösekriterium wird von einem Winkel α' zwischen A L/und i/zabgeleitet Oberschreitet κ' den durch Vt festgelegten Grenzwinkel «, d. h. den sogenannten Kippunkt, so erfolgt keine Auslösimg. Unterschreitet dagegen et' den Grenzwinkel ot, dann

is wird ausgelöst Da sich eine Winkelvergrößerung in der

Praxis besser bestimmen läßt, werden zweckmäßig die Komplementärwinkel ß, ß' also (180° -cc) und (180°

—«') verwendet

Schaltungstechnisch wird der Auslösewinkel be-

stimmt indem man die Oberdeckungszeiten bzw. die Nichtüberdeckungszeiten der sinusförmigen, gegebenenfalls in Rechteckkurven umgewandelten Größen der Differenzspannung AU 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. Überdeckungszeitintegrcd 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 Distanzent- scheid auslöst falls die Spannung eine bestimmte Schwelle überschreitet

Das vorstehend erläuterte Distanzmeßverfahren mit polygonalem Auslösegebiet arbeitet nur einwandfrei, wenn die von den Netzwandlein zugeführten Meßgrö- Ben — 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

so einfache Messung der Nichtüberdeckungszeit führt hier immer, unabhängig vom Fehlerort zur Sperrung des Distanzmeßgliedes, da diese Zeit einem Winkel ß, der kleiner als der Grenzwinkel ist entspricht Dieser falsche Entscheid kann zur unselektiven Abschaltung führen.

Eine periodisch nichtsinusförmige Meßgröße wird z. B. vom Lichtbogen verursacht Aufgrund der nichtlinearen Widerstandscharakteristik des Lichtbogens ist die Spannung bei sinusförmigem Kurzschlußstrom annähernd rechteckförmig. Bei Lichtbogenfehlern tritt daher eine Überlagerung der sinusförmigen Leitungs= spannung, die dem Abfall auf der Leitungsimpedanz entspricht, mit der rechteckförmigen Lichtbogenspannung auf. Dieser gestörte Spannungsverlauf wird also dem Distanzmeßglied zugeführt

Wenn der K.urzsphlußstrom auf der Leitung sehr groß ist, kann der Netzstromwandler gesättigt werden. Der Sekundärstrom wird entsprechend der Magnetisie-

rungskennlinie stark verformt. Der Verlauf der dem Distanzmeßglied zugeführten Stromgröße ist daher nicht mehr sinusförmig.

In dem deutschen Patent 2615 556 wird ein Distanzmeßglied vorgeschlagen, das so ausgebildet ist, daß die u.a. aufgrund der obengenannten Effekte fehlerhafte Distanzbestimmung kompensiert werden kann, und zwar dadurch, daß alle Nichtüberdeckungszeiten, die während einer Halbwellendauer der Abbildungsgröße auftreten, aufsummiert werden.

Trotz der Kompensation bei Lichtbogenfehlern und der Verringerung der Rücknahme des Meßbereiches bei Wandlersättigungen können durch die Integration der Nichtüberdeckungszeitep während einer Halbwelle noch nicht alle die Distanzbestimmung fehlerhaft beeinflussende Effekte aufgefangen werden.

So tritt bei Gleichstromgliedern mit hohen Zeitkonstanten eine Meßbereichsveränderung auf. Diese Gleichstromglieder entstehen z. B. dadurch, daß im ungünstigsten Fehleraugenblick — Fehlerbeginn bei Nulldurchgang der treibenden Spannung — Ausgleichsvorgänge auftreten, deren Abklingzeitkonstarten durch das Verhältnis von Induktivität und Widerstand im Netz bestimmt werden. Auch hierbei sind die dem Distanzmeßglied zugeführten Meßgrößen nichtsinusförmig. Untersuchungen haben gezeigt, daß dabei sich die für den Distanzentscheid benötigte Differenzspannung Δ U aufgrund des auftretenden Gleichspannungsanteils verlagert Wenn der Leitungswinkel im Bereich der Phasenlage der Größe der Abbildspannung Uz liegt, dann kann sogar aufgrund der starken Verlagerung die Differenzgröße nicht mehr durch Null gehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs so aufzubauen, daß der fehlerhafte Einfluß der Gleichstromglieder vermieden wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches.

Durch die Zusatzgröße c · 4^ läßt sich der Einfluß

dt

der Gleichstromglieder weitgehend kompensieren. Diese Zusatzgröße verkleinert Ul und vergrößert Δ U, wodurch der Verlagerung entgegenwirkt bzw. Nulldurchgänge gegebenenfalls erzeugt werden.

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Air.führungsbeispieles fiäher erläutert Es zeigt

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung gemäß der Erfindung,

F i g. 3 ein Ersatzschaltbild der Spannungseingangsschaltung nach F i g. 2,

Fig.4 ein Ersatzschaltbild des Stromwandlers in Fig. 2,

F i ρ 4a das Zeigerdiagramm der Schaltung nach Fig. 4.

F i g. 5 den Wandler-Stromverlauf bei sinusförmigen Größen.

Die Spannungseingangsschaltung 1 in F i g. 2 besteht aus einer induktiven Spannungswandlergruppe. Damit wird die Meßgröße aus dem Netzspannungswandler zur weiteren Verarbeitung im Distanzmeßglied noch einmal heruntertransformiert In F i g. 3 ist das Ersatzschaltbild der Spannungseingangsschaltung 1 zu sehen.

Die Hauptinduktivität wird durch Lh und die Bürde auf der Sekundärseite durch Rb nachgebildet. Zur Vereinfachung der Detrachtung wird ein ÜbertragungsSpannungen auf der Primär- und Sekundärseite beideuten. Die Streuinduktivitäten und Kupferverluste werden in· Ersatzschaltbild durch Ls und Rv erfaßt Usn die Eisenverluste zu berücksichtigen, wird parallel zu der Hauptinduktivität L» ein Widerstand Rfe geschaltet, der wegen der geringen Verluste hochohmig ist

Dem Ersatzschaltbild ist zu entnehmen, daß schnelle Spannungsänderungen durch die Anstiegzeitkonstante

verzögert übertragen werden. Da aber das Verhältnis der Streuinduktivität zu den Widerständen sehr klein ist

is 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 Abfallzeitkonstante

T* -*_ ff s_

in der Größenordnung von einigen Sekunden liegt

Für die Stromeingangsschaltung 2 nach F i g. 2 werden widerstandsbeschaltete Transaktoren verwendet, mit denen der eingeprägte Strom Jw aus dem Netzstromwandler in eine stromproportionale Abbildspannung Uz umgewandelt wird. Die vereinfachte Ersatzschaltung ist in Fig.4 dargestellt Hier werden die Streuinduktivitäten und Kupferverluste vernachlässigt Die stromproportionale Abbildspannung Uz ist mit dein Spannungsabfall am Widerstand' Rb identisch.

Daineben ist in F i g. 4a das Zeigerdiagramm der Ströme bei sinusförmigen Eingangsgrößen zu sehen. Der Strom über den Widerstand R_B beträgt

verhältnis

= 1 g^f ν ählt, wobei U\ und Ui die ^KB = J W ' COS β

und der Magnetisierungsstrom J_M der Hauptinduktivitdt L₁₁

J_M = J_w ■ sin 0 .

Für schnelle Stromänderungen, die bei Sättigung des

Netzstromwandlers auftreten, ist die Änderung der stromproportionalen Abbildspannung Uzdev Änderung des Stromes Jrb proportional. Nach dem Kirchhoff-Satz

so ist die allgemeine Form des Widerstandsstromes

Jrb — Jw — Jμ ■

W,nii der Netzstromwandlcr 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 der· negativen Wert des Magnetisierungsstromes ändern.

Danach klingt der Widerstandsstrom mit der Zeitkonstarten

^{Tw =} W ■ tan 0

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 Fig. 5 sind die Verläufe der Ströme jw, Irb und des Magnetisierungsstromes Jm bei sinusförmigen Größen zu sehen. Dabei wird der Magnetisierungsstrom mit negativem Vorzeichen dargestellt.

Zurück zu Fig. 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 Uz an eine Summierungsstelle 5, an der sie von der ebenfalls anliegenden Leitungsspannung Ui. vektoriell subtrahiert wird. Die Differenz AU (vgl. Fig. I) gelangt auf eine Stufe 4, die ebenfalls Rechtecksignale erzeugt.

Zur Summenbildung von Nichtüberdeckungszeiten dienen zunächst ein Exklusives-ODER-Gatter, (eine Antivalenzschaltung), das die Nichtüberdeckungszeiten 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 entsprechenden Signale aufsummiert. Der Integrator 7 wird vorzugsweise bei jedem Nulldurchgang der Größe von t/^oder bei einer gleiche Vorteile bringenden Zeit zurückgestellt. Hierzu gibt ein Impulsformer 10 bei jedem Nulldurchgang der Größe von Uz über einen Nullindikator 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.

Von der dargestellten Schaltung nach F i g. 2 mit dem Prinzip der Aufsummierung von Nichtüberdeckungszeiten geht die Erfindung zweckmäßig aus. Neben den j durch diese Aufsummierung bedingten Vorteilen, daß bei Fehlerorten innerhalb des Meßbereiches bei Lichtbogenfehlern eine unendlich größere Lichtbogenkompensation erhältlich ist und gleichzeitig bei Wandlersättigungen die Rücknahme des Meßbereiches ίο wesentlich verringert werden kann, läßt sich auch eine geringere Meßbereichserweiterung bei Gleichstromgliedern mit hoher Zeitkonstante erzielen, indem gemäß Fig. 2 der Summierungsstelle 5 eine von der Stufe 11 abgeleitete Größe zugeführt wird, die proportional dem

'' Ausdruck-p ist. Untersuchungen haben gezeigt, daß sich die für den Distanzentscheid benötigte Meßgröße A U aufgrund des auftretenden Gleichspannungsanteils verlagert. Wenn der Leitungwinkel im Bereich der Phasenlage der Größe Uz liegt, dann kann sogar aufgrund der starken Verlagerung die Differenzgröße nicht mehr durch Null gehen. Durch die Zusatzgröße

c ■ -— läßt sich dieser Einfluß weitgehend kompensiert ren. Diese Zusatzgröße verkleinert, wie die F i g. 1 zeigt, Ui. und vergrößert AU, wodurch der Verlagerung entgegengewirkt bzw. Nulldurchgänge gegebenenfalls erzeugt wenden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur elektrischen Leitungsdistanzmessung für Distanzschutzeinrichtungen nach dem integrierenden Phasenvergleicbsmeßprinzip mit polygonalem Auslösegebiet, bei dem die Differenzspannung aus einer aus der Leitungsspannung abgeleiteten Größe und einer aus dem Leitungsstrom abgeleiteten Größe (Abbildungsgröße) gebildet wird und die Nichtüberdeckungszeit zwischen der Abbildungsgröße und der Differenzspannung ermittelt und zum Distanzentscheid durch Vergleich mit einem Schwellwert ausgewertet wird, 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 Nicht-Qberdeckungszeiten proportionalen Spannung und einem Schwellwertglied zur Auswertung der Integratorspannung, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differenzglied (Sammierungsstelle 5) zusätzlich eine dem Stromdifferentialquotienten ( —'"^proportionale Spannung zugeführt ist \atj