DE2735756A1

DE2735756A1 - Verfahren und vorrichtung zur erdschlussrichtungsbestimmung in kompensierten netzen

Info

Publication number: DE2735756A1
Application number: DE19772735756
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Ing Hauser; Hendro Dipl Ing Rijanto
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1977-08-09
Filing date: 1977-08-09
Publication date: 1979-02-22

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erdschluß-
richtungsbestimmung in kompensierten Netzen.
Zur Versorgung von Industrie, Gewerbe und Haushalt mit elektrischer Energie sind zwischen den Kraftwerken und den Verbrauchern umfangreiche Leitungsnetze erforderlich. Aufgabe der Betriebsführung ist es u.a., zur Sicherstellung der Energielieferung an die Verbraucher Fehler an diesen Eirrichtungen möglichst zu vermeiden bzw. seine Auswirkungen auf ein Minimum zu beschränken.
Statistiken seiten nun, daß der weitaus häufigste Fehler die Zorstörung oder Überbrückung der Isolation eines Leiters gegen Erde ist. Auch mehrphanige Fehler haben oft ihren Ursprung in Erdschlüssen. Es ist daher verständlich, daß seit jeher der Bekämpfung des Erdschlusses große Aufmerksamkeit gewidmet wurde.
Als Mittel zur Verminderung der Auswirkungen eines Erdschlusses hat sich die Erdschlußkompensation durch Petersenspulen in Mittel-und Hochspannungsnetzen siet Jahrzehnten bestens bewährt. Nur Freileitungsnetze geringeren Umfanges können mit freiem Sternpunkt betrieben werden.
Bei Anwendung der Erdschlußkompensation ist der größte Teil aller Erdschlüsse vorübergehender Natur, da Lichtbogen-Erdfehler durch die Petersenspule innerhalb weniger Perioden gelöscht werden. Auch Dauererdschlüsse miissen nicht zu Betriebsunterbrechungen führen, da die Fehlerstelle bei genauer Kompensation, abgesehen von einem geringen Reststrom, bestehend aus der Wattkomponente des Erdschlußstromes und Oberwellenanteilen, thermisch nicht beansprucht wird.
Selbst relativ hohe Erdübergangswiderstände führen zu keinen gefährlichen Berührungs-oder Schrittspannungen.
Bei Erdschluß nehmen die fehlerfreien Leiter die Dreieckspannung gegen Erde an. Hierdurch wird die Isolation der gesunden Leiter gegen Erde über das im ungestörten Betrieb vorhandene Maß hinaus beansprucht, so daß es in größeren Netzen, besonders bei länger andauernden Erdschlüssen zu Doppelerdschlüssen, d.h.
zu einem zweiten Erdschlß auf einem der bisher gesunden Leiter an einer Stelle kommen kann, deren Isolationsfestikeit bereits vor Auftreten des ersten Erdschlusses geschwächt war. Zwischen den beiden Erdschlußpunkten fließt dann der Erdkurzschluf?stror, der von Netzschutz durch Heraustrennen einer der beiden vom ErdschluR betroffenen Leitungen beseitigt werden muß. Um derartige Betriebsstörungen, die oft m.t einer Unterbrechun der Energielieferung an die Verbraucher verbunden sind, möglichst einzuschränken, hat die Betriebsführung großes Interesse daran, einen Erdschluß schnell zu finden und durch geeignete Schalt maBnahmen in möglichst kurzer Zeit aus den Netz herauszitrennen.
Aufgabe eines Netz-Erdschlußrichtungsrelais ist daher die Anzeige des fehlerhaften Leitungsstückes als Grundlage für die Entscheidung über die vorzunehmenden Schaltmaßnahmen.
Bei nichtkompensicrten Netzen kann die Erdschlußrichtungsbestimmung verhältnismäßig einfach und eindeutig aus der Phasenlage des Erdschlußstromes in Bezug auf die treibende Spannung mittels sogenannten 50 Hz-Blindleistungs-Richtungsrelais erfolgen.
In kompensierten Netzen ist die Erdschlußrichtungsbestimmung insofern schwierig, als der kapazitive Erdschlußstrom an der Erdschlußstelle durch den induktiven Spulenstrom kompensiert wird. Das einzige Kriterium für die Erdschlußrichtungsbestimmung ist der "Wattreststrom", der durch die Ableit-und Spulenverluste hervorgerufen wird. De die Verluste im Netz klein gzhalten werden, ist der Wattreststrom entsprechend klin. Itrn die Erdschlußrichtung exakt bestimmen zu können, müssen daher die Spannungs-und Stromwandler eine hohe Mcßgenauigkeit aufweison, dch. es ist im Vergleich zu dn Elindleistungs-Richtungsrelais ein schr viol empfindlicheres Wirkleistungs-Rictungsrelais notwendig.
Es ist jedoch auch ein Erdschlußrichtungsrelais fiir kompensierte Netze bekannt (Techn. Mitteilungen der AEG-Telefunken 61 C 1971/5, Seite 265-267), das nicht den Wattreststrom (Wirkstrom) erfaßt, sondern auf den einfacheren Blindleistungs-Richtungsprinzip aufgebaut ist. Dieses Relais ist so aufgebaut, daß es die Blindleistungsrlchtung des Nullsystems der 5.Harmonischen der Netzfrequenz erfaßt, die ja von den Petersen-Spulen nicht mitkompensiert wird und sich daher auch in kompensierten Netzen nach den gleichen Gesetzmäßigkeiten verteilt wie die grundfrequente 50 Hz-Schwingung im nichtkompensierten Betrieb.
Dieses bekannte Blindleistungs-Richtungsrelais ist somit nicht auf die Grundschwingung (50 Hz) sondern auf eine höhere Frequenz, z.B. auf die 5-Harmonischer., abgestimmt.
In jüngerer Zeit sind jedoch die Anforderungen an die Oberschwingungkompensation der Mittelspannungsnetze immer stärker geworden. Diese Kompensation ist inzwischen so gut geworden, daß die Oberschwingung als Kriterium für einen Netzzustand praktisch nicht mehr zur Verfügung stehen. Man war daher hinsichtlich der Erdschlußrichtungsbestimmung in kompensierten Netzen wieder allein auf die Wirkleistungs-Richtungsrelais angewiesen.
Die Erfindung hat sich ausgehend von dem bekannten Verfahren zur Erdschlußrichtungsbestimmung ir, kompensierten Netzen durch Auswertung der Phasenlage von Spannungen und Strömen höherer Frequenz als die Netzfrequenz mit einem Blindleistungs-Richtungsrelais die Aufgabe gestellt, das Verfahren so auszubilden, daß es auch in oberschwingungsfreien Netzen durchgeführt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß die höhere Frequenz dem Netz von außen als netzframde Tonfrequenz aufgeprägt wird.
Die Erfindung beschreibt somit ein.e Erdschlußrichtungsbestiminung mit netzfremder Frequenz. Da die eingeprägte Frequenz höher als die Netzfrequenz ist, tritt keine Kompensstion des erzeugten kapazitiven Stromes mehr auf. Aus der Phasenlage der nct-zfrenden Größen, Strom und Spannung, kann dann die Erdschlußrichtung eindeutig bestimmt werden. Damit entfällt die Forderung nach der hohen fleßgsnauigkeit der Spannungs-und Stromwandler. Zur Erdsclußrichtungsbestimmung kann dann.
ein bekanntes Blindleistungs-Erdschlußrichtungsrelais, das auf höhere Frequenzen als Netzfrequenz anspricht, eingesetzt werden. Mit Vorteil ist eine einphasige Einspeisung der Tonfrequenz möglich.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen: Figur 1 ein kompensicrtes Netz, bei dem der Kompensationsspule ein Tonfrequenzgenerator parallel geschaltet ist, Figur la ein Zeigerdiagramm für das Netz nach Figur 1 bei einem Erdschluß, Figur Ib das entsprechende Zeigerdiagramm bei ungestörtem Betrieb, Figur 2 Ersatzschaltbilder für die theoreti-und Figur 3 sche Betrachtung des Netzes nach Figur i, Figur 4 den Aufbau eines Filters, mit dem der Tonfrequenzgenerator an das Netz ankoppelbar ist, Figur 5 ein Winkel-und Leistungsdiagramm für und Figur 6 ein Ausführungsbeispiel.
Das Prinzip der Erdschlußrichtungsbestimmung mit netzfremder Frequenz ist aus Figur 1 zu ersehen. Das Netz 1 wird über einen Transformator 2 mit der Induktivität LTR eingespeist.
Der Stcrnpunk.t 3 des Transformators wird über cine Erdschlußspule 4 mit der Induktivität Lsp geerdet. Die Leitererdkapazitäten in den Abgängen A1 und A2 werden durch konzentrierte Kapazitäten Ce1 und Ce? nachgebildet. Mit einem Tonfrequenzgenerator 5, der parallel zur Erdschlußspule 4 geschaltet ist, werden die netzfromden Strom-und Spannungsgrößen eingeprägt.
Die Höhe der Ströme in den einzelnen Phasen wird weitgehend von der Größe der Leitererdkapazität bestimmt, da die Induktivität des Transformators bei der netzfremden Frequenz noch niederohmig ist; sie sind daher im ungestörten Fall etwa gleich groß.
Tritt jedoch z.B. im Abgang Ai ein Erdschluß in der Phase T auf, so sind die Phasenströme nicht mehr gleich.groß. Der Strom in der Phase T ist aufgrund der kurzgeschlossenen Kapazität wesentlich größer als in den beiden anderen Phasen. Außerdem eilt der Strom in der Phase T der Spannung Ue des Tonfrequenzgenerators nach, während die beiden anderen Phasenströme der Spannung voreilen. Die Phasenlage des Summeilstromes zur Swamenspannung im erdschlußbehafteten Abgang ist daher induktiv (Figur la). Im gesunden Abgang A2 bleibt die Phasenlage des Summenstromes zur Summenspannung kapazitiv. Aufgrund der unterschiedlichen Phasenbeziehungen gemäß den Figuren la, Ib ist somit eine eindeutige Erdschlußrichtungsbestimmung möglich.
Um die erforderliche Leistung des Tonfrequenzgenerators ermitteln zu können, wird das in Figur 1 dargestellte Netz in die symmetrischen Komponenten zerlegt. In Figur 2 ist die einpolige Ersatz schaltung für den Erdschluß zu sehen. Da nur der Tonfrequezgenzgenerator mit der eingeprägten Frequenz f0 im Nullsystem betrachtet wird, enthält das Mit-und Gegensystem keine treibende Spannung. Die Netzbelatungen werden durch die Widerstände R1 und R2 berücksichtigt. Die Kapazitäten im Mit-und Gegensystem, CB1 und CB2 sind Betriebskapazitäten.
In Kabclnetzen kann die Bstriebskupezität der Leiterordkapazität gleichgesetzt werden. Die Spuleninduktivität ist im Nullsystem mit der Faktor 3 zu multiplizieren.
Durch Zusammenfassen des Mit-und Gegensysteme läßt sich die Ersatzaschaltung, die in Figur 3 zu sehen ist, vereinfachen.
Die Impedanz des erdschlußbehafteten Abgang besteht nur aus oder Parallelschaltung der Leitererdkapazität Ce1, der 2-facher Induktivität des einspeisenden Transformators, der gesamten Leitererdkapazitet des Netzes Ce = Ce1 + Ce2 und des 2-fachen Belastungswiderstandes.
Die Größe der Kapazitäten, Induktivitäten und des Widerstander ist aus den Netzdaten UN = Nennspannung fN=Nonnfrequenz Ie=Erdschlußstrom PN - Nennleistung des Transformators Uk= Kurzschlußspannung des Transformators in % wie folgt zu ermitteln: Ce = V3 Ie/(6.#.fN.UN) (1) LTR=UN2 Uk/(200.#.fN.PN) (2) RL = UN2/PN (3) Die Belastungsimpedanz für den Tonfrequenzgenerator läßt sich aus der Ersatzschaltung in Figur 3 ermitteln. Unter der znnahme, daß die Spuleninduktivität größ gegenüber der Transformatorinduktivität ist, gilt für die Belastungsimpendenz folgende Beziehung: ZB= (2#e.LTR.RL)/[3#e.LTR+j.Rl (#e2.3.Ce.LTR-1)] (4) Damit ist der Betrag der Belastungsimpedanz: Dabei ist #e die Kreistrequenz des Tonfrequenzgenerators #=2.##e (6) Der Betrag der Balastungsimpendanz hängt im wesentlichen von der Frequenz des Tongenerators ab. Wenn der Anteil der Oberschwingung auf festgelegt wird, so errechnet sich die erforderliche Leistung des Tonfreaquenzgenerators zu Für die Erdschlußrictungsbestimmung ist die Phasenlage zwischen Sumaenstrom-und-spannung die durch die Impedanz des erdschlußbehafteten Abgangs bestimmt wird, maßgebend.
Unter der Annahmo, daß die Leitererdkspazitäten des erdsclußbehafteten Abgangs klein gegeniiber dcncn des gesunden Abg,-).nEcs, Ce1 <<Ce2, sind, ist die Impedanz des erdschlußbehafteten Abgangs

Ze=2#e.LTR.Rl/[#e.LTR+j.RL (#e2.Ce-LTR-1)] (9)

Für den Betrag Ze und den Winkel # (Ze) gelten dann folgende Beziehungen:

# (Ze)=arc tan [(1-#e2.LTR.Ce).RL/#e.LTR)] (11)

möglichst klein gegenüber der Resonanzfrequenz des Netzes gewählt werden.
Der obigen Gleichung ist zu entnehmen, daß der Winkel für die Erdschlußrichtungsbestimmung n.ur induktiv bzw. positiv ist, wenn die Bedingung 1-#e2:LTR.Ce>>= (12) erfüllt wird. Damit muß die Frequenz des Tonfrequenzgenetors Zur Ankopplung des Tonfrequenzgenerators an das kompensierte Mittelspannungsnetz eignet sich die Leistungswicklung der Erdschlußspule. Wenn jedoch keine Leistungswicklung zur Verfügung steht, ist ein einphasiger Transformator, der p.,.-alle1 zur Erdschlußspule geschaltet wird, zweckmäßig. Damit die Leistungswicklung der Erdschlußspule oder der Transformator beim Erdschluß im Netz nicht durch aen Tonfrequenzgenerator kurgeschlossen wird, ist zweckmäßig eine Filterschaltung vorzusehen.
In Figur 4 ist die Anordnung zur Ankoppulung des Tonfrequenzgenerators 5 dargestellt. Die Filterschaltung 6 besteht aus der Reihenschaltung der Induktivität LR mit dem Parallelschwingkreis aus der Induktivität Lp und der Kapazität Cp.
Der Parallelschwingkreis wird auf die Netzfrequenz abgestimmt.
Bei Netzfrequenz ist daher die Impedanz des Parallelschwingkreises unendlich groß. Dagegen wird die Impedanz des Parallelschwingkreises bei Frequenzen oberhalb der Netzfrequenz kapazitiv. Durch die in Reihe geschaltete Induktivität LR wird ein Reihenschwingkreis gebildet. Der Reihenschwingkreis ist nun auf die Frequenz des Tonfrequenzgenerators TFG abzustimmen.
Damit wird erreicht, daß die Impedanz bei Netzfrequenz nendlich groß und bei der Frequenz des Tonfrequenzgenerators unendlich klein ist.
Berechungsbeispiel: Ein kompensiertes Mittelspannungsnetz soll zur Erdschlußrichtungsbestimmung mittels eines bekannten Erdschlußrichtungsrelais der Firma AEG; dem RERO 1 mit einem Tonfrequenzgenerator ausgerüstet werden. Es seien: UN = 20 kV PN = 30 MVA mk = 10 % e = 300 A Nach Cleichung (1) beträgt Ce = 27,6 µF die Induktivität des einspeisenden Transfo.cmators LTR = 4,24mH und der gesamte Belastungswiderstand RL = 13,3 Ohm Für k - 0,005 bzw. 0,50/o in Gleichung (7) wird in Figur 5 die Abhängigkeit des Winkels # (Ze) nach Gleichung (11) und in Figur 6 die der erforderlichen Leistung Pe des Tonfrequenzgenerators 2 nach Gleichung (8) von der Frequenz dargestellt.
Der Darstellung ist zu entnehmen, daß mit zunehmender Frequenz der Winkel sehr stark abnimmt, während die erforderliche Leistung des Tonfrequenzgenerators nahezu konstant bleibt. Aus diesen Grunde ist die Frequenz so niedrig wie möglich zu wählen. Leerseite

Claims

Patentansprüch .ß Verfa'mnen zur Erdschlußrichtungsbestimmung in kompensierten Netzen durch Auswertung der Phasenlage von Spannungen und Strömen Frequenz als die Netzfrequenz mit einem Blindleistungs Richtungsrelais, dadurch gekennzeichnet, daß die höhere Frequenz dem Netz von außen als netzfrende Tonfrequenz aufgeprägt wird.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da2 die Tonfrequenz nur zu bestimmten Prüf-Zeitpunkten aufgeprägt wird.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Tonfrequenz am Sternpunkt des Netzes einphasig eingespeist wird.
4.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Tonfrequenzgenerator (5), der über ein Filter (6) an das Netz (1) ankoppelbar ist.
5.) Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tonfrequenzgenerator (5) zur Ankopplung an das Netz parallel zur Erdschlußspule (4) geshaltet ist.
6.) Vorrichtung nach Anspruch 5 mi einer Erdschlußspule, die eine Leistunswicklung aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Tonfrequenzgenerator (5) an die Leistungswicklung der Erdschlußspule (4) geschaltet ist.
7.) Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einer Erdschlußspule, ohne Leistungswicklung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Tonfrequenzgenerator (5) an einen einphasigen Transformator angeschlossen ist, der parallel zur Erdschlußspule (4) geschaltet ist.