DE2753517A1

DE2753517A1 - Verfahren und einrichtung zum nachweisen von fehlerstroemen

Info

Publication number: DE2753517A1
Application number: DE19772753517
Authority: DE
Inventors: Andre Rohr
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1976-12-02
Filing date: 1977-12-01
Publication date: 1978-06-08
Also published as: JPS5368840A; CH619569A5; ZA777152B; DE2753517C2; AT372807B; IN148896B; BR7708017A; FR2373180A1; FR2373180B1; NL188377B; AU513518B2; ES464650A1; ATA835877A; AU3111177A; JPS6142491B2; CA1097740A; NL7713257A; BE861385A; NL188377C; US4208692A

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Eoveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren und Einrichtung zum Nachweisen von Fehlerströmen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Fehlern, insbesondere von Kurzschlüssen in elektrischen Verbrauchern, insbesondere auf Gleichstromleitungen, wobei ein dem Verbraucherstrom entsprechendes Stromsignal erzeugt und mit einem Referenzwert verglichen wird und wobei eine Grenzwertüberschreitung eines als Resultat dieses Vergleichs anfallenden Differenzsignals als Auslösekriterium verwendet wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine elektrische Schaltung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Erfindung ist mit Vorteil anwendbar auf dem Beförderungsgebiet, insbesondere bei gleichstrom- oder wechselstrombetriebenen Eisenbahn-, Strassenbahn-, Trolleybus-, unterirdische Transportbahn- usw. Netzen. Es ist bekannt ("la detection des courts-circuits eloignes sur les reseaux de traction electrique ä courants continus et alternatifs" par M.P. Branchu, Revue generale de l'electricite, tome 58, mars 19^9» page.103 et suivantes), dass der unerlässliche Netzschutz gegen Defekte, die auf Fehlerströmen, beispielsweise Kurzschlüssen beruhen, im Falle, wo die Stromstärke einen vorbestimmten Wert übersteigt, durch Stromunterbrechungsmittel, beispielsweise Schnellschalter gewährleistet wird.

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Ein derartiges Verfahren ist jedoch dort nicht anwendbar, wo die maximal zulässige Stromstärke bei Normalbetrieb grosser ist als die bei einem begrenzten Kurzschluss auftretende Stromstärke. Dies ist beispielsweise der Fall bei einem unterirdischen Transportsystem, wo die durch Normalbetrieb bedingten Stromstärken mehr als zehnmal grosser sein können als die nachzuweisenden Fehlerströme. Wird ein derartiger Kurzschluss nicht aufgespürt, so können Beschädigungen und Unfälle entstehen.

Der Fehlerstromnachweis kann dadurch erfolgen, dass die Form des Stromanstiegs durch ein Differenzstrom-Verfahren analysiert wird. Um das ΔΙ messen zu können, muss das Eingangssignal vor dem Anstiegsvorgang gespeichert werden und nit jenem nach dem Anstiegsvorgang verglichen werden. Nach diesem Vergleich muss der Speicher das momentane Eingangssignal "nachholen". Eine mögliche und auch angewandte Lösung der A I-Messung besteht in einer Verzögerung des Eingangssignals durch ein elektromechanisches Element, beispielsweise einen Transformator mit massivem Magnetkreis (Dämpfungseffekt) oder durch ein elektrisches Element, beispielsweise eine Schaltung mit einem T-Filter. Das "Nachholen" des Eingangssignales geschieht exponentiell, was insofern von Nachteil ist, als der gesuchte Wert Δΐ verfälscht wird. In der Tat geschieht das "Nachholen" bereits bei Beginn des Signalanstiegs, bevor das Signal den neuen Endwert erreicht hat. Diese Lösung ist nachteilig für die Aufspürung von weit entfernten Signalen, da deren Ansteigen ebenfalls exponentiell und langsamer ist als jenes von näher auftretenden Signalen. Es muss deshalb mit einer grossen Zeitkonstante gearbeitet werden, um ein gutes Funktionieren zu gewährleisten. Hierdurch wird das System im Falle von einander überlagerten Signalen anfällig und es werden unerwünschte Auslösungen riskiert.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Machteile zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, mit ν.-ε-lchem an den Anspeisepunkten des Netzes Fehlerströme nachweisbar sind und die Oeffnung der Stromunterbrechungsmittel angeordnet werden kann, was jedoch unempfindlich gegen die Stromformen des Normalbetriebes ist. Die erfindungsgemässe Verfahrenslösung kennzeichnet sich durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Eine wesentliche Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Referenzwert nur während des Stromsignalanstiegs gespeichert wird, dass ein Vergleich zwischen Stromsignal und Referenzwert durchgeführt wird und dass hierauf der Momentanwert des Stromsignals als neuer Referenswert gespeichert wird.

Der Vorteil eines solchen Nachführ- und Speicher-Verfahrens, welle ches eine Speicherung des i-:cmentanv:ertes des Signals ermöglicht, ist insbesondere darin zu sehen, dass die Nachführung unmittelbar nach Erreichen des ^I-Höchstwertes stattfindet. Hierdurch ist optimaler Schutz gegen kurz aufeinanderfolgende Kurzschlüsse gegeben.

Eine bevorzugte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, dass der Vergleich zwischen Stromsignal und Referenzwert permanent durchgeführt und der Momentanwert des Stromsignals erst dann zur Bildung des neuen Referenzwertes gespeichert wird, wenn die Anstiegssteilheit des Stromsignals wenigstens annähernd den Wert Null erreicht hat. Hierdurch können plötzliche Anstiege einzeln gemessen werden, während bei langsamen Anstiegen kein Δΐ auftritt. Vorzugsweise wird das Nachführen des Referenzsignals auf den Momentanwert blockiert, wenn andere Anstiegssignale anfallen.

Die erfindungsgemässe Schaltungslösung kennzeichnet sich durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale.

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Der Vorteil dieser SehaLfcung wird einerseits in dem vernünftigen Aufwand gesehen, weil es keiner Zeitverzögerungsschaltungen bedarf, und andererseits in der dynamischen Stabilität des Systems.

In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungs· gelassen Schaltung schematisch dargestellt und die Funktionsweise des erfindungsgenässen Verfahrens erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Schaltungsprinzips Fig. 2 ein Signaldiagramm der Schaltung.

In Fig. 1 ist die Sch—altung in ihrer Anwendung bei einem Gleichstromnetz dargestellt.'Der Richtungssinn der Information ist mit Pfeilen bezeichnet. Ein Shunt 2 ist am Feeder 1 der elektrischen Leitung angeordnet. Die am Shunt 2 abgegriffene Spannung ist proportional dem Strom in der nicht dargestellten Leitung. Die Spannung wird an einen Wandler 3 angelegt, der im vorliegenden Fall ein Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung ist und die Spannung verstärkt. Selbstverständlich wird im Fall, wo die die Schaltung bildende Elektronik mit dem Potential des Shunts arbeitet, kein Wandler gebraucht. Das Signal I durchquert anschliessend einen Filter 1, im gewählten Beispiel ein 20 Hz Tiefpassfilter. Dadurch werden die durch eventuelle Gleichrichter (nicht dargestellt) bedingten

21> Welligkeitsprobleme gelöst, ohne dabei der Information verlustig zu gehen. Das den Filter ¹J verlassende Signal stellt das Stromsignal dar und gelangt zum zentralen Element des Systems, der Folgeschaltung 5» welcher ein Blockiersystem 5¹ und ein Kachführsystem 5^W aufweist. Die Merkmale dieses zentralen Elementes sind folgende:

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- Langsamer Nachlauf des Signals beim Anstieg: kann das Ausgangssignal beispielsweise bei Verwendung eines entsprechenden Integrators einem langsamen Stromanstieg folgen.

- Schiller Nachlauf des Signals bei einem Strcmabfall:

wird die Last plötzlich unterbrochen, so fällt der Integrc-tor· schnell ab und ist bereit, einen erneuten Anstieg zu nassen.

- Blockierung des Nachlaufs: dies geschieht über einen Aussenbefehi, und es wird dabei das Eingangssignal,also der Momentanwert des Stromsignals, gespeichert.

- Nachführung: durch einen auf den Blockier- bzw. Speicherbefehl folgenden weiteren Aussenbefehl kann ein schnelles ?Iach£ühren nach oben veranlasst v/erden, derart, dass der Eingang 7 wiederum identisch mit dem Ausgang 7' ist. Es handelt sich demnach um eine Folgeschaltung, welche den Stromsignalwert vor einem Anstiegsvorgang speichert, damit anschliessend die relative Anstiegsamplitude gemessen v/erden kann.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass Eingang und Ausgang der Folgeschaltung 5 ungekehrte Polarität aufweisen. In einer Surrimenschaltung 6 wird also die Differenz ^I zwischen dem Mcmentanwert des Stromsignals 7 und dem verzögerten (Integrator) Stromsignal am Ausgang von 5 gebildet. Diese Differer.z ΔI ist also von der Differenz zwischen der Anstiegssteilheit des Stromsignals selbst einerseits und der Anstiegssteilheit des dem Stromsignal entsprechenden, aber gegenüber diesem verlangsamten oder verzögerten Ausgangssignals der Folgeschaltung abhängig. /\1 gelangt scdann in einen Grenzwertvergleicher 9· Wenn der Wert Al einen ein-

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stellbaren, minimalen Schwellenwert überschreitet, hat ein binäres Signal 10 am Ausgang des Vergleichers 9 einen Wert der eine Blockier- oder Speichereinheit 5¹ der Folgeschaltung 5 aktiviert. Dieses Signal 10 dient also zur- Detektion des Anstiegsbeginns, falls das Stronsignal schneller ansteigt als die Folgeschaltung zu folgen vermag. Wenn der Abstand zwischen Ausgang und Eingang der Folgeschaltung den minimalen Schwellenwert erreicht, wird also dar Ausgang 7^f der Folgeschaltung, d.h. - bis auf eine kleine Differenz entsprechend dem minimalen Grenzwert von 9 - der Momentanwert des Stromsignals, als Referenzwert gespeichert. Gegebenenfalls kann die Blockierung bzw. Speicherung auch von einem andersartigen Anstiegsdetektor ausgelöst werden. Das Stromsignal 7 gelangt ausserdem an einen Anstiegs-Nulldetektor 11, d.i. eine Einrichtung zur Detektion der Anstiegssteilheit mit Differenzierglied und einstellbarem Vergleichsglied. Vorzugsweise wird hierfür eine sehr genaue und stabile Einrichtung verwendet, da der Anstieg des Stromsignals langsam gegen Null geht. Mit diesem Detektor kann bei einem gegebenen Signal der Zeitpunkt bestimmt werden, in dem der Anstieg Null ist; liegt dieser Wert vor, so aktiviert der Detektor die Nachführung von 7' auf 7- Damit ist die Schaltung wieder messbereit für den nächstfolgenden Anstieg.

Es kann somit jeder einzelne Anstieg individuell gemessen v/erden; ferner kann der Höchstwert ^I mit Genauigkeit gemessen werden.

An dem Eingang der UND-Funktion 12 sind die logischen Signale 10 und 12 angelegt; das Ausgangssignal 14 gibt dem hierzu vorgesehenen Teil 5" des Integrators mit Folgeschaltung 5 den Nachführbefehl.

Am Ende der Schaltung ist ein weiterer Grenzwertvergleicher

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15 vorgesehen, welcher bei Ueberschreitung eines vorgegebenen, maximalen Grenzwertes ein Auslösesignal 16 für die Fehlerabsch—altung liefert. Der Grenzwert wird mit einem Potentiometer 17 eingestellt.

Die Funktionsweise der bisher beschriebenen Schaltung und insbesondere der Elemente 5, 9 und 11 wird anhand der in Pig. 2 gezeigten Diagramme erläutert. Die Signale I (7), I (7¹), Al und 16 <r\ = f (T) in den vier Zeilen geben den Verlauf des Stromsignals bzw. des verzögerten oder blockierten oder in Nachführung begriffenen Ausgangs der Folgeschaltung 5 bzw. des Differenzsignals bzw. des Auslösesignals für die Fehlerabschaltung über der Zeit T dar.

Für die aufeinanderfolgenden Zeitpunkte im Verfahrensablauf gilt folgendes:

TO: Im gezeigten Beispiel fliesst zunächst kein Strom, das entsprechende Signal I (7) hat demnach den Wert 0. Die Funktion wäre die gleiche, falls zu diesem Zeitpunkt bereits eine Grundlast vorlage.

Tl: Diagramm I (7): Fehlerbedingter Stromanstieg, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses im

Netz.

Diagramm I (7')· Der Ausgang der Folgeschaltung

steigt langsam.

Diagramm Al: Da der Anstieg des Signals I (7) schneller vor sich geht als jener des Signals

I (7')> ergibt sich eine Differenz Δΐ» die den

einstellbaren Minimal-Grenzwert l8 zum Zeitpunkt

Tl¹ überschreitet.

Tl': Diagramm I (7'): Das Ueberfahren des Grenzwertes

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BBC Baden ο ι r ο c -t τ

I I Ό OO I /

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18 veranlasst die Blockierung der Folgeschaltung 5j. vom Zeitpunkt Tl' an wird der Wert des Signals I (7¹) als Referenzwert gespeichert.

Tl¹ bis T2: Diagramm /^I: Der Maximal-Grenzwert 19 wird vom Signal Δ.Ι überschritten.

Diagramm 16: Dies veranlasst ein Auslösesignal für die nicht dargestellte Schalteinrichtung.

T2: Diagramm I (7) ■ Hier ist der Stromanstieg beendet .

IC Diagramm I (7*): Der rasche Nachführvorgang

beginnt.

T2 bis T2¹: Diagramm I (7*): Das Nachführen wird innerhalb von höchstens 10 ms vollzogen. Vorzugsweise werden 2 ms gewählt» damit die Schaltung rasch wieder voll messbereit ist.

Diagramm Z\l: Dadurch, dass das Signal &I die Differenz von Eingangs- und Ausgangssignal der Folgeschaltung ist, fällt es auf den Wert Null, wenn der Nachführvorgang ausgeführt ist. Hierbei überfährt es die Schwelle 19 nach unten.

Diagramm 16: Der Grenzwertvergleicher (15) wird auf Null gesetzt.

T2': Wird der Grenzwert 18 erreicht, so wird die Nachführung eingestellt. Um ein ^I = 0 zu erzielen, wird der letzte Teil des Nachführens mit jener

Einrichtung des Elementes 5 bewerkstelligt, die für den langsamen Anstieg vorgesehen ist; dies sichert die Stabilität der Schaltung.

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T2^f bis T3: Die Schaltung ist in Wartestellung wie zwischen den Zeitpunkten TO und Tl, jedoch mit einer erhöhten Grundbelastung.

T3 bis T¹I: Schneller Leistungsabfall. Der Ausgang der Folge ■j schaltung 5 kann diesem Abfall präzis folgen;

somit Al = O.

T 4 bis T5: Wartestellung bei anderer Grundlast.

T5 bis T6: Langsamer Lastanstieg· Der Ausgang von 5 vermag diesem Anstieg so rasch zu folgen, dass ZiI den Grenzwert 18 nicht erreicht (keine

Blockierung und Speicherung) .

T6: Anfang eines durch normalen Fahrbetrieb bedingten Lastanstiegs.

T7: Anstiegsende des Signals I.

T6 bis T7¹: Blockier- und Nachführvorgang sind die gleichen

wie jene zum Zeitpunkt Tl, die aufgrund eines Fehlers ausgelöst wurden; der Blockiervorgang ist in Diagramm I (7^f) nicht dargestellt. Diagramm .Al: Der Grenzwert 19 wird nicht erreicht.

T7¹: Anfang eines zweiten, durch normalen Fahrbetrieb bedingten Lastanstiegs.

T7' bis T8¹:Gleiches Vorgehen wie zwischen T6 und T7'. Obwohl der gesamte Anstieg des Signals I zwischen T5 und T8 grosser ist als jener zwischen Tl und

T2, wird der Grenzwert 19 nicht erreicht; es 809823/076?

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erfolgt kein Auslösen. Das aufeinanderfolgende Ansteigen der Signale in T6 und T7' kommt in der Praxis vor bei Stufenlasten, beispielsweise beim Anfahren einer Lokomotive oder einer Zugkomposition mit mehreren Triebwagen.

T8' bis T9: Das Signal I fällt schnell auf Null ab, die Folgeschaltung 5 folgt dem Abstieg getreu; ΔΙ = °» gleiche Situation wie zwischen T3 und Ti».

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in der Zeichnung gezeigte und beschriebene Ausführung beschränkt. In Abweichung hiervon kann das Signal I ebenso einem Shunt entstammen, der nicht am Feeder-Ausgang, sondern am Rückstrom angeordnet ist. Verfahren und Einrichtung können ebenfalls bei Wechselstromnetzen angewendet werden, wobei selbstverständlich das vom Shunt abgenommene Signal gleichgerichtet werden muss.

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Claims

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P a t e η t a η s ρ r ü c h e

f 1ΛVerfahren zum Nachweis von Fehlern, insbesondere von ^*—' Kurzschlüssen, in elektrischen Verbrauchern, insbesondere auf Gleichstromleitungen, wobei ein dem Verbraucherstrom entsprechendes Stromsignai erzeugt und mit einem Referenzwe^t verglichen wird und wobei eine Grenzwertüberschreitung eines als Resultat dieses Vergleichs anfallenden Differenzsignals als Auslösekriterium verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromsignal (7) einer Anstiegssteilheitsdetektion unterzogen wird und dass der Referenzwert (7¹) durch Speicherung des bei Detektion einer vorgegebenen Anstiegssteilheit vorliegenden Wertes des Stromsignals (7) erzeugt wird.

2. Verfahren zum Nachweis von Fehlern, insbesondere von Kurzschlüssen in elektrischen Verbrauchern, insbesondere auf Gleichstromleitungen, wobei ein dem Verbraucherstrom entsprechendes Stromsignal erzeugt und mit einem Referenzwert verglichen wird und wobei eine Grenzwertüberschreitung eines als Resultat dieses Vergleiches anfallenden Differenzsignals als Auslösekriterium verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert nur während des Stromsignalanstiegs gespeichert wird, dass ein Vergleich zwischen Stromsignal und Referenzwert durchgeführt wird und dass hierauf der Momentanwert des Stromsignals als neuer Referenzwert gespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich zwischen Stromsignal und Referenzwert permanent durchgeführt und der Momentanwert des Stromsignals erst dann zur Bildung des neuen Referenzwertes ge- speichert wird, wenn die Anstiegssteilheit des Stromsig-

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ORIGINAL INSPECTED

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nals wenigstens annähernd den Wert Null erreicht hat.

4. Verfahren nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert nach Durchführung des ersten Vergleichs innerhalb höchstens 10 ms dem Momentanverlauf des Strorasignals nachgeführt wird, um unerwünschte Auslösungen durch überlagerte Anstiegssignale zu vermeiden, und dass die erneute Speicherung des Strcmsignals zur Referenzwertbildung durchgeführt wird, wenn eine neue Anstiegsdetektion anfällt.

5· Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem langsamen Stromsignalanstieg, insbesondere bei Aenderungen der Netzgrundlast, keine Speicherung des Stromsignals zur Referenzwertbildung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, dass bei einem plötzlichen Stromabfall der Referenzwert zwecks erneuter Messbereitschaft dem Stromsi^nalwert rasch nachgeführt wird.

7. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verknüpfung folgender Elemente:

a) Eine Folgeschaltung (5), welche entweder einem Lastanstieg langsam zu folgen vermag, oder ihrem momentanen Eingangssignalwert unter Blockierung des Folge-Vorganges speichert und diesen rasch dem Momentanwert des Eingangssignals nachführt, falls dessen Anstieg beendet ist, und der einer raschen Eingangssignalabnahme schnell zu folgen vermag;

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b) eine Vergleichsschaltung (6), in welcher die Differenz /±I der Signalwerte vor und nach der Folgeschaltung (5) gebildet wird;

c) ein erster Grenzwertvergleicher (9), in welchem überprüft wird, ob die Differenz Al einen minimalen Grenzwert übersteigt, und die bei Grenswertüberschreitung ein Speicher-Aktivierungssignal liefert;

d) ein Anstiegs-Nulldetektor (11), welcher das wenigstens annähernde Verschwinden der Steilheit des Stromsignals detektiert und in Abhängigkeit davon ein Nachführsignal für die Folgeschaltung auslöst;

e) ein zweiter Grenzwertvergleicher (15), welcher die Differenz ^I mit einem maximalen Grenzwert vergleicht und bei Grenzwertüberschreitung ein Auslösesignal zur Fehlerabschaltung liefert.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildung des Stromsignals (7) ein galvanisch trennender Gleichstromwandler vorgesehen ist.

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