DE2753969A1 - Selektivschutzverfahren fuer elektrische leitungen und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Selektivschutzverfahren fuer elektrische leitungen und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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DE2753969A1 DE19772753969 DE2753969A DE2753969A1 DE 2753969 A1 DE2753969 A1 DE 2753969A1 DE 19772753969 DE19772753969 DE 19772753969 DE 2753969 A DE2753969 A DE 2753969A DE 2753969 A1 DE2753969 A1 DE 2753969A1
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H3/382Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to both voltage and current; responsive to phase angle between voltage and current involving phase comparison between current and voltage or between values derived from current and voltage

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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Description

27539R9
99/77 Fd/dh
Zusatzpatent zu P 27 20 168.9
BBC Aktiengesellschaft Broun ,Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Selektivschutz verfahren für elektrische Leitungen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Selektivschutzverfahren für elektrische Leitungen, bei dem für jeweils eine Leitungsphase aus Leitungsstrom und Leitungsspannung von der Distanz zuischen Messort und Kurzschlussort abhängige Detektionssinnale gebildet werden und bei dem die relativen Phasenwinkel zuischen zeitlich aufeinanderfolgenden Detektionssionalen zur Erzeugung eines Auslösesignals mit einem Grenzwert von wenigstens annähernd 180 verglichen werden, insbesondere nach Patentanmeldung P 27 20 168.9 vom 5.5.77 mit wenigstens einem Differenzsignal zwischen einer Impedanz-Abbildspannung und einer Leitungsspannung als Detektionssional. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens,
Im vorgenannten Hauptpatent ist ein l/erfahren und eine Einrichtung angegeben, mittels deren aus Differenzsignalen
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zuischen Impedanz-Abbildspannunoen und einer Leitungsspannung durch einfache Phasenuinkelüberuachung eine distanzabhängige Auslösung im Kurzschlussfall erreicht uird. Dabei sind die im einzelnen angegebenen Mittel für eine Auslösung innerhalb von maximal einer Periodendauer der netzfrequenten Differenzsignale, d.h. maximal 20 ms nach Anregung bzu. Fehlereintritt, geeignet. Anzustreben ist jedoch allgemein eine Verkürzung der Ansprechzeit der Kurzschlussüberuachung, d.h. des genannten Maximalzeitintervalls· Demgemäss besteht die Aufgabe vorliegender Erfindung in der Schaffung einer Kurzschlussüberuachung mit einer maximalen Ansprechzeit von weniger als einer Periodendauer der Netzbzw. Detektionssignalfrequenz, Insbesondere bis herab zu einer Halbperiodendauer dieser Frequenzen, d.h. bis zu z.B. 10ms. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe benutzt das gleiche Lösungsprinzip uie der Gegenstand des genannten Hauptpatentes, uobei jedoch eine Anwendbarkeit auf Detektionssignale allgemeiner Art, die in ihrer gegenseitigen Phasenlage Information über die Kurzschlussdistanz enthalten, festzustellen ist. Demgemäss kennzeichnet sich die erfindungsgemässe Lösung der gestellten Aufgabe in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die im Anspruch 1 und in schaltungstechnischer Hinsicht durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale. Diese Lösungen beruhen auf der Erscheinung, dass nur bei einem Maximalwert der Relativ-Phasenuinkel zuischen aufeinanderfolgenden Detektionssignalen von ueniger als 180 , d.h. bei einer Kurzschluss-
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distanz innerhalb des Auslüsegebietes, innerhalb eines Ueberwachungsintervalls von wenigstens annähernd einer HaIbperiodendauer bzw. 10ms eine mindestens zweimal alternierende Folge von Ueberwaehungssignalen auftritt, die den Nulldurchgängen der Detektionssignale polaritätsabhängig zugeordnet sind. Ueitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand des in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt:
Fig. 1 ein Zeigerdiagramm von Impedanz-Abbildspannungen in der imaginären Uy-Up-Spannungsebene für ein viereckiges Distanzschutz-Auslösegebiet,
Fig. 2 ein Zeigerdiagramm von Differenzsignalen aus den Impedanz-Abbildspannungen gernäss Fig. 1 und einem Leitungsspannungssignal für eine Lage des letzteren innerhalb des fluslösegebietes,
Fig. 3 ein Zeigerdiagramm entsprechend Fig. 2, jedoch für ein Leitungsspannungssignal ausserhalb des Auslösegebietes,
Fig. 4 ein Signal-Zeitdiagramm einer einmaligen Sequenzdetektion für ein Leitungsspannungssignal ausserhalb des Auslösegebietes,
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Fig. 5 ein Signal-Zeitdiagraram entsprechend Fig. 4, jedoch für ein Leitungsspannurvg-ssional innerhalb des- Aus-Ifrsegebietea,
Fig. 6 ein Signal-Zeitdiagramm für periodisch aufeinanderfolgende Sequenzjdetektionen,
Fig. ? den Mess- und SigFtalerstellwmgeteil einer Selektivschutz ei η richtung,
Fig. B das Schaltbild einer Phasenwinkel-Ueberwachungseinrichtung mit einmaliger Sequenzdetektion zum An-Schluss an den PTessteil gemäss Fig, 7 und
Fig. 9 das Schaltbild einer Phasenwinkel-Ueberwachungseinrichtung für Mehrfach-Sequenzdetektion.
Das Zeigerdiagramm nach Fig. 1 zeigt ein viereckiges Auslösegebiet mit den Eckpunkten 1, 2, 3 und 4, wobei der Eckpunkt beispielsweise im Koordinatennullpunkt liegt, während die anderen Eckpunkte durch in an sich üblicher Ueise gebildete Impedanz-Abbildspannungen U2, U., und U. bestimmt sind. Gemäss Fig. 2 werden sodann unter Zuhilfenahme des durch Messung gewonnenen Leitungsspannungssignals LL Differenzsignale Ud0=LL-LL, Ud^=UT-LL und Ud^U^-U^ sowie zusätzlich ein Differenzsignal Ud1=G-Uj, gebildet, welch letzteres also dem umgepolten Leitungsspannungssignal entspricht und ein zusätzliches Bezugs-
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signal darstellt, welches in die Uobcrwachung der relativen Phasenwinkel zwischen allen von der Spitze des Zeigers IL· ausgehenden Zeigern einbezogen uird und damit den Koordinatennullpunkt als Eckpunkt 1 bestimmt. Die Differenzsignale stellen einen Sonderfall von Detektionssignalen dar, die z.B. in an sich bekannter, unterschiedlicher Ueise von Bezugs- oder Leitungsabbildimpedanzen unter Zuhilfenahme des Leitungsstromes und der Leitungsspannung abgeleitet werden können.
Fig. 2 zeigt für eine Lage der Zeigerspitze won U., im Inneren des Auslösegebietes, dass in diesem Fall keiner der relativen Phasenwinkel zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Detektionssignalen den Grenzwert 180° überschreitet. Dies ist erst bei einer Lage der Zeigerspitze von U^ ausserhalb des Auslösegebietes der Fall, wie dies in Fig. 3 angedeutet ist,
Fig. 4, Zeile a), zeigt von den positiven und negativen Halbwellen der Detektionssignale Ud1-Ud. abgeleitete Rechteck-
B1 bis B4
pulse/, die z.B. durch übliche Triggerung entstanden sind.
Zeile b) zeigt dazu die den Nulldurchgängen zugeordnete, z.B. durch Differenzierung erhaltenen ersten und zweiten Ueberwachunqssionale US, und US„ qegensinniger Polarität. Für die hier zugrundeliegende Lage der Zeioerspitze von U1, ausserhalb des Auslöseqebietes (siehe Fiq. 3) ergibt sich innerhalb eines beliebig anoeordneten Ueberwachungsintervalls Tu von etwa einer Halbperiodendauer keine mehr als einmal alternierende Ueberwachuncjssianalfolge.
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Fig. 5, Zeile a), zeigt die Ueberlappung der Rechteckpulse B, bis B, für eine Lage der Zeigerspitze von IL· innerhalb des durch die vier Detektionssignale Ud, bis Ud. bestimmten Auslösegebietes. Zeile b) zeigt hierzu die überlagerte Gesamtfolge der durch Differenzierung der Rechteckpulse B1 bis ΒΔ erhaltenen ersten und zueiten Ueberuachungssignale gegensinniger Polarität, Es ergeben sich für beliebige zeitliche Lagen des Ueberuachungsintervalls Tu innerhalb desselben verschiedene, jedoch immer insgesamt wenigstens zueimal alternierende Ueberuachungssignalfolgen. Für die in Fia. 5, Zeile d) angedeutete Zeitlage von Tu mit dem Anfangszeitpunkt tn ergibt sich eine Ueberuachungssignalfolge SU„, SU1. SU,, SU-, uobei die fllternierungen zuischen dem ersten und zueiten souie zuischen dem dritten und vierten innerhalb von Tu auftretenden Ueberuachunqssignale liegen. Es kommt also nur auf die insgesamt innerhalb des Ueberuachungsintervalls auftretende Anzahl von Alternierungen an.
Bei einem Ueberuachungsintervall von der Dauer einer HaIbperiode und bei einer Anzahl von vier Detektionssignalen bzu. bei einem viereckigen Auslösegebiet besteht das Fehlerdistanzkriterium im Auftreten von mindestens zuei Alternierungen, d.h. Wechseln zuischen aufeinanderfolgenden ersten und zueiten oder zueiten und ersten Ueberuachungssignalen. Es können bei oinem solchen Auslösegebiet gegebenenfalls auch drei Alternierungen innerhalb des Halbperioden-Ueber-
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uachungsinter\/alls auftreten. Die Mindestzahl von Alternierungen innerhalb des Uoberuachungsinterualls, welche das Fehlerkriterium bildet, ist allgemein durch die Anzahl der Detektionssignale bzw. durch die Seitenzahl des Auslösegebietes in der komplexen Impedanzebene bestimmt. Für kompliziertere Anordnungen mit mehr als viereckigen Auslösegebieten können also auch höhere Mindest-Alternierungszahlen als Fehlerkriterium auftreten.
Gemäss Fig. 5, Zeile b), wird z.B. zum Zeitpunkt tn durch eine fehlerindizierende Anregung ein einziges Ueberuachungsinteruall Tu ausgelöst. Die beschriebene Verfahrensweise lässt sich jedoch auch in Form einer laufenden Distanzüberuachung ausführen, wobei im störungsfreien Betrieb wie auch bei Kurzschlüssen ausserhalb des Auslösegebietes das Fehlerdistanzkriterium jedenfalls unerfüllt bleibt. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil der grösseren Betriebssicherheit der Schutzeinrichtung, weil die wesentlichen Schaltungsteile auch im störungsfreien Betrieb aktiv sind und demgemäss leicht einer Funktionsüberwachung unterworfen werden können.
Ein Beispiel der letztgenannten Verfahrensweise ist in Fig. angedeutet, und zwar mit vier aufeinanderfolgend in den Zeitpunkten t, bis t. gestarteten Ueberwachungsintervallen Tu1 bis Tu^, wie sie in den Zeilen a) bis d) mit den zugehörigen, jeweils die Alternierungen bildenden Ueberuachungssignalen SU, und SU„ dargestellt sind. Die alternierenden Ueberwachungs-
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signale sind dabei einer beispielhaften Gesamt-Ueberuachungssignalfolge gemäss Zeile b) von Fig. 5 entnommen.
An dieser Stelle ist festzuhalten, dass die Bemessung des
Ueberuachungsintervalls entsprechend iner Halbperiode auf
die Folgefrequenz der üetektionssignale und damit im allgemeinen auf die Netzfrequenz des Schutzobjektes bezogen ist. Bei einer Netzfrequenz von fünfzig Hz ist also eine Ueberuachungsintervallsdauer T„/2 = 10 ms zugrundezulegen.
Bei einer Ueberuachungsintervalldauer von weniger als einer Halbperiode dritt ein Grenzbereich von zeitlichen Signalanordnungen auf, die einer Kurzschlusslage innerhalb des Auslösegebietes entsprechen, und zuar in Grenznähe dieses Gebietes, uobei jedoch das massgebende Fehlerdistanzkriterium unerfüllt bleibt. Solche Verhältnisse sind also im allgemeinen zu vermeiden. Umgekehrt führen Ueberuachungsintervalldauern von mehr als einer Halbperiode dazu, dass grenznahe, jedoch noch ausserhalb des Auslösegebietes liegende Kurzschlüsse
das Fehlerdistanzkriterium erfüllen und eine Auslösung hervorrufen. Im allgemeinen uird man daher eine bezüglich der Halbperiode geringfügig grössere Ueberuachungsintervalldauer uählen. Vorzugsueise kommt eine Bemessung dieses Intervalls in Betracht, die aus der genauen Halbperiode Tn/2 zuzüglich eines durch den Oetektionsmechanismus und die Schaltungsträgheit bedingten Detektionsintervalls ^\t besteht. Grund- sätzlich kann auch eine noch weitergehende Vergrösserung
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des Uebcrwachungsintervalls vorgenommen uerden, uas - abgesehen won der unerwünschten l/erlängerung der Ansprechzeit zu einer Erweiterung des tatsächlich wirksamen Auslösegebietes führt. Sofern die Differenz der Ueberwachungsintervalldauer gegenüber der Halbperiode gering gegen letztere selbst bleibt, können die vorgenannten Einstellungen in beiden Richtungen je nach den Gegebenheiten des Anwendungsfalles zulässig oder sogar erwünscht sein und fallen daher, sofern sie mit der Aufgabenstellung der Verminderung der Schutz-Ansprechzeit unter eine Periodendauer verträglich sind, unter die Bedingung "Ueberwachungsintervalldauer wenigstens annähernd gleich einer Halbperiode".
Der in Fig. 7 dargestellte Mess- und Signalerstellungsteil einer Selektivschutzeinrichtung umfasst einen an die hier als Beispiel gewählte Phase R eines dreiphasigen Leitungssystems R, S, T angeschlossenen Leitungsspannungs-Messwertaufnehmers UMR sowie einen ebenfalls an die Phase R angeschlossenen Leitungsstrom-Messwertaufnehmer IM mit an dessen Sekundärwicklungen anqeschlossenen Bezugsimpedanzen Z2, Z, und Z.. An diesen Impedanzen treten somit die bereits erwähnten Abbildspannunqen U2 bzw« U-, bzw. U. auf- während am Ausqano von UMR das Leitungsspannungssignal Uw ansteht. Differenzverstärker D„t D3, D. sind an den Ausganq von UMR einerseits und an Z„ bzw. Z, bzw. 2. andererseits anaeschlossen, liefern also an ihren Ausqängen die Differenz- oder Detektionssignale Ud2 bzu# ud;j D2U# Ud^# Ueber einen Inverter IV
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liefert UPlR ausserdem das Siqnal Ud, = ~^κ# Detektionssignale werden sodann über nachfolgende Triqaer TR, bis TR* in Rechteckpulse B, bis B. umgesetzt. Die den Nulldurchaänqen der Detektionssianale zugeordneten Ueberuachunqssiqnale US, und US2 ergeben sich an den Ausa^noen nachfolaender Differenzierqlieder d, bis d,9 aenen zuecKs rückuirkungsfreier Ueberlagerung zu der Gesamt-Ueberuachungs-Siqnalfolqe am Ausgang A Trennv/erstärker U1 bis V4 nachgeordnet sind·
Der Relativ-Phasenüberuachungsteil für einfache Sequenzdetektion qemäss Fiq. B ist mit seinem Eingang A an den entsprechenden Ausoang des Schaltunqsteils nach Fig. 7 anaeschlossen. Ausserdem uird eine Anrequng am Einqanq AR zugeführt. Weiterhin ist ein nach erfolgter Auslösuna aktivierter Rückstelleinqang R vorhanden. Durch die Anrequnq AR uird eine Monoflop PIF anqestossen, dessen Rückschaltzeit das Ueberuachunqsintervall Tu bestimmt und für dieses Intervall ein AND-Gatter GA zum Durchschalten der Ueberuachunqssignale freigibt. Letztere schalten nun - je nach der Polarität des innerhalb des Ueberuachungsintervalls zuerst auftretenden Ueberuachunqssignals - einen von zuei nachfolgenden Flip-Flops FF, bzu. FF2 aus dem Rückstellzustand in den gesetzten Zustand (für beide Flip-Flops mit "1" bezeichnet). Die differenzierenden und zusammengeschalteten Ausqänqe der Flip-Flops liefern für jede Umschaltung einen Zählimpuls an ein zugehöriges Zählregister ZRj^ bzu. ZR · Durch die Rückstellung R ist jeueils
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nach Erledigung einer Auslösunq eine erste Stufe r beider Zählregister ZR-, und ZR2 eingeschaltet uorden. Das zuerst umschaltende Flip Flop schaltet nun die nächste Stufe "0" des zugehörigen Zählregisters ein und brinqt dieses damit in den Ausaangszustand für die Zählung der Alternierunqen innerhalb des Ueberuachungsintervalls, uährend das andere Zählregister mit Einschaltung der Stufe r zurückbleibt und uährend des Intervalls rieht mehr uirksam werden kann. Für jede Polarität des zuerst im Ueberuachungsintervall auf-
tretenden Ueberuachungssignals ist also eines der beiden
Zählregister uirksam.
Bei der ersten Alternierung uird nun die Stufe "1" und bei der zueiten Alternierung die Stufe "2" des betreffenden Zählregisters eingeschaltet, uas über ein nachfolgendes OR-Gatter GO zur Aktivierung der Auslösung AS führt.
Für eine Dauerüberuachung mit aufeinanderfolgenden Ueberuachunqsintervallen, deren jedes beispielsweise uie in Fig. 6, Zeile a) dargestellt, von einem der aufeinanderfolgenden positiven Ueberuachungssignale ausgelöst uird, ist eine entsprechende fflerhzahl von Schaltungsteilen gemäss Fig. 8 erforderlich. An den Ausqang A de s Schaltungsteils nach Fig. 7 ist dann eine Verteilerschaltung gemäss Fig. 9 anzuschliessen, uie im wesentlichen aus einem durch die über eine Diode D selektierten, positiven Ueberuachungssignale fortgeschalteten Ringzähler RZ besteht. Jeder Ausgang der aufeinanderfolgend
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aktivierten Stufen des letzteren bereitet in entsprechender zeitlicher Aufeinanderfolge ein zugehöriges AND-Gatter GA, bis GA^ zum Durchschalten der Ueberuachungssignale vom Eingang A vor. Es uird also in Aufeinanderfolge jeweils ein Ueberuachungssignal zu einem der Ausgänge AR, bis AR- der Gatter GA, bis GA* durchgeschaltet, uo es die Funktion einer Anregung für den zugehörigen, nachfolgenden Schaltungsteil gemä'ss Fig. 8 ausübt. Ausserdem ist für jedes dieser Schaltungsteile einer der Anschlüsse A, bis A- für die Zuführung der Ueberuachungssignale selbst vorgesehen.
Es versteht sich, dass gegebenenfalls auch eine andersartige Auslösung der aufeinanderfolgenden Ueberuachungsintervalle angewendet uerden kann, etua äne solche mit gleichmässiger Verteilung der Auslösezeitpunkte über eine Netzfrequenzperiode«
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Claims (8)

Patentansprüche
1. JSelektivschutzverfahren für elektrische Leitunqen, bei dem für jeweils eine Leitunqsphase aus Leitunqsstrom und LeitunasspannunQ von der Oistanz zwischen Messort und Kurzschlussort abhä'ngiqe Oetektionssiqnale gebildet werden und bei dem die relativen Phasenwinkel zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Detektionssignalen zur Erzeuqung eines Auslösesianals mit einem Grenzwert von weniQstens annähernd 180 verqlichen werden, insbesondere nach Patentanmeldung P 27 20 168.9 mit wenigstens einem Differenzsiqnal zuischen einer Impedanz-Abbildspannunq und einer Leitungsspannunq als Detektionssignal, dadurch nekennzeichnet. dass von den Nulldurchqänqen der Detektionssignale (Ud, bis Ud.) mit positiver bzw. negativer Signaländerunosgeschwindigkeit erste bzw. zweite Ueberwachungssignale (US, bzw, US„) abgeleitet und einer Sequenzdetektion unterzogen uerden und dass vom Auftreten einer innerhalb eines vorgegebenen Ueberwachungsintervalls (Tu) von wenigstens annähernd einer Halbperiodendauer der Detektionssignalfrequenz wenigstens zweimal alternierenden Aufeinanderfolge von ersten und zweiten Ueberwachunqsslqnalen (US·,, US?, US, oder US2, US,, US«) eine Auslösunq (AS) abqeleitet wird.
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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Sequenzdotektion ein Uüberuochungsintervall (Tu) von einer Halbperiodendauer der Detektionssignalfrequenz (T /2) zuzüglich einer Detektionszeitdauer (/\ t) vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass υοη den Nulldurchgänqen dsr Datektionssiqnale (Ud, bis Ud,) mit positiver und negativer Signaländerungsqcschuindiqkeit oegensinnig gepolte, vorzugsweise impulsförmiqe, erste und 7ueite Ueberuachungssignale (US,, US„) abgeleitet uerdsn,
4, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zuciten lleberuachungssignale (US,, US„) für die Sequenzdetektion zu einer Ueberuachungssignalfolge überlagert ucrden.
5, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ueberuachungsintervall (Tu) in Abhängigkeit von einer fehlerindiziercnden Anregung (AR) gestartet wird,
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hehrzahl von Sequenzdetektionen mit je einem Ueberuachungsintervall (Tu, bis Tu«) zu periodisch aufeinanderfolgenden Startzeitpunkten (t, b:Ls t ) ausgelöst uird.
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7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Messschaltung zur Erfassung von Leitungsspannungs- und Leitungsstromsignalen sowie mit einer Schaltung zur Erzeugung von ein polygonales Auslösegebiet in der komplexen Impedanzebene bestimmenden Detektionssignalen» dadurch gekennzeichnet, dass eine mit den Detektionssignalen (Ud1 bis Ud1^) beaufschlagte Schaltung (TR1 bis TR^, d. bis d.) zur Erzeugung von den Nulldurchgängen der Detektionssignale richtungsselektiv zugeordneten ersten und zweiten Ueberwachungssignalen (US-, USp) sowie ein nachgeordneter Alternierungsdetektor (FF,, FF2) für die Feststellung der Aufeinanderfolge von ersten und zweiten Ueberwachungssignalen und eine Alternierungs-Zähleinrichtung (ZR , ZR-) vorgesehen sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl von Altemierungsdetektoren und Alternierungs-Zähleinrichtungen mit vorgeschalteter Ueberwachungssignal-Vertellschaltung (RZ, GA1 bis GA.) vorgesehen ist.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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CH (1) CH623964A5 (de)
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FR (1) FR2407594A2 (de)
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