DE2753969C2

DE2753969C2 - Selektivschutzeinrichtung für elektrische Leitungen

Info

Publication number: DE2753969C2
Application number: DE2753969A
Authority: DE
Inventors: Ivan de Dipl.-Ing. Fislisbach Aargau Mesmaeker
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1977-10-31
Filing date: 1977-12-03
Publication date: 1984-03-15
Also published as: SE7811244L; SE442694B; IT1160014B; AT365869B; CH623964A5; US4237511A; GB2010610A; NL7810771A; IT7829124A0; GB2010610B; BE871646R; FR2407594A2; ATA734978A; DK482778A; BR7807152A; DE2753969A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Selektivschulzeinrichtung für elektrische Leitungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Seiektivschutzeinrichtung ist beispielsweise bekannt aus der Zeitschrift »Proceedings of the lEE« Bd. 121, Nr. 6. Juni 1974. S.464-466. Aus der Zeitschrift »Brown Boveri Mitteilungen«, Bd. 53, Nr. 11/12. S. 784-790 ist ebenfalls eine Seiektivschutzeinrichtung bekannt, bei welcher von Nulldurchgängen zu überwachender Signale mit positiver bzw. negativer Signaländerungsgeschwindigkeit erste bzw. zweite Überwachungssignale abgeleitet und einer Sequenzüberwachung unterzogen werden.

Mit der zuerst genannten der beiden bekannten Einrichtungen kann im Kurzschlußfall eine distanzselektive Auslösung innerhalb einer Periodendauer der netzfrequenten Differenzsignale, d. h. innerhall maximal 20 ms nach Anregung bzw. Fehlereintritt erreicht werden.

Anzustreben ist jedoch allgemein eine Verkürzung der Ansprechzeit der Kurzschlußüberwachung. Demgemäß besteht die Aufgabe vorliegender Erfindung in der Srhaffung einer Seiektivschutzeinrichtung der eingangs genannten Art mit einer maximalen Ansprechzeit von einer Halbperiodendauer der Netz- bzw. Detektionssignalfrequenz, & h. von 10 ms.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erscheinung, daß nur bei einem Maximalwert der Relativ-Phasenwinkel zwischen aufeinanderfolgenden Detektionssignalen von weniger als 180°, d. h. bei einer Kurzschlußdistanz innerhalb des Auslösegebietes, innerhalb eines Überwachungsintervalls von wenigstens annährend einer Hstbperiodendauer bzw. 10 ms eine mindestens zweimal alternierende Folge von Überwachungssignalen auftritt, die den Nulldurchgängen der Differenzsignale polaritätsabhängig zugeordnet sind. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand des in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt

Fi g. 1 ein Zeigerdiagramm von Bezugsspannungen in der imaginären Ux — i/«-Spannungsebene für ein viereckiges Distanzschutz-Auslösegebiet.

F i g. 2 ein Zeigerdiagramm von Differenzsignalen aus den Bezugsspannungen gemäß F i g. 1 und einem Leitungsspannungssignal für eine '.age des letzteren innerhalb des Auslösegebietes,

Fig.3 ein Zeigerdiagramm entsprechend Fig.2, jedoch für ein Leitungsspannungssignal außerhalb des Auslösegebietes,

Fig.4 ein Signal-Zeitdiagramm einer einmaligen Sequenzüberwachung für ein Leitungsspannungssignal außerhalb des Auslösegebietes.

F i g. 5 ein Signal-Zeitdiagramm entsprechend F i g. 4. jedoch für ein Leilungsspannungssignal innerhalb des Auslösegebietes,

F i g. 6 ein Signal-Zeitdiagramm für periodisch aufeinanderfolgende Sequenzüberwachung.

Fig. 7 den Meß- und Signalerstellungsteil einer Seiektivschutzeinrichtung,

Fig.8 das Schaltbild einer Phasenwinkel-Überwachungseinrichtung mit einmaliger Sequenzüberwachung zum Anschluß an den Meßteil gemäß F i g. 7 und

Fig.9 das Schaltbild einer Phasenwinkel-Überwachungseinrichtung für Mehrfach-Sequenzüberwachung.

Das Zeitdiagramm nach Fig. 1 zeigt ein viereckiges Auslösegebiet mit den Eckpunkten 1, 2, 3 und 4 wobei der Eckpunkt 1 beispielsweise im Koordinatennullpunkt liegt, während die Bezugsspannungen Ui. U-, und (Λ bestimmt sind. Gemäß Fig. 2 werden sodann unter Zuhilfenahme des durch Messung gewonnenen Leitungsspannungssignals Uk Differenzsignale

Ud₂ = Ui - Uk. Udi =U,- U_K und Ud₁ = Lh - U_K sowie zusätzlich ein Differenzsignal LWi = O-ίΛ gebildet, welch letzteres also dem umgepolten Leilungsspannungssignal entspricht und welches in die Überwachung

der relativen Phasenwinkel zwischen allen von der Spitze des Zeigers Uk ausgehenden Zeigern einbezogen wird und damit den Koordinatennullpunkt als Eckpunkt 1 bestimmt. Die Differenzsignale stellen einen Sonderfall von Detektionssignalen dar, die z. B. in an sich bekannter, unterschiedlicher Weise von Bezugsimpedanzen unter Zuhilfenahme des Leitungsstromes und der LeitungiSpannung abgeleitet werden können.

F i g. 2 zeigt für eine Lage der Zeigerspitze von Uk im Inneren des Auslösegebietes, daß in diesem Fall keiner der relativen Phasenwinkel zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Differenzsignalen den Grenzwert 180" überschreitet Dies ist erst bei einer Lage der Zeigerspitze von Uk außerhalb des Ausiösegebietes der Fall, wie dies in F i g. 3 angedeutet ist.

F i g. 4, Zeile a), zeigt von den positiven und negativen Halbwellen der· Differenzsignale LWi — U(U abgeleitete Rechteckpulse Si - B₄, die z. B. durch übliche Triggerung entstanden sind. Zeile b) zeigt dazu die den Nulldurchgängen zugeordnete, z. B. durch Differenzierung erhaltenen ersten und zweiten Überwachungssignals USt und US₂ gegensinniger PolaritäL Für die hier zugrundeliegende Lage der Zeigerspitze von U_K außerhalb des Auslösegebietes (siehe F ig. 3) ergibt sich innerhalb eines beliebig angeordneten Überwachungs-Intervalls Tu von etwa einer Halbperiodendauer keine mehr als einmal alternierende Überwachungssignalfolge.

F i g. 5, Zeile a), zeigt die Überlappung der Rechteckpulse B\ — Ba, für eine Lage der Zeigerspitze von Uk innerhalb des durch die vier Differenzsignale Ud\ bis Ud₄ bestimmten Auslösegebietes. Zeile b) zeigt hierzu die überlagerte Gesamtfolge der durch Differenzierung der Rechteckpulse B\ bis Ba, erhaltenen ersten und zweiten Überwachungssignale gegensinniger Polarität. Es ergeben sich für beliebige zeitliche Lagen des Überwachungsintervalls Tu innerhalb desselben verschiedene, jedoch immer insgesamt wenigstens zweimal alternierende Überwachungssignalfolgen. Für die in F i g. 5. Zeile b) angedeutete Zeitlage von Tu mit dem Anfangszeitpunkt fo ergibt sich eine ÜUerwachungssignalfolge US₂. USi, USi, US₂, wobei die Alternierungen zwischen dem ersten und zweiten sowie zwischen dem dritten und vierten der innerhalb von Tu auftretenden Überwachungssignale liegen. Es kommt also nur auf die insgesamt innerhalb des Überwachungsintervalls auftretende Anzahl von AUernierungen an.

Bei einem Überwachungsintervall von der Dauer einer Halbperiode und bei einer Anzahl von vier Differenzsignalen bzw. bei einem viereckigen Auslösegebiet besteht das Fehlerdistanzkriterium im Auftreten von mindestens zwei Alternierungen, d. h. Wechseln zwischen aufeinanderfolgenden ersten und zweiten oder zweiten und ersten Überwachungssignalen. Es können bei einem solchen Auslösegebiet gegebenenfalls auch drei Alternierungen innerhalb des Halbperioden-Überwachungsintervalls auftreten. Di^ Mindestzahl von Alternierungen innerhalb des Überwachungsintervalls, 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-Alternierungszahien als Fehlerkriterium auftreten.

Gemäß F i g. 5, Zeile b), wird z. B. zum Zeitpunkt fo durch eine fehlerindizierende Anregung ein einziges Überwachungsintervrll Tu ausgelöst. Die beschriebene Verfahrensweise läßt sich jedoch auch in Form einer laufenden Distanzüberwachung 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.6 angedeutet, und zwar mit vier aufeinanderfolgend in den Zeitpunkten ii bis t₄ gestarteten Überwachungsintervailen Tu\ bis Tu₄, wie sie in den Zeilen a) bis

. d) mit den zugehörigen, jeweils die Alternierungen bildenden Überwachungssignalen USi und US₂ dargestellt sind. Die alternierenden Überwachungssignale sind dabei einer beispielhaften Gesamt-Überwachung3-signalfolge gemäß Zeile b) von F ' & 5 entnommen.

ι An dieser Steile ist festzuhaken, >^Jaß die Bemessung des Überwachungsintervalls entsprechend einer Halbperiode auf die Folgefrequenz der Differenzsignale und damit im allgemeinen auf die Netzfrequenz des Sch.itzobjektes bezogen ist. Bei einer Netzfrequenz von

ι fünfzig Hz ist also eine Überwachungsintervallsdauer 7"o/2= 10 ms zugrunde zu legen.

Bei einer Überwachungsintervalldauer von weniger als einer Halbperiode tritt ein Grenzbereich von zeitlichen Signalanordnungen auf, die einer Kurzschlußlage innerhalb des Auslösegebietes entsprechen, und zwar in Grenznähe dieses Gebietes, wobei jedoch das maßgebende Fehlerdistanzkriterium unerfüllt bleibt. Solche Verhältnisse sind also im allgemeinen zu vermeiden. Umgekehrt führen Überwachungsintervalldauern von mehr als einer Halbperiode dazu, daß grenznahe, jedoch noch außerhalb des Auslösegebietes liegende Kurzschlüsse das Fehlerdistanzkrite;'ium erfüllen und eine Auslösung hervorrufen. Im allgemeinen wird man daher eine bezüglich der Halbperiode geringfügig größere Überwachungsintervalldauer wählen. Vorzugsweise kommt eine Bemessung dieses Intervalls in Betracht, die aus der genauen Halbperiode 7Ό/2 zuzüglich eines durch den Detektionsmechanismus und die Schaltungsträgheit bedingten Detektionsintervalls Δι besteht. Grundsätzlich kann auch eine noch weitergehende Vergrößerung des Überwachungsintervalls vorgenommen werden, was — abgesehen von der unerwünschten Verlängerung der Ansprechzeit — zu einer Erweiterung des tatsächlich wirksamen Auslösegebietes führt. Sofern die Differenz der Überwach· ingsintervalldauer gegenüber der Halbperiode gering gegen leutere selbst bleibt, können die vorgenannten Einstellungen in beiden Richtungen je nach den Gegebenheiten des Anweiidungsfalles 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 »Überwachungsiritervalldauer wenigstens annährend 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 angeschlossenen Bezugsimpedanzen Z₂, Zj und Zt. An diesen Impedanzen treten somit

die bereits erwähnten Bezugsspannungen Ui bzw. Ui bzw. LA auf — während am Ausgang von UMR das Leitungsspannungssignal U_K ansteht. Differenzverstärker Di, Di, Da sind an den Ausgang von UMR einerseits und an Zi bzw. Zj bzw. Z₄ andererseits angeschlossen, liefern also an ihren Ausgängen die Differenzsignale Ud₂ bzw. LWj bzw. LAA. Über einen Inverter IV liefert UMR außerdem das Signal Ud\ - - Uk. Die genannten Differenzsignale werden sodann über nachfolgende Trigger TRy bis TR₄ in Rechteckpulse B\ bis Ä. umgesetzt. Die den Nulldurchgängen der Differenzsignale zugeordneten Überwachungssignale LASi und US₂ ergeben sich an den Ausgängen nachfolgender Differenzierglieder di bis dt, denen zwecks rückwirkungsfreier Überlagerung zu der Gesamt-Überwachungssignalfolge am Ausgang A Trennverstärker V'i bis V₄ nachgeordnet sind.

ucT i\ciäiiV-Piiä5criübcrwäCfiUrig»icii für unfächc

Sequenzdetektion gemäß F i g. 8 ist mit seinem Eingang A an den entsprechenden Ausgang des Schaltungsteils nach Fig. 7 angeschlossen. Außerdem wird eine Anregung am Eingang Ar zugeführt. Weiterhin ist ein nach erfolgter Auslösung aktivierter Rückstelleingang R vorhanden. Durch die Anregung AR wird ein Monoflop MF angestoßen, dessen Rückschaltzeit das Überwachungsintervall Tu bestimmt und für dieses Intervall ein AND-Gatter CA zum Durchschalten der Überwachungssignale freigibt. Letztere schalten nun je nach der Polarität des innerhalb des Überwachungsintervalls zuerst auftretenden Überwachungssignals - einen von zwei nachfolgenden Flip-Flops FFi bzw. FF₂ aus dem Rückstellzustand in den gesetzten Zustand (für beide Flip-Flops mit »1« bezeichnet). Die differenzierenden und zusammengeschalteten Ausgänge der Flip-Flops liefern für jede Umschaltung einen Zählimpuls an ein zugehöriges Zählregister ZR; bzw. ZR;. Durch die Rückstellung R ist jeweils nach Erledigung einer Auslösung eine erste Stufe r beider Zählregister ZR, und ZR₂ eingeschaltet worden. Das zuerst umschaltende Flip-Flop schaltet nun die nächste Stufe »0« des zugehörigen Zählregisters ein und bringt dieses damit in den Ausgangszustand für die Zählung der Alternierungen innerhalb des Überwachungsintervalls, während das andere Zählregister mit Einschaltung der Stufe r zurückbleibt und während des Intervalls nicht mehr wirksam werden kann. Für jede Polarität des zuerst im Überwadiungsintervall auftretenden Überwachungssignals ist also eines der beiden Zählregister wirksam.

Bei der ersten Alternierung wird nun die Stufe »1« und bei der zweiten Alternierung die Stufe »2« des so betreffenden Zählregisters eingeschaltet, was über ein nachfolgendes OR-Gatter GO zur Aktivierung der Auslösung AC führt.

Für eine Dauerüberwachung mit aufeinanderfolgenden Überwachungsintervallen, deren jedes beispieisweise wie in Fig.6, Zeile a) dargestellt, von einem der aufeinanderfolgenden positiven Überwachungssignale ausgelöst wird, ist eine entsprechende Mehrzahl von Schaltungsteilen gemäß Fig.8 erforderlich. An den Ausgang A des Schaltungsteils nach F i g. 7 ist dann eine Verteilerschaltung gemäß F i g. 9 anzuschließen, die im wesentlichen aus einem durch die über eine Diode D selektierten, positiven Überwachungssignale fortgeschalteten Ringzähler RZ besteht, jeder Ausgang der aufeinanderfolgend aktivierten Stufen des letzteren bereitet in entsprechender zeiv'Iicher Aufeinanderfolge ein zugehöriges AND-Gatter GA_x bis GAa zum Durchschalten der Überwachungssignale vom Eingang A vor. Es wird also in Aufeinanderfolge jeweils ein Überwachungssignal zu einem der Ausgänge AR, bis ARa der Gatter GA, bis CA₄ durchgeschaltet, wo es die Funktion einer Anregung für den zugehörigen, nachfolgenden Schaltungsteil gemäß F i g. 8 ausübt. Außerdem ist für jedes dieser Schaltungsteile einer der Anschlüsse At bis Aa für die Zuführung der Überwachungssignale selbst vorgesehen.

Es versteht sich, daß gegebenenfalls auch eine andersartige Auslösung der aufeinanderfolgenden Überwachungsintervalle angewendet werden kann, etwa eine solche mit gleichmäßiger Verteilung der Auslösezeitpunkte über eine Netzfrequenzperiode.

Bezeichnungsliste

U_x-U.
1,2,3,4
U₂, Uy, U₄

Ud_x = O-U_K Ud₂ = U₁-U,

Udy = Uy-U_K

Ud₄ = H₄-U_x Ud_x-Ud₄

US_x, US₂ Tu, Tu_x-Tu₄
Ό

Z₂, Zj, Z₄

R, S, T D₂, Dy, Da IK

d_x-d_A

A, AR_x-ARa V_x-Va

AR

MF imaginäre Spannungsebene Eckpunkte
Bezugsspannungen Leitungsspannungssignal

Differenzsignale

Rechteckpulse

Überwachungssignale

Überwachungsintervall

Anfangszeitpunkt

Zeitpunkte

Halbperiode

Detektionsintervali

Phase

Leitungsspannungs-Meßwertaufnehmer

Leitungsstrom-Meßwertaufnehmer

Bezugsimpedanzen

dreiphasiges Leitungssystem

Differenzverstärker

Inverter

Trigger

Differenzierglieder

Ausgang

Trennverstärker

Eingang

Rückstelleingang

Monoflop

GA, GA_x-GAa AND-Gatter

FF₁-FF₂ Flip-Flop

AR Anregung

ZRi, ZR₂ Zählregister

r Stufe

GO OR-Gatter

^S Auslösung

D Diode

RZ Ringzähler

Ai-Aa Anschlüsse

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selektivschutzeinrichtung für elektrische Leitungen, bei der für jeweils eine Leitungsphase aus Leitungsstrom und Leitungsspannung sowie unter Verwendung einer Mehrzahl von mit einem Leitungsstromsignal beaufschlagten und je einem Eckpunkt eines polygonalen Auslösegebietes in der Impedanzebene zugeordneten Bezugsimpedanzen eine den letzteren entsprechende Anzahl von Differenzspannungen zwischen je einem an einer Bezugsimpedanz gewonnenen Bezugsspannungssignal (Ui-Uf) und einem Leitungsspannungssignal (Uk) gebildet wird und bei der die relativen Phasenwinkel zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Differenzsignalen (Ud₂- UcU) einer Grenzwertüberwachung mit einem Grenzwert von wenigstens annährend 180°. unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß von den Nuüdurchgängen der Differenzsignale (Ud₂-UcU) mit positiver bzw. negativer Signaländerungsgeschwindigkeit erste bzw. zweite Überwachungssignale (US\ bzw. USi) abgeleitet und einer Sequenzüberwachung unterzogen werden und daß vom Auftreten einer innerhalb eines vorgegebenen Überwachungsintervalls (Tu) von wenigstens annähernd einer Halbperiodendauer der Differenzsignalfrequenz mindestens zweimal alternierenden Aufeinanderfolge von ersten und -"Veiten Überwachungssignalen (USu US₂. i/5, oder US₂. US₁. US₂) ein Auslösesignal (AS) abgeleitet wird.

2. Selektivschutzeinrichumg nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß fts die Sequenzüberwachung ein Überwachungsintervall (Tu) von einer Halbperiodendauer der Differenzsignalfrequenz (To/2) zuzüglich einer Detektionszeitdauer (at) vorgebbar ist.

3. Seiektivschuizeinrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von den Nulldurchgängen der Differenzsignale (Udi bis Ud?) mit positiver und negativer Signaländerungsgeschwindigkeit gegensinnig gepolte, vorzugsweise impulsförmige. erste und zweite Überwachungssignale (US\. USi) ableitbar sind.

4. Selektivschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwachungsintervall (Tu) in Abhängigkeit von einer fehlerindizierenden Anregung (Ar) startbar ist.

5. Selektivschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Sequenzüberwachungen mit je einem Überwachungsintervall (Tu\ bis Tu*) zu periodisch aufeinanderfolgenden Startzeitpunkten (ti bis /4) auslösbar ist.

ίο