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Resonanzregler zur automatischen Abstimmung
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von Erdschlußspulen im Netzbetrieb Betriebsstörungen in der elektrischen
Energieversorgung haben in der Mehrzahl der Fälle ihren Ursprung in einem sogenannten
Erdschluß. Als Mittel zur Verhinderung der Auswirkungen von Erdschlüssen in Mittel-
und ochspannungsneten hat sich die Erdschlußkompensation seit Jahrzehnten gut bewährt.
Man versteht darunter die Verbindung von einem oder mehreren Netzsternpunkten mit
Erde über verlustarme
Spulen, deren Induktivitäten auf die Netzkapazität
gegenüber Erde abgestimmt sind.
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Es wäre ansich möglich, für das fragliche Netz rechnerisch oder durch
einen Erdschlußversuch die Leiter-Erdkapazität zu bestimmen und je nach dem jeweiligen
Netzzustand die Erdschlußspule, auch Petersen-Spule genannt, auf einen ganz bestimmten
Wert einzustellen. Diese Methode erfordert aber stets eine genaue Kenntnis des Schaltzustandes
des Netzes, was insbesondere in solchen Netzen, die dauernden Änderungen unterworfen
sind und unter Umständen sogar zu verschiedenen Zuständigkeitsbereichen gehören,
schwierig zu verwirklichen ist.
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Da die Induktivitäten der Spule bzw. Spulen mit den Leiter-Erdkapazitäten
einen Parallelschwingkreis bilden, kann jedoch in einfacher Weise zur Abstimmung
der Erdschlußspulen das Kriterium herangezogen werden, dass die Resonanzfrequenz
des Schwingkreises mit der Netzfrequenz übereinstimmt (Resonanzmethode). Bei einer
derartig abgestimmten Anordnung ist nämlich die Induktivität der Erdschlußspulen
gleich der Netz- bzw. Leiter-Erdkapazität und es wird der Erdschlußstrom an der
Fehlerstelle durch Überlagerung eines Kompensationsstromes gleicher absoluter Grösse,
aber mit um 1800 gedrehter Phasenlage zu Null ergänzt.
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Für die Erdschlußkompensation nach der Resonanzmethode ist somit die
Bedingung einzuhalten, dass die Erdschlußspule
mit den sich ständig
ändernden, vom Netzzustand bestimmten Leiter-Erdkapazitäten bei Netzfrequenz in
Resonanz ist.
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Um die Resonanzbedingung für die Erdschlußkompensation zu erfüllen,
ist daher nach allen Betriebsschaltungen die Spuleninduktivität erneut abzustimmen.
In weit ausgedehnten Netzen, die ständigen Zustandsänderungen unterliegen, ist daher
der Einsatz von Erdschlußspulen notwendig, die eine stetige Veränderung der Induktivität
erlauben. Derartige Erdschlußspulen sind z.B. die bekannten Tauchkern-Erdschlußspulen,
bei denen sich die Spuleninduktivität mit Hilfe von Motor- oder Hydraulikantrieb
durch Veränderung des Luftspaltes bis herunter zu 10 % der Nenninduktivität stetig
verstellen lässt.
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Für das Erkennen der Resonanzabstimmung bietet sich die bereits im
erdschlußfreien Betrieb als Folge von Ungleichheiten der drei Leiter-Erdkapazitäten
vorhandene, meist geringe Sternpunkt-Erdspannung - auch Verlagerungsspannung genannt
-als Abstimmungskriterium an. Diese Verlagerungsspannung ist im erdschlußfreien
Zustand des Netzes von der Induktivität bzw. der Einstellung der Erdschlußspule
abhängig und erreicht im erdschlußfreien Zustand des Netzes bei Resonanz, d.h. bei
genauer Abstimmung der Petersen-Spule auf die Leiter-Erdkapazitäten des Netzes,
ein Maximum; die Verlagerungsspannung ändert sich somit in Abhängigkeit von der
Einstellung der Erdschlußspule gemäss einer Resonanzkurve. Die Resonanzabstimmung
läuft somit darauf hinaus, das Maximum der Resonankurve der Verlagerungsspannung
zu suchen.
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Dieses Suchen kann manuell, z.B. unter Beobachtung eines Voltmeters,
dem die Verlagerungsspannung zugeführt ist, erfolgen.
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Es ist auch bekannt, mittels eines Resonanzreglers den Suchvorgang
selbsttätig durchzuführen, Es sind dabei mechanische Resonanzregler (AEG-Mitteilungen
45, (1955), Seite 126-129) oder elektronische Resonanzregler bekannt (Elektrizitäts-Wirtschaft,
Band 76 (1977), Heft 6, Seite 150-153).
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Diesen Resonanzreglern ist gemeinsam, dass selbsttätig - ausgelöst
durch eine Veränderung der Verlagerungsspannung - durch Veränderung der Spuleninduktivität
der Erdschlußspule die Verlagerungsspannungs-Resonanzkurve unter Suchen des Maximums
durchfahren wird, welches vom Regler durch Erkennen des Ansteigens oder Abfallens
der Verlagerungsspannung beim Verstellen der Erdschlußspule gefunden wird. Die Meßgrösse-JIstwert)
für das Regelgerät ist somit die Sternpunkt-Erdspannung bzw. Verlagerungsspannung,
die von dem Spannungswandler der Erdschlußspule oder von einem Spannungswandlersatz
im Netz dem Regler zugeführt wird. Da die Netze in der Regel nicht genau auf die
Resonanz abgestimmt sein sollen, ist in dem Regler eine Anordnung vorgesehen, die
nach Erkennen des Maximums eine Verstimmung der Erdschlußspule auf Über- oder Unterkompensation
ausführt. Weitere Ausgestaltungen dieses Reglers sowie seine Arbeitsweise sollen
nun anhand des Diagrammes der Fig. 1 erläutert werden. In diesem Diagramm ist die
Verlagerungsspannung UEM über der Induktivität L der Erdschlußspule
aufgetragen.
Die Verlagerungsspannung UEM ist durch eine geeignete Übersetzung so normiert, dass
im Falle eines Erdschlusses eine Spannung von 100 Volt ansteht. Die Netze sind jedoch
hinsichtlich der Erdschlußmeldung in der Regel so ausgelegt, dass bereits eine Verlagerungsspannung,
die grösser als 20 Volt ist (Schwellwert U4), eine Erdschlußmeldung mit allen Konsequenzen
(es leuchten Anzeigelampen auf1 Störschreiber setzen sich in Betrieb und der Netzüberwachung
wird ein Netzfehler signalisiert) auftritt.
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Der Regler besitzt weiterhin eine Spannungsüberwachungsschaltung,
die einen Grenzwertbereich U1 - U2 für die Verlagerungsspannung vorgibt, damit im
Hinblick auf die Dauerbeanspruchung der Netzisolation die Verlagerungsspannung im
erdschlußfreien Zustand des Netzes einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Es
handelt sich hierbei um eine Grenzwertbereichs-Regelung unter Berücksichtigung der
Über- bzw.
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Unterkompensation. Ist das Maximum der Resonanzkurve kleiner als der
Grenzwert U1, tritt die Grenzwertregelung nicht in Funktion.
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Es sei nun angenommen, dass der Regler bei dem vorhandenen Netzzustand
eine Induktivität L1 eingestellt hat, d.h. er hat auf den Punkt a) der Resonanzkurve
eingeregelt (es sei hier das Beispiel eines überkompensierten Betriebs betrachtet,
der vorwiegend im Netzbetrieb vorhanden ist). Es sei nun weiter angenommen, dass
durch eine darauffolgende Schalthandlung im Netz sich ein Zustand der Leiter-Erdkapazitäten
einstellt, die eine Resonanzkurve gem. II vorgibt. Ziel des
Reglers
ist es dabei, den Punkt c) mit der Induktivität L2 einzustellen, d.h. der Regler
verstellt die Spuleninduktivität der Erdschlußspule solange, bis der Wert L2 erreicht
ist.
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Beim Punkt b) würde zwar für eine Unterkompensation bei Überschreiten
der oberen Grenze U2 von 10 Volt des Grenzwertbereiches die Grenzwertregelung einsetzen,
jedoch ist der Regler für den hier betrachteten Fall der Überkompensation so programmiert,
dass er den Punkt b) überfährt, um über das Maximum der Resonanzkurve in die abfallende
Flanke auf den Punkt c) zu gelangen. Ganz entsprechend läuft der Vorgang ab, wenn
sich durch eine Schalthandlung im Netz eine Resonanzkurve gemäss III ergibt. Hierbei
versucht der Regler die Induktivität L am Punkt d) einzustellen.
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3 Der hier angenommene Grenzwertbereich U1/U2 = 9/10 Volt, stellt
ansich bezüglich der Verlagerungsspannung einen betrieblich maximal zulässigen Grenzwert
dar. Dieser Grenzwert wird trotzdem bei der Kurve II auf dem Weg von b) näch c überschritten,
jedoch wird dies betrieblich zugelassen, weil es sich nur um eine kurzzeitige Überschreitung
des Grenzwertes in einem erdschlußfreien Netz (U4 wird nicht erreicht) handelt.
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Es kann nun der Fall auftreten, dass durch eine Schalthandlung im
Netz sich eine sehr starke Unsymmetrie des Netzes ergibt, wobei gleichzeitig die
Ohmsche Bedämpfung gering ist, d.h.
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der Resonanzkreis eine hohe Güte besitzt. In diesen Fällen kann sich
eine Verlagerungsspannungs-Resonanzkurve ergeben,
deren Maximum
oberhalb der Erdschlußmeldungs-Grenze U4 von 20 Volt liegt. Derartige Kurven IIa
und IIIa sind in der Figur 1 gestrichelt dargestellt (der sehr selten auftretende
Fall, dass bei unveränderter Lage der Resonanzkurve eine Spannungserhöhung oberhalb
der Erdschlußmeldung auftreten kann, soll hier vernachlässigt werden).
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Betrachtet man zunächst den Fall der Zuschaltung, die zur Kurve II
führt, so hat der Regler die Tendenz, die Spule a von der Stellung L1 auf die Stellung
L4 zu bringen, d.h.
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die Resonanzkurve II bis zum Punkt c 1 zu durchfahren.
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a Beim Überschreiten des Grenzwertes U4 von 20 Volt für die Erdschlußmeldung
würde jedoch in dem gesamten zugeordneten Netz die Erdschlußmeldung ausgelöst, da
die vorhandenen Erdschlußmeldungen nicht erkennen, dass es sich nur um eine kurzzeitige
Überschreitung dieser Grenze handelt sondern 'ånnehmen", dass ein Erdschluß vorliegt.
Die von dem Durchfahren der Kurve II fälschlicherweise ausgelöste Erdschlußmeldung
a verursacht mit Nachteil unnütze Aktivitäten des Betriebspersonals und verursacht
Kosten, da in der Regel die Störschreiber anlaufen und teures Registrierpapier verbraucht
wird, abgesehen von der falschen Signalisierung eines Erdschlusses.
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Betrachtet man nun den Fall einer entsprechenden Abschaltung, die
zur Kurve 111a führt, so treten für den hier gewählten Fall der Überkompensation
die in Bezug auf die Kurve II dara gelegten Probleme nicht auf, da auf dem Wege
von der Einstellung
L1 nach L zum Punkt d1 die Erdschlußmeldungs-5
Grenze von 20 Volt nicht durchschritten wird. Anders ist es jedoch in dem Fall,
wenn eine Unterkompensation betrieblich vorgesehen ist, dann würde beim Durchlaufen
der Kurve III die Erdschlußmeldungs-Grenze überschritten, woa gegen die Einstellung
auf die linke Flanke der Kurve II a unproblematisch wäre. Es sind daher beide Betriebsarten
zu berücksichtigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Resonanzregler
gemäss dem Gattungsbegriff des Anspruches 1 diesen so auszubilden, dass er beim
Durchfahren von Verlagerungsspannungs-Resonanzkurven im erdschlußfreien Netz, deren
Maximalwert die Erdschlußmeldungsgrenze überschreiten würde, erkennt, dass er sich
dieser Erdschlußmeldungsgrenze nähert und dass er geeignete Massnahmen trifft, die
das vom Betriebspersonal unkontrollierte Einfahren in den die Erdschlußmeldungsgrenze
überschreitenden Bereich der Resonanzkurve verhindert.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäss der Erfindung entsprechend
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches.
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Weitere ausgestaltende Merkmale der Erfindung sowie die Vorteile,
ergeben sich aus der Beschreibung von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen: Figur 2 die Prinzipanordnung des Resonanzreglers im Netz,
Figur 2a und b den zusätzlichen Baustein des Resonanzreglers gemäss der Erfindung
in zwei verschiedenen Ausführungsformen.
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In Figur 2 bezeichnet die Ziffer 1 symbolisch ein Netz, wobei der
obere Pfeil die Eingriffsmöglichkeit in das Netz aufgrund einer Schalthandlung bzw.
aufgrund einer Erdschlußstörung symbolisiert. Die Ziffer 2 bezeichnet einen Resonanzregler,
der zur automatischen Abstimmung einer stufenlos regelbaren Erdschlußlöschspule
3 auf die durch Schalthandlungen veränderliche Erdkapazität des Hochspannungsnetzes
1 dient.
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Als Ist-Wert wird dem Regelgerät die Sternpunkt-Erdspannung UEM d
die Verlagerungsspannungszugeführt, welche von der Spannungsmeßwicklung der Erdschlußspule
3 oder von einem nicht dargestellten Spannungswandlersatz im Netz dem Resonanzregler
zugeführt wird. Dieser Resonanzregler 2 führt die bereits im Zusammenhang mit Figur
1 beschriebenen Abstimmungs-Vorgänge automatisch durch. Um zu erkennen, dass er
sich im erdschlußfreien Netz der Erdschlußmeldungsgrenze U4 nähert (durch eine Schalthandlung
im Netz ergibt sich eine Verlagerungsspannungs-Resonanzkurve, deren Maximalwert
die Erdschlußmeldungsgrenze U4 (Fig. 1)-überschreitet) ist im Resonanzregler 2,
der ansonsten vorzugsweise entsprechend den eingangs erläuterten Literaturstellen
aufgebaut ist, eine Zusatzschal tung gemäss Figur 2a oder 2b vorgesehen. Diese Zusatzschaltung
weist
zunächst ein Schwellwertglied 4 auf, das auf einen Schwellwert U eingestellt ist,
der, wie die Figur t er-3 kennen lässt, dicht unterhalb der Erdschlußmeldungsgrenze
U4 z . B. bei 18 Volt, liegt. Diesem Schwellwertglied 4 wird die Verlagerungsspannung
UEM zugeführt, so dass am Aus-EM gang dieses Schwellwertgliedes 4 immer dann ein
Signal auftritt, wenn die Verlagerungsspannung grösser als der eingestellte Schwellwert
U ist. Die Schaltung nach Figur 2 a 3 weist weiterhin eine Differenzierstufe 5 auf
(die bereits auch im Regler vorhanden sein kann), die das angelegte Verlagerungsspannungssignal
UEM differenziert, wobei die Stufe 5 gleichzeitig so ausgebildet ist, dass sie erkennt,
ob der Differentialquotient grösser als 0 ist, d.h. dass die Induktivitätsverstellung
so ist, dass sich der Regler auf der ansteigenden Flanke der Resonanzkurve befindet.
Dies ist z.B. bei einer Verstellung von L1 nach L4 in Figur 1 die linke Flanke der
Kurve IIa bzw. für eine Verstellung von L1 nach Werten in Richtung nach L3 die rechte
Flanke der Kurve IIIa. Am Ausgang der Stufe 5 steht somit ein Signal an, das anzeigt,
dass der Differentialquotient der Spannung UEM grösser als 0 ist. Da am Ausgang
der Stufen 4 und 5 auch die Signale vorliegen, wenn ein Erdschluß vorliegt (da auch
in einem derartigen Fall die Bedingungen der Stufen 4 und 5 erfüllt sind), ist zweckmässig
ein Zeitglied 6 vorgesehen, das (beispielsweise) den Fall des Erdschlusses mit schnellem
Spannungsanstieg von dem Fall des langsamen Anstieges der Verlagerungsspannung bei
einer Verstellung der Erdschlußspule
unterscheidet. Dieses Zeitglied
hat z.B. eine Ansprech-Verzögerungszeit von 2 Sekunden, d.h. nur für den Fall, dass
mindestens 2 Sekunden lang der Ausgang der Stufe 5 ein Signal abgibt, ist am Ausgang
des Zeitgliedes 6 Signal vorhanden. Die Ausgangssignale der Stufen 4 und 6 werden,
ggf. nach geeigneter Impulsformung, auf den Eingang eines UND-Gliedes 7 gegeben,
das dann anspricht, wenn auf dem oberen Eingang und auf dem unteren Eingang ein
Signal vorliegt.
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Die eingangsseitige Beschaltung des Und-Gliedes 7 kann gemäss Figur
2b auch in der Weise durchgeführt werden, dass man die Ausgangsgrössen der Stufen
4 und 5 direkt auf den Eingang des Und-Gliedes 7 gibt, wobei zusätzlich ein dritter
unterer Eingang vorgesehen ist, der dann ein Signal führt, wenn kein Erdschluß vorliegt.
Dieses Signal kann im besonderen aus der Erdschlußüberwachungs-Schaltung abgeleitet
werden, die im allgemeinen in jedem Regler 2 vorhanden ist (wenn nämlich das Netz
einen Erdschluß aufweist, der von der im Regler eingebauten Erdschlußüberwachungsschaltung
erfasst wird, denn wird keine Regelverstellung der Erdschlußspule 3 vorgenommen.
Die Erdschlußspule 3 bleibt während der gesamten Erdschlußdauer in Ruhe. Nach der
Abschaltung und trennung des fehlerhaften Leiters erfolgt aufgrund einer erneuten
Anregung eine neue Verstellung der Erdschlußspule). Wenn also die beiden oberen
Eingänge des Und-Gliedes 7 in Figur 2b Signal führen, d.h überschreitet die Verlagerungsspannung
den Grenzwert U und ist der Anstieg der Verlagerungsspannung positiv 3 und liegt
kein Erdschluß vor, was durch das untere Signal
dargelegt ist,
dann spricht das Und-Glied 7 an und zeigt mit seinem Ausgangssignal ebenso wie mit
dem Ausgangssignal des Und-Gliedes 7 in Figur 2a an, dass kein Erdschluß sondern
eine Verstellung der Erdschlußspule vorliegt und dass man sich der Erddchlußmeldungsgrenze
U4 nähert. Mit dem Ausgangssignal 7 des Und-Gliedes wird das Verstellen der Erdschlußspule
unterbrochen und eine Anzeige 8 in der besetzten Warte aktiviert. Der Regler meldet
mit dieser Anzeige dem Bedienungspersonal, dass eine weitere Verstellung der Erdschlußspule
eine Verlagerungsspannung bedingen würde, die oberhalb der Erdschlußmeldungsgrenze
U4 von 20 Volt liegt. Das Bedienungspersonal kann nun entscheiden, welche Massnahmen
zu treffen sind. Es kann sich z.B.
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dafür entscheiden, die Spule im unterkompensierten Bereich stehen
zu lassen (betrachtet man eine Zuschaltung auf die Kurve IIa mit normalerweise überkompensierten
Betrieb). Es kann sich auch dafür entscheiden, die Erdschlußspule vorübergehend
kurz abzuschalten und sie spannungslos auf die absteigende Flanke der Resonanzkurve
unterhalb der Erdschlußmeldungsgrenze zu fahren. Es kann sich auch dafür entscheiden,
die Erdschlußspule unter Beobachtung eines Spannungsmeßgerätes für die Verlagerungsspannung
durchzustimmen, indem dem Regler ein entsprechender Befehl gegeben wird, wobei zweckmässig
dann die Störschreiber abgeschaltet werden. Hier sind verschiedene Varianten denkbar,
um die Konsequenzen der Meldung in der Warte auszuwerten.
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Die erfindungsgemässe Zusatzbeschaltung des Resonanzreglers weist
den Vorteil auf, dass dem Bedienungspersonal in einer besetzten Warte rechtzeitig
angezeigt wird, dass bei der weiteren Verstellung der Erdschlußspule eine Verlagerungsspannung
erreicht wird, die die Erdschlußmeldungsgrenze überschreiten würde. Das Bedienungspersonal
kann dann frei entscheiden, welche Massnahmen zu treffen sind, um das Netz geeignet
abzustimmen.
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Die schematisch dargestellten Stufen 4 - 7 des Reglers können mit
bekannten, insbesondere elektronischen Mitteln realisiert werden.