DE3210802C2 - Schutzsystem für eine Elektrizitätsversorgungsleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schutzsy­ stem für eine Elektrizitätsversorgungsleitung mit den Merkmalen im Oberbegriff von Pa­ tentanspruch 1.

Insbesondere bezieht sich somit die Erfindung auf ein Schutzsystem, umfassend zwei Schal­ tungsanordnungen, die an zwei Stationen ver­ wendet werden, zwischen denen sich eine Stromzuleitung (Feeder) einer Elektri­ zitätsversorgung erstreckt. Die Schaltungsan­ ordnungen sind miteinander durch zwei Pilot­ leiter zur Bildung eines Zirkulationsstromsy­ stems verbunden, durch welches die Stromzuleit­ tung gegen Auswirkungen verschiedener interner Störzustände geschützt werden kann.

Ein solches Schutzsystem ist bekannt (GB-PS 723 555). Bei ihm sind jedoch die Pilotleitungsklemmen jeder Schaltungsanordnung mittels einer Seri­ enschaltung aus einer Schutzrelaisspule und einem Halbleitergleichrichterelement verbun­ den.

Bei diesem gattungsgemäßen Schutzsystem (GB-PS 723 555) wird eine nicht symmetrische Betriebsweise er­ halten mit der Folge, daß das Schutzsystem auf Stör­ zustände lediglich in einer Halbwelle des al­ ternierenden Stromzyklusses ansprechen kann. Hieraus resultiert bei ungünstigen Vorausset­ zungen eine unerwünscht lange Ansprech­ zeit. Ein weiterer Nachteil des bekannten Schutzsy­ stems ist die erforderliche hohe Pilotlei­ terisolierung.

In der Schutztechnik ist es aber als solches be­ kannt, sowohl die positiven als auch die nega­ tiven Halbwellen für die Erzeugung von Auslö­ sekriterien zu verwenden (DE-OS 17 88 037, DE- OS 16 38 018, DE-AS 12 99 355).

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsge­ mäße Schutzsystem so weiterzuentwickeln, daß die maximal für das System erforderliche An­ sprechzeit bei Störzuständen reduziert wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Das System kann unabhängig vom Niveau der Pilotlei­ terisolierung mit Schaltungsanordnungen in Standardbauweise betrieben werden.

Die Erfindung umfaßt somit ein vollständiges Schutz­ system, dessen zwei gleichartige Schaltungsan­ ordnungen an entsprechenden Stellen eines Fee­ ders (Versorgungsleitung) vorgesehen sein können. Die Primärwick­ lung eines jeden Summationstransformators ist mit Stromtransformatoren verbunden, die induk­ tiv mit dem Feeder gekoppelt sind.

Eine Gleichstromquelle kann für die Prüfung der Integrität der Pilotleiter vorgesehen sein, wobei ein kapazitives Element vorgesehen ist, um den Fluß von Gleichstrom mit Ausnahme durch den Pilotleiter zu sperren.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 und 2 schematische Schaltungsdiagramme bevorzugter Ausführungsformen des Schutz­ systems, wobei in Fig. 1 die erfindungsge­ mäß vorgesehenen Isoliertransformatoren weggelassen wurden, und

Fig. 3 und 4 Diagramme zur Darstellung von äquivalenten Schaltungen und Spannungszu­ ständen für das System in Fig. 1 unter verschiedenen Betriebszuständen.

Fig. 1 zeigt einen sog. Feeder oder Stromzu­ leitung mit drei Phasen 10, 12, 14, der sich zwischen zwei Stationen erstreckt, an denen sich jeweils eine Schutzschaltungsanordnung be­ findet. Zwei Prüf- oder Pilotdrähte (Pilotleiter) 16, 18 er­ strecken sich zwischen den Schaltungsanordnun­ gen und verbinden jeweils zwei Pilotleitungs­ klemmen 20, 22 einer Schaltungsanordnung mit den Pilotleitungsklemmen 24, 26 der anderen Schaltungsanordnung.

Jede Schaltungsanordnung wird durch einen Summationstransformator 28 ver­ sorgt, wobei die Abgriffstellen der Primär­ wicklung 30 mit den Enden von Stromtransforma­ toren 32, 34, 36 für je eine der drei Phasen 10, 12, 14 des jeweiligen Feeders verbunden sind und wo­ bei das entfernte Ende oder die andere nicht dargestellte Abgriffstelle der Primärwicklung 30 mit den zusammengefaßten gegen­ überliegenden Enden der Stromtransformatoren (Stromwandler) 32, 34 und 36 verbunden ist.

Der Summationstransformator 28 stellt eine bekannte Vorrichtung dar, wie sie seit vielen Jahren in Schutzsystemen mit einem geschlossenen Stromkreis verwendet wird, um in den Phasen 10, 12, 14 des Feeders entweder symmetrische oder unsymmetrische Ströme zu ermittteln, die im Sekundärteil des Summationstransformators 28 als einzelne Ströme wiedergegeben werden. Der Summationstransfor­ mator 28 kann so ausgelegt sein, daß er die durch die Pilotschaltung auf die Stromtransformatoren 32, 34, 36 gegebene Last durch Wahl der Impedanzpegel mini­ miert, und der Summationstransformator 28 isoliert die Stromwandler 32, 34, 36 gegenüber der Pilotschaltung, so daß ersterer geerdet werden kann, wohingegen die Pilotleiter 16, 18 nicht geerdet sind. Der Summations­ transformator 28 hat bei 38 eine relevante 5-Kilo­ volt-Isolierung.

Die Schaltungen bzw. Schaltanordnungen an jeder Station (die "Sendestation") sind gleich aufgebaut, so daß lediglich eine beschrieben werden muß. Die Schaltanordnung umfaßt in jedem Fall zwei Elemente, nämlich einen Halb­ leitergleichrichter 40 und einen damit parallel geschalteten Widerstand 42, die ein Ende der Sekundärwicklung (zweite Wicklung) 44 des Summationstransformators 28 mit der Pilotleitungsklemme 20 verbinden, sowie einen weiteren Halbleitergleichrichter 40 und einen diesem parallel geschalteten Widerstand 42, welche das andere Ende der Sekundärwicklung 44 mit der Pilotleitungsklemme 22 verbinden.

Die Pilotleitungsklemmen 20, 22 sind durch wechselseitig gleiche entgegengesetzt geschaltete Halbleitergleichrichter 48, 50, die in Reihe geschaltet sind, miteinander verbunden, so daß die Wicklung 44 über die Pilotleitungsklemmen 20, 22 und über die beiden Halbleitergleichrichter 48, 50 geschaltet ist.

Die Wicklung 44 weist eine zentrale Abgriffstelle 52 auf. Die Spule 54 eines Schutzrelais mit einem ange­ zogenen Anker (attracted-armature) ist zwischen der Abgriffstelle 52 und einem Punkt 56 zwischen den Halbleitergleichrichtern 48, 50 geschaltet. Das Relais besitzt Kontakte bei 58, welche mit einer Magnetspule 59 eines Trennschalters verbunden sind, der Kontakte 61 öffnet, um den Feeder oder die Speiseleitung in Reaktion auf die Ermittlung interner Fehlzustände abzutrennen.

Ein nichtlinearer Widerstand 62 ist über die Relaisspule 54 geschaltet.

Ähnliche nichtlineare Widerstände 64, 66 sind mit den entsprechenden Hälften der Sekundär­ wicklung 44 parallel geschaltet.

Fig. 2 zeigt, daß die Schaltungsanordnung an je­ der Station einen Isoliertransformator 70 auf­ weist, dessen Primärwicklung (erste Wicklung) 72 parallel zu den entgegengesetzten Halblleitergleichrichtern 48, 50 geschal­ tet ist. Die Sekundärwicklung (zweite Wicklung) 74 des Isoliertrans­ formators 70 ist derart mit Abgriffstellen verse­ hen, daß eine Wahl von Wicklungen an der Sekundär­ wicklung 74 gegeben ist, welche parallel zu den Pilotleitungsklemmen 20, 22 (oder 24, 26) geschaltet ist.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Isoliertransformatoren 70 ergeben sich folgende Vorteile, nämlich

• a) eine vergrößerte Wahl der Kombination des Pilotdrahtwiderstands und der Kapazität wird durch die Verwendung der Abgriffstellen auf der Sekundärwicklung 74 des Isoliertransformators 70 verfügbar gemacht und
• b) das notwendige Niveau der Isolierung der Pilotdrähte braucht sich lediglich soweit wie der Isoliertransformator 70 erstrecken, so daß der übrige Teil der Schaltanordnung an jeder Station in Standardbauweise unabhängig vom Niveau der Pilotleiterisolierung zur Erde ausgeführt sein kann, welche kennzeichnender­ weise 5 Kilovolt oder 15 Kilovolt oder mehr betragen kann.

Fig. 2 zeigt auch ein wahlweises, jedoch bevor­ zugtes weiteres Merkmal. Dieses Merkmal ist die Überprüfung der Integrität der Prüf- oder Pilot­ leiter 16, 18 um sicherzustellen, daß ein Alarm ausge­ löst wird, falls die Pilotleiter 16, 18 beispielsweise in einen unterbrochenen Kreis gebracht, kurzge­ schlossen oder gekreuzt sind.

Die Prüfung verwendet eine Gleichstromquelle an einer Station (die "Sendestation") und ein Alarm­ relais an der anderen Station (die "Empfänger­ station"). Bevor der Prüfschaltkreis wirksam gemacht werden kann, ist es erforderlich, zwei Verbindungsglieder 75 abzunehmen, von denen ei­ nes die Pilotleitungsklemme 20 und die damit in Reihe angeord­ nete Klemme 21 und die andere die Pilotleitungsklemme 24 und eine damit in Reihe angeordnete Klemme 25 über­ brückt. Der Prüfschaltkreis wird dann wie folgt verbunden: An der "Sendestation" ist eine Gleich­ stromquelle 80 durch Leiter 82, 84 parallel bei­ spielsweise zu den Pilotleitungsklemmen 20, 22 und ein Konden­ sator 76 parallel zu der Pilotleitungsklemme 20 und der Klemme 21 geschal­ tet; an der "Empfängerstation" ist ein Alarmrelais 81 durch Leiter 83, 85 parallel zu den Pilotleitungsklemmen 24, 26 und ein Kondensator 77 parallel zu der Pilotleitungsklemme 20 und der Klemme 25 geschaltet.

In Fig. 2 geben die Pfeilköpfe die Punkte an, an denen die Leiter 82, 84 und 83, 85 und die Kondensatoren 76, 77 an den Klemmen 21, 25 und an den Pilotleitungsklemmen 20, 21, 24, 26 angeschlossen sind. Die Schalt­ kreise und Einrichtungen, durch welche der Prüf­ gleichstrom überwacht wird, sind nicht darge­ stellt.

Dort, wo Gleichstrom verwendet wird, wie in Fig. 2 dargestellt, sperren die Kondensatoren 76, 77, die ein integriertes Teil des Pilot- Prüfschaltkreises sind, den Gleichstrom zu den Sekundärwicklungen 74 der Isoliertransformatoren 70.

Der übrige Teil einer jeden Schaltungsanordnung in Fig. 2 ist ähnlich der in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsformen und braucht nicht wiederholt zu werden. Die Primärwicklungen 30 der Summations­ transformatoren 28, die Stromtransformatoren 32, 34, 36 und die Schaltkreisunterbrecherkontakte, die in Fig. 1 dargestellt sind, sind der Einfachheit halber in Fig. 2 weggelassen.

Bei den oben beschriebenen Beispielen des Systems ist vorzugsweise der wirksame Widerstand der Pilot­ drahtschleife gleich einem vorbestimmten Wert (beispielsweise 2000 Ohm) gemacht, indem ein Paddingwiderstand zwischen der Pilotleitungsklemme 20 (Fig. 1) und dem Rest des Systems links der Pilotleitungsklemme 20 vorgesehen und ein gleichgroßer Paddingwider­ stand zwischen der Pilotleitungsklemme 24 und dem Rest des Systems rechts von der Pilotleitungsklemme 24 vorgesehen ist.

In Fig. 2 würde der Paddingwiderstand zwischen der Klemme, mit welcher das obere Ende der lin­ ken (ersten) Wicklung 72 verbunden ist, und dem Rest des Systems auf der linken Seite sowie zwischen der Klemme, an welcher das obere Ende der rechten Wicklung 72 angeschlossen ist, und dem Rest des Systems auf der rechten Seite vorgesehen sein.

Die Paddingwiderstände sind in Reihe mit dem Pilotdraht 16 geschaltet und können die Form von variablen Widerständen oder Ketten von Widerständen mit abnehmbaren Gliedern aufweisen, die parallel zu den Widerständen geschaltet sind, wobei der Wert des Paddingwiderstandes durch selektive Entfernung von Gliedern verändert wer­ den kann.

Fig. 3 zeigt bei (a und b) die wirksamen Schalt­ kreise äquivalent zum Pilotschaltkreis gem. Fig. 1 während aufeinanderfolgender Halbzyklen des Wechselstroms in der Sekundärwicklung 44 bei einem Fehler außerhalb des Feeders 10, 12, 14. Die Fig. 3 zeigt auch die entsprechende Spannungsver­ teilung bei (a und b), wobei der Widerstand Ra der beiden Widerstände 42 gleich und jeweils größer als die Hälfte der Summe der Paddingwi­ derstände an den lokalen und entfernten Enden und der Widerstände der Pilotdrähte 16, 18 ist.

Bei (c) gehen aus Fig. 3 die Spannung über den Pilotleitern 16, 18 bei X₁-X und Y₁-Y sowie die Relais­ spannungen bei X₁-C sowie Y₁-C sowie die Relais­ spannungen bei X-C und Y-C sämtlich für aufein­ anderfolgende Halbzyklen hervor.

Fig. 3 zeigt, daß die Polarität der Spannung über den Schutzrelais 54 in jedem Halbzyklus entgegengesetzt zu der ist, die für den Betrieb erforderlich ist, so daß die Schutzrelais 54 in ihrer un­ wirksamen Stellung bleiben. Diese Spannung muß überwunden werden, bevor die Schutzrelais 54 arbeiten kön­ nen, so daß das System eine inhärente Stabilität besitzt.

Fig. 4 zeigt die Spannungen, die in aufeinander­ folgenden Halbzyklen in der zu Fig. 1 äquivalen­ ten Schaltung bei einem internen Fehler entstehen, wobei auf die Fehlerstelle von beiden Enden der Leitung gespeist wird.

Die Polaritäten der Spannungen sind nun so, daß in jedem Halbzyklus Strom durch die Schutzrelais 54 fließen kann, um die zugehörigen Relais 59 zu betätigen, so daß die Schutzunterbrecher 61 des Feeders ausgelöst wer­ den. Die Antwort des Schutzsystems (System) auf Störzustände ist somit nicht von der Polarität des Halbzyklusses ab­ hängig, in dem der Störzustand eintritt. Jedes Schutz­ relais 54 empfängt bei einer Reaktion auf einen Störzustand Strom über jeden vollen Zyklus des Stroms. Die maximale Ansprechzeit des Systems ist somit geringer als in Systemen bekannter Art, in denen wegen der asymmetrischen halbwellenförmi­ gen Schaltform der verwendeten Anordnungen das Ansprechen des Systems auf Störzustände während der alternierenden Halbzyklen verhindert war (beispielsweise während negativer Halbzyklen), wobei ein Ansprechen lediglich während der da­ zwischenliegenden (positiven) Zyklen möglich war. Wenn somit an einem Punkt in einem negativen Halb­ zyklus ein Störzustand auftrat, wurde der Beginn des Stromflusses in den Relais immer bis zu ei­ nem Punkt im nächsten positiven Halbzyklus ver­ zögert. In jedem vollen Stromzyklus empfing das Relais Strom für eine Periode von lediglich einem halben Zyklus. Die Ansprechzeit des Systems war deshalb beträchtlich größer als bei den Ansprech­ zeiten in Systemen unter Verwendung der Erfindung.

Die Betriebsweise des in den Fig. 2 und 3 darge­ stellten Systems ist ähnlich der eben beschriebenen Betriebsweise.

Die nichtlinearen Widerstände 62, 64 und 66 be­ grenzen die Spannungen über der Spule des Schutzrelais 54 und über die Pilotleiter 16, 18, wobei die Wider­ standswerte der nichtlinearen Widerstände 62, 64, 66 abnehmen, wenn die Span­ nung über den nichtlinearen Widerständen 62, 64, 66 zunimmt.

Durch geeignete Wahl der Werte der Komponenten und der Transformatorabgriffstellen kann das oben be­ schriebene Schutzsystem auf die folgenden Störzu­ stände ansprechen: Jede Phase 10, 12 oder 14 zur Erde, irgendein Kurzschluß zwischen zwei Phasen und jeder 3-Phasenfehler.

Der Prüfschaltkreis, der in jeder Schutzschaltungsan­ ordnung in Fig. 2 dargestellt ist, kann, falls be­ vorzugt, in den in Fig. 1 dargestellten Schaltungsan­ ordnungen verwendet werden. Die Kondensatoren 76 würden dann zwischen entsprechenden Pilotleitungsklemmen 20 bzw. 24 und den jeweiligen Halbleitergleichrichtern 48 geschaltet werden.

Claims (5)

1. Schutzsystem für eine Elektrizitätsversorgungsleitung, wobei

• am Anfang und Ende der Elektrizitätsversorgungs­ leitung (Versorgungsleitung) jeweils eine Schaltungs­ anordnung vorgesehen ist,
  jede Schaltungsanordnung aufweist:
  einen Summationstransformator
  dessen Primärwicklung mittels Stromtransformatoren induktiv mit der Versorgungsleitung gekoppelt ist,
  dessen Sekundärwicklung über eine Parallelschaltung mit Pilotleitungsklemmen verbunden ist,
  die Parallelschaltung, welche aus einem Widerstand und einem Halbleitergleichrichter besteht, in der Verbindung von dem einen Ende der Sekundärwicklung zu einer der Pilotleitungsklemmen angeordnet ist,
  eine Verbindung zwischen den beiden Pilotleitungs­ klemmen, und
  eine Schutzrelaisspule, und
  die einander entsprechenden Pilotleitungsklemmen der Schaltungsanordnungen am Anfang und Ende der Versor­ gungsleitung jeweils durch Pilotleiter miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Schaltungsanordnung
  die Sekundärwicklung (44) des Summationstransformators (28) eine Abgriffstelle (52) aufweist, an der das Schutz­ relais (54) mit einem seiner Anschlüsse angeschlossen ist,
  eine weitere Parallelschaltung vorgesehen ist, welche aus einem weiteren Widerstand (42) und einem weiteren Halb­ leitergleichrichter (40) besteht, und die in der Ver­ bindung von dem anderen Ende der Sekundärwicklung (44) zu der anderen der Pilotleitungsklemmen (22; 26) ange­ ordnet ist,
  zwischen die beiden Parallelschaltungen (40, 42) zwei entgegengesetzt geschaltete Halbleitergleichrichter (48, 50) geschaltet sind,
  der andere Anschluß des Schutzrelais (54) an einem Punkt (56), an dem die beiden entgegengesetzt geschalteten Halbleitergleichrichter (48, 50) verbunden sind, angeschlossen ist,
  ein Isoliertransformator (70) vorhanden ist,
  dessen erste Wicklung (72) parallel zu den entgegenge­ setzt geschalteten Halbleitergleichrichtern (48, 50) geschaltet ist, und
  dessen zweite Wicklung (74) die Verbindung zwischen den Pilotleitungsklemmen (20, 22; 24, 26) herstellt, und die Schutzrelais (54) betätigt werden und eine Abschal­ tung der Versorgungsleitung (10, 12, 14) erfolgt, wenn an den Sekundärwicklungen (44) positive oder negative Halb­ wellen gleichzeitig auftreten.

2. Schutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Abgriffstellen an der zweiten Wicklung (74) vorgesehen sind.

3. Schutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtlinearer Widerstand (62) parallel zum Schutzrelais (54) ge­ schaltet ist.

4. Schutzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Reihe geschaltete nichtlineare Widerstände (64, 66) parallel zur Sekundärwicklung (44) geschaltet sind und die Abgriffstelle (52) an der Sekundärwicklung (44) mit einem Punkt zwi­ schen den nichtlinearen Widerständen (64, 66) verbunden ist.

5. Schutzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung der Integrität der Pilot­ leiter (16, 18) eine Gleichstromquelle (80) parallel zu den Pilotleitungs­ klemmen (20, 22) der Schaltungsanordnung am Anfang der Versorgungsleitung (10, 12, 14) und ein Alarmrelais (81) parallel zu den Pilotleitungsklem­ men (24, 26) der Schaltungsanordnung am Ende der Versorgungsleitung (10, 12, 14) geschaltet sind, und jeweils ein Kondensator (76; 77) zwischen einer der Pilotleitungsklemmen (20; 24) und dem übrigen Teil der jeweiligen Schal­ tungsanordnung geschaltet ist.