DE3235239C2

DE3235239C2 -

Info

Publication number: DE3235239C2
Application number: DE19823235239
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. 8520 Erlangen De Maier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-09-23
Filing date: 1982-09-23
Publication date: 1987-09-24
Also published as: DE3235239A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fehlerortung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Zur Fehlerortung kann bekanntlich die Richtung und/oder der Abstand eines Leitungsfehlers in bezug auf einen Meßort mit Meßeinrichtungen zur Erfassung der Leitungsspannungen und Leitungsströme bestimmt werden. In der Praxis handelt es sich im allgemeinen um die Ortung von spannungsabsenkenden Fehlern auf der Leitung, d. h. von Kurzschlüssen mit geringer oder oft vernachlässigbarer Restspannung am Fehlerort. Diese Aufgabe wird im allgemeinen mit Hilfe von elektromechanischen oder elektronischen Distanzrelais gelöst, die im wesentlichen die Eingangsimpedanz der gestörten Leitung mit derjenigen in einem Normalzustand vergleichen und demgemäß das Vorhandensein oder die Bildung von wenigstens annähernd sinusförmigen Eingangssignalen voraussetzt. Solche Meßsignale stehen jedoch erst nach dem Abklingen der durch den Fehlereintritt ausgelösten Ausgleichsvorgang zur Verfügung. Es muß deshalb eine entsprechende Verzögerungszeit in Kauf genommen werden. Auch die Vorschaltung von Filtern, die aus dem anfangs vorhandenen breiten Spektrum der Ausgleichsvorgänge eine geeignete Frequenzkomponente heraussieben sollen, verursachen durch ihre trägheitsbehaftete Übergangsfunktion ebenfalls wieder eine Verzögerung und stellen im übrigen einen unerwünschten zusätzlichen Schaltungsaufwand dar. Allgemein geht das Bestreben dahin, das Zeitintervall ab Fehlereintritt bzw. Fehlerdetektion und Anregung des Distanzrelais bis zur Verfügbarkeit zuverlässiger Information über Fehlerrichtung bzw. Fehlerentfernung so gering wie möglich zu halten.

Es ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Fehlerortung auf einer Leitung bekannt, bei dem eine der Phasen- oder Leiterzahl der Leitung entsprechende Anzahl von in bezug auf die Leitungsinduktivitäten und Leitungskapazitäten voneinander entkoppelten Paaren von gegenläufigen Wanderwellensignalen gebildet wird. Mit diesen Wanderwellensignalen oder davon abgeleiteten Signalen als Integranden werden mindestens zwei Zeitintegrale gebildet, von denen jede einer Wellenfortpflanzungsrichtung auf der Leitung zugeordnet ist. Diese Zeitintegrale werden zu einer mit ihrem Vorzeichen bzw. Betrag die Fehlerrichtung bzw. die Fehlerentfernung bezüglich des Meßortes kennzeichnenden Auswertefunktion verknüpft, die mindestens eine Differenz zweier Zeitintegrale gegenläufiger Wanderwellensignale oder davon abgeleiteter Größe umfaßt. Wesentlich ist die Integration über definierte Integrationsintervalle, die eine verzögerungsarme logische oder arithmetische Verarbeitung und Auswertung der erhaltenen Zeitintegrale ermöglicht. Die Mindestdauer des Integrationsintervalls ist dadurch bestimmt, daß trotz der in den Wanderwellensignalen im allgemeinen hervortretenden Schwingungen mit einer in der Größenordnung der Wellenlaufzeiten über die betrachtete Leitung liegenden Periodendauer keine Überschneidungen der Zeitintegrale mehr auftreten. Somit ist beim Ende der Integrationen eine eindeutige Zuordnung zwischen den Vorzeichen der Differenz der Zeitintegrale für die gegenläufigen Wanderwellensignale und der Richtung der Zeitverschiebung zwischen diesen Wanderwellensignale gegeben (deutsche Auslegeschrift 25 23 006).

Aus der deutschen Patentschrift 29 32 929 ist eine auf digitaler Basis arbeitende Anordnung zur Fehlerortsbestimmung in einer elektrischen Übertragungsleitung bekannt, bei der mittels einer Abtastschaltung sowohl die Spannung als auch der Strom stichprobenweise abgetastet werden. Die Strom- und Spannungswerte am Meßort sind mit den Strom- und Spannungswerten am Fehlerort mittels eines Gleichungssystems, dessen Koeffizienten jeweils vom Abstand zwischen Fehlerort und Meßort abhängen, verknüpft. Aus diesem Gleichungssystem wird dann durch Vergleich zwischen den Strom- und Spannungswerten am Meßort vor und nach dem Eintritt des Fehlers bei Kenntnis des Wellenwiderstandes und der charakteristischen Impedanz der Leitung der Fehlerort ermittelt. Die Gültigkeit des verwendeten Gleichungssystems setzt jedoch einen eingeschwungenen Zustand auf der Leitung voraus, so daß eine Ermittlung des Fehlerorts erst nach einigen vollständigen Wechselspannungsperioden durchgeführt werden kann.

Auch bei den aus den US-Patentschriften 41 07 778 und 43 14 199 vorbekannten digitalen Vorrichtungen zur Fehlerortsbestimmung wird die Ermittlung des Fehlerortes in einem Rechner auf der Grundlage von Leitungsgleichungen durchgeführt, deren Anwendbarkeit einem eingeschwungenen Zustand auf der Übertragungsleitung voraussetzt.

Die bekannten digitalen Verfahren ermöglichen somit eine Fehlerortsbestimmung erst ab einem Zeitpunkt, bei dem die nach Eintritt des Fehlers auf der Leitung stattfindenden Ausgleichsvorgänge bereits abgeklungen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verhältnismäßig einfaches und digital arbeitendes Verfahren zur Fehlerortung auf einer Leitung anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Bei diesem Verfahren wird die Fehlerortung auf einer Leitung durch eine Spannungs- und Strommessung an einem Meßort und durch eine praktisch verzögerungsfreie logische oder arithmetische Verknüpfung bestimmt. Besonders vorteilhaft ist die Digitalisierung der Meßwerte für Spannung und Strom und die fortlaufende Speicherung, weil nur jeweils drei aufeinanderfolgende digitale Spannungs- und Stromwerte benötigt werden. Als Ergebnis der arithmetischen Verknüpfung erhält man ein Signal, dessen Betrag die Fehlerentfernung und dessen Vorzeichen die Fehlerrichtung bezüglich des Meßortes kennzeichnet.

Durch die Digitalisierung vermeidet man, im Gegensatz zur analogen Fehlerortung auf einer Leitung, Verformung der Meßwerte durch Störungen, unterschiedliche Temperaturdrifte der Bauteile und einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau. Außerdem erreicht man mit diesem Verfahren ohne großen Aufwand Reaktionszeiten von einigen Millisekunden in der die Fehlerortung erfolgt ist.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Mit der dargestellten Ausführungsform wird die Wirkungsweise der Erfindung für einen Leiter 2 enthaltende Leitung mit einer Meßstation 4 am Meßort x = 0, von dem die Leitungskoordinate x beispielsweise nach rechts positiv gerechnet wird. Demgemäß sei x = x _e das Ende eines zu betrachtenden Leitungsabschnittes, und x = z der Ort eines angenommenen Fehlers, beispielsweise eines Kurzschlusses mit dem Querwiderstand Null. Die Meßstation 4 umfaßt einen Spannungswandler 6 zur Erfassung der Spannung u und einem Stromwandler 8 zur Erfassung des Stromes i. In Analog-Digitalwandlern 10 und 12 werden der Strom i und die Spannung u digitalisiert und anschließend vorzugsweise einem Mikroprozessor 14 zugeführt. Am Ausgang 16 des Mikroprozessors 14 steht das Fehlerortssignal x _F zur Verfügung. Von den digitalisierten Spannungs- und Stromwerten werden jeweils innerhalb einer Viertelperiode drei aufeinanderfolgende Spannungswerte u _ν, u _{ν _-1 und u _{n _-2 und die Stromwerte i _ν,
i _{ν _-1 und i _{ν _-2 gespeichert, nachdem die drei aufeinanderfolgenden
Stromwerte i _ν, i _{ν _-1 und i _{n _-1 zuvor mit dem Wellenwiderstand Z _W
der Leitung multipliziert worden sind. Die
Signalverarbeitung beruht auf folgender Überlegung:
Die am Kurzschlußort x = z entstehende und auf den Meßort x = 0
zulaufende Wanderwellen h(t) hat den zeitlichen Verlauf:
h(t) = u(t) + Z _W · i(t). (1)
Die am Meßort x = 0 vollständig reflektierte Wanderwelle läuft
zum Kurzschlußort x = z zurück, wo sie mit dem Reflexionsfaktor
ρ reflektiert wird und wieder zum Meßort x = 0 zurückläuft,
wo sie als reflektierte Wanderwelle
r(t) = -u(t) + Z _W · i(t) (2)
registriert wird.
Der Zeitunterschied zwischen auf den Meßort x = 0 zulaufender
Wanderwelle h(t) und rücklaufender Wanderwelle r(t) ist gleich
der doppelten Laufzeit τ vom Kurzschlußort x = z zum Meßwert
x = 0. Die Amplitude der rücklaufenden Wanderwelle wird durch
den Reflexionsfaktor ρ bestimmt, so daß gilt:
r(t + 2τ ) = ρ · h(t). (3)
Wenn durch die verwendeten Strom- und Spannungswandler die
obere Grenzfrequenz der transienten Vorgänge beispielsweise mit
500 Hz, also mit 2 msec Periodendauer, angenommen wird, die
Laufzeit τ beispielsweise für eine 100 km lange Leitung etwa
0,3 msec beträgt und die Abtastfrequenz für die Spannung und
den Strom beispielsweise 5 kHz, d. h. 1/10 der Periodendauer der
oberen Grenzfrequenz der transienten Vorgänge beträgt, so kann
man die Gleichung (3) in eine Taylor-Reihe entwickeln:

Die Spannung u(t) und der Strom i(t) werden äquidistant mit
einer Abtastrate Δ t abgetastet; somit werden auch aus der auf
den Meßort zulaufenden Wanderwelle h(t) und der rücklaufenden
Wanderwelle r(t) äquidistante Meßpunkte h _ν und r _ν. Die zeitliche
Ableitung dr(t) /dt kann man durch eine Differenz ersetzen,
so daß für die letzte zulaufende Wanderwelle h _ν und
für die vorletzte zulaufende Wanderwelle h _{ν _-1 gilt:

beziehungsweise

Aus den Gleichungen (5) und (6) erhält man die Laufzeit τ aus

In der Schaltungsanordnung gemäß der dargestellten Ausführungsform
werden aus den drei aufeinanderfolgenden Spannungswerten
und aus den mit dem Wellenwiderstand Z _W behafteten Stromwerten
zwei aufeinanderfolgende zulaufende Wanderwellensignale h _ν und
h _{ν _-1 und drei aufeinanderfolgende rücklaufende Wanderwellensignale
r _ν, r _{ν _-1 und r _{ν _-2 gebildet. Danach werden zwei Wanderwellensignaldifferenzen
r _n-r _{ν _-1 und r _{ν _-1-r _{ν _-2 gebildet.
Anschließend werden aus den zulaufenden Wanderwellensignalen h _ν
und h _{ν _-1, den rücklaufenden Wanderwellensignalen r _ν und r _{ν _-1
und den Wanderwellensignaldifferenzen r _ν-r _{n _-1 und
r _{ν _-1-r _{ν _-2 Wanderwellensignalprodukte h _n · r _{ν _-1, h _ν · r _ν
und h _n · (r _{ν _-1-r _{ν _-2) sowie h _{ν _-1 · (r _ν-r-_{ν _-1) gebildet. Die
Laufzeit τ wird nun gemäß der Gleichung (7) bestimmt. Um nun
ein aussagefähiges Signal über den Fehlerort x = z auf der Leitung
2 am Ausgang 16 des Mikroprozessors 14 zu erhalten, wird
mit Hilfe der Laufzeit und der Geschwindigkeit v der Wanderwellen
für lange verlustlose Leitungen ein Fehlerortsignal x _F
mit folgender Gleichung x _F=Z _W/L′ · τ ermittelt, wobei Z _W der
Wellenwiderstand der Leitung 2 und L′ der Induktivitätsbelag
der Leitung 2 ist. Der Betrag des Fehlerortsignals x _F kennzeichnet
die Fehlerentfernung vom Meßort x = 0 und das Vorzeichen
des Fehlerortssignals x _F kennzeichnet die Richtung bezüglich
des Meßortes.}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

Claims

1. Verfahren zur Fehlerortung auf einer Leitung (2), bei dem an einem Meßort (x = 0) die Laufzeitdifferenz ( τ ) von Wanderwellensignalen ermittelt wird und durch Multiplikation dieser Laufzeit ( τ ) mit dem Quotienten aus dem Wellenwiderstand (Z _W ) und dem Induktivitätsbelag L′) der Leitung (2) ein Fehlerortssignal (X _F ) abgeleitet wird, wobei das Vorzeichen die Fehlerrichtung und der Betrag die Fehlerentfernung vom Meßort (x = 0) angibt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrenschritte:

a) zur Bestimmung der Laufzeit ( τ ) werden die Meßwerte für Spannung (u) und Strom (i) digitalisiert,
b) jeweils drei aufeinanderfolgende digitale Spannungswerte u _ν, u _{ν _-1 und u _{ν _-2 und Stromwerte i _ν, i _{n _-1 und i _{ν _-2 werden
innerhalb einer Viertelperiode aufgenommen,
c) die drei aufeinanderfolgenden Stromwerte i _n, i _{ν _-1 und
i _{ν _-2 werden jeweils mit dem Wellenwiderstand (Z _W ) der Leitung
(2) multipliziert und gespeichert,
d) durch jeweilige Addition zweier aufeinanderfolgender Spannungswerte
u _ν und u _{ν _-1 zu den jeweils mit dem Wellenwiderstand (Z _W ) multiplizierten
Stromwerten i _ν und i _{ν _-1 werden auf den Meßort
(x = 0) zulaufende Wanderwellensignale h _n, h _{ν _-1 gebildet,
e) durch jeweilige Subtraktion dieser drei aufeinanderfolgenden
Spannungswerte u _ν, u _{ν _-1 und u _{ν _-2 von den jeweils mit dem Wellenwiderstand (Z _W )
multiplizierten Stromwerten i _ν, i _{ν _-1 und i _{ν _-2
werden vom Fehlerort (x = z) rücklaufende Wanderwellensignale
r _ν, r _{ν _-1 und r _{n _-2 gebildet,
f) jeweils zwei Wanderwellensignale bilden ein
Wanderwellensignalprodukt h _ν · r _{n _-1 und h _{ν _-1 · r _ν,
g) aus dem Wanderwellensignalprodukt h _{n _-1 · r _ν und dem Wanderwellensignalprodukt h _{ν _-1 · r _n wird eine erste Differenz und dem Wanderwellensignalprodukt
h _ν · (r _{ν _-1-r _{n _-2) und dem Wanderwellensignalprodukt
h _{ν _-1 · (r _ν-r _{n _-1) wird eine zweite Differenz gebildet,
wobei die Multiplikatoren der Wanderwellensignalprodukte
h _ν · (r _{n _-1-r _{ν _-2) und h _{ν _-1 · (r _ν-r _{ν-_-1) jeweils aus einem
Signal (h _ν, h _{ν _-1) von auf den Meßort (x = 0) zulaufenden
Wanderwellen und aus einer Signaldifferenz (r _{ν _-1-r _{ν _-2)
bzw. (r _n-r _{ν _-1) rücklaufender Wanderwellen bestehen,
h) der Quotient aus erster zu zweiter Differenz ergibt die Laufzeit ( t ).}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils drei aufeinanderfolgende, digitale Spannungswerte u _ν, u _{ν _-1 und u _{ν _-2 und Stromwerte i _ν,
i _{n _-1 und i _{ν _-2 fortlaufend gespeichert werden.}}}}