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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Ortung
eines Fehlers auf einer elektrischen Leitung in einem
elektrischen Energietransportnetz, um den Abstand zwischen einem
Ende der Leitung und einem auf dieser Leitung aufgetretenen
Fehler zu bestimmen.
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In bekannten Ortungsverfahren werden Meßsignale von
Augenblickswerten des Stroms und der Spannung im Meßpunkt
erzeugt, und das Ohm'sche Gesetz wird auf die fehlerhafte
Leitung angewandt. Der Widerstand und die Leitungsinduktanz
sind bekannt, so daß der Abstand zwischen dem Meßpunkt und der
Fehlerstelle nach Eliminierung der durch den Widerstand des
Fehlers gebildeten Unbekannten bestimmt wird.
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Weiter ist aus dem Dokument DE-A 2 112 136 ein
Verfahren zur Ortung eines Fehlers auf einer elektrischen Leitung
ausgehend von Augenblicksmessungen bekannt, die an jedem Ende
der Leitung durchgeführt werden, auf der ein Fehler erfaßt
worden war, wobei der Abstand des Fehlers von einem
Leitungsende ausgehend von den Augenblickswerten der durchgeführten
Messungen und dem Wert der Leitungsimpedanz berechnet wird.
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Ziel der Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur
Ortung von Fehlern anzugeben, das durch einfache Messungen
eine genaue Ortung eines Fehlers auf einer elektrischen
Leitung unabhängig vom Widerstand des Fehlers und ohne
Berücksichtigung der schlecht definierten und veränderlichen
Leitungskennwerte erlaubt.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Gegenstand ein
Verfahren zur Fehlerlokalisierung auf einer elektrischen Leitung
ausgehend von Messungen, die an jedem Ende der Leitung
durchgeführt werden, auf der der Fehler erfaßt wurde, wobei der
Abstand des Fehlers in Bezug auf ein Ende der Leitung
ausgehend von empfangenen Werten und von dem Wert der Impedanz der
Leitung berechnet wird und wobei diese Werte in einem gleichen
Punkt empfangen werden, im wesentlichen dadurch
gekennzeichnet,
daß die durchgeführten Messungen Messungen von
nichthomopolaren Übergangsgrößen sind, wobei der Fehler einer
Spannungsquelle gleichgesetzt wird, daß die verwendeten Werte die
Werte entweder von gemessenen Übergangsgrößen oder von
skalaren Größen sind, die ausgehend von den Übergangsgrößen
erarbeitet wurden, wobei der Abstand des Fehlers von einem Ende
der Leitung ausgehend von den empfangenen Werten und dem Wert
der Impedanz der Leitung in dem den gemessenen Größen
entsprechenden Modus berechnet wird.
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Das erfindungsgemäße Ortungsverfahren beruht auf dem
Prinzip des Fehlergenerators, d.h. indem man den Fehler als
eine Spannungsquelle betrachtet und indem man in Kenntnis der
Leitungsimpedanz den Ort des Fehlers abhängig vom
Spannungsabfall zwischen dem Fehlerpunkt und jedem Ende des
Leitungsabschnitts bestimmt.
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Dieses Verfahren besitzt zahlreiche Vorteile.
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Erstens ist die Ortung unabhängig vom Widerstand des
Fehlers, und das Verfahren kann sich auf jeden Fehlertyp
erstrecken, nämlich unsymmetrische Erdung, Phasenfehler, oder
selbst symmetrische Dreiphasenfehler.
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Außerdem wird durch die Wahl der nicht homopolaren
Übergangsgrößen die Ortung unabhängig von den Nennwerten der
homopolaren Leitungsimpedanz, selbst für einphasige Erdfehler.
Es handelt sich hier um ein wichtiges Merkmal des Verfahrens,
da die homopolare Leitungsimpedanz im allgemeinen schlecht
definiert ist und sich zeitlich ändert, insbesondere abhängig
von Wetterbedingungen.
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Die Übergangsgrößen bestehen aus den Differenzen
zwischen Spannungs- und Stromwerten nach dem Auftreten des
Fehlers und entsprechenden Spannungs- und Stromwerten vor dem
Auftreten des Fehlers.
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Verschiedene Typen von Übergangsgrößen können für die
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet
werden.
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So kann man für symmetrische oder transponierte
Leitungen
die direkten Übergangsströme und -spannungen verwenden.
Die an jedem Leitungsende gemessenen Größen sind die direkten
Komponenten von Strom und Spannung, und die direkte
Leitungsimpedanz wird zur Berechnung des Abstands des Fehlers
verwendet. Alle Arten von unsymmetrischen oder dreiphasigen Fehlern
könne so geortet werden, und zwar ohne daß eine Auswahl der
Phase der fehlerhaften Schleife notwendig wäre.
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Für den Fall von symmetrischen oder transponierten
Leitungen kann man auch inverse Ströme oder Spannungen
verwenden, die selbst Übergangsgrößen bilden. Man mißt also die
inversen Strom- und Spannungskomponenten an jedem Ende der
Leitung und verwendet die inverse Leitungsimpedanz (die
normalerweise der direkten Leitungsimpedanz gleicht) für die
Berechnung des Abstands des Fehlers. Wie im Fall der direkten
Übergangsgrößen ist keine Phasenauswahl erforderlich.
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Unter den anderen verwendbaren Übergangsgrößen können
die polaren Übergangsströme und -spannungen, die Ströme und
Spannungen von Übergangsphasen und die Übergangsströme und
-spannungen zwischen den Phasen genannt werden. Eine
Phasenauswahl der fehlerhaften Schleife ist dann notwendig, um die
Messungen durchzuführen und, wenn nötig, den Parameter
Leitungsimpedanz auszuwählen.
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Das die polaren Übergangsströme und -spannungen
verwendende Verfahren ist auf alle Arten von Fehlern anwendbar
und verwendet den polaren Impedanzparameter, der mit dem
direkten oder inversen Impedanzparameter im Fall von
symmetrischen oder transponierten Leitungen identisch ist.
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Das die Werte der Übergangsströme und -spannungen
zwischen den Phasen verwendende Verfahren ist auf alle
mehrphasigen Fehler anwendbar und verwendet die
Zwischenphasenimpendanzparameter der Leitung, die für eine unsymmetrische
nicht transponierte Leitung unterschiedlich sein können.
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Bezüglich der unsymmetrischen nicht transponierten
Leitungen ist zu bemerken, daß strenggenommen die zu
berücksichtigenden Größen und Kennwerte diejenigen eines der drei
Modi der Leitungsimpedanzen sein müßten.
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Unabhängig von der Art der gemessenen Größen erfolgt
die Berechnung des Abstands des Fehlers an einer Stelle, an
der die Werte dieser Größen oder von daraus abgeleiteten
Skalarengrößen empfangen werden.
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Beispielsweise erfolgt die Berechnung an einem
Leitungsende; die an diesem Leitungsende erhaltenen Werte sind
direkt verfügbar, während die am anderen Leitungsende
erhaltenen Werte über ein Übertragungssystem empfangen werden,
beispielsweise ggfs. durch Kodierung, Modulation und Übertragung
auf einen Nachrichtenkanal. Mittel zur Kompensation der
Leitungsverzögerungen werden eingesetzt, wenn die Berechnung
zeitlich variable Werte betrifft, um Werte des Stroms und der
Spannung zu berücksichtigen, die gleichzeitig an beiden
Leitungsenden vorliegen.
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Die durch die Verwendung von gleichzeitig an beiden
Leitungsenden auftretenden Werten hervorgerufenen Zwänge könne
umgangen werden, indem man nicht zeitlich abhängige Werte,
sondern Skalarwerte verwendet. Solche Skalarwerte können
nämlich getrennt an jedem Leitungsende ermittelt und dort vor
ihrer zeitversetzten Übertragung zum Berechnungspunkt mit
jeder gewünschten Genauigkeit gespeichert werden.
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Man kann z.B. skalare und energetisch homogene Größen
durch Integration von Produkten der gemessenen
Augenblicksgrößen mit einer entsprechenden Bezugsgröße verwenden, z.B.
der Betriebsspannung vor Auftreten des Fehlers oder noch
genauer dem Wert dieser Spannung in der Leitungsmitte.
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Andere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden
Erfindung gehen aus der nachfolgenden, nicht beschränkend zu
verstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen hervor.
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Figur 1 zeigt sehr schematisch eine fehlerhafte
Leitung.
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Figur 2 zeigt die Fehlergeneratormethode.
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Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Ortungsverfahrens.
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Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Ortungsverfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun zuerst
bezüglich seines Grundprinzips anhand der Figuren 1 und 2 kurz
erläutert.
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In Figur 1 ist eine elektrische Leitung 1 zu sehen,
die zwischen zwei Enden A und B in einem Abstand L überwacht
wird. Ein Fehler (beispielsweise ein Fehler zwischen einer
oder mehreren Phasen und Erde oder ein Fehler zwischen Phasen)
soll in einem Punkt D in einem Abstand d vom Punkt A
aufgetreten sein. Die Leitungsimpedanzen vor dem Punkt A und hinter
dem Punkt B werden mit ZSA und ZSB bezeichnet.
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Die Ortung des Fehlers durch die
Fehlergeneratormethode leitet sich aus dem Übergangsspannungsdiagramm in Figur 2
ab. Der Fehler wird als eine Übergangsspannungsquelle ΔVD
betrachtet, so daß man folgende Gleichungen schreiben kann:
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(1) ΔVD = ΔVA - x ZLΔIA
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(2) ΔVD = ΔVB - (1 - x) ZLΔIB.
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Hierbei ist ΔVA und ΔIA die Übergangsspannung bzw. der
Übergangsstrom im Punkt A. ΔVB und ΔIB sind Übergangsspannung
und Übergangsstrom im Punkt B, ZL ist eine charakteristische
Leitungsimpedanz und x ist das Verhältnis zwischen dem Abstand
d und der Gesamtlänge der Leitung L. Aus den Gleichungen (1)
und (2) ergibt sich:
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Es ist bemerkenswert, daß jede der Größen ΔVA, ΔIA,
ΔVB, ΔIB eine Übergangsgröße ist, d.h. einen Wert besitzt, der
gleich der Differenz zwischen dem Wert vor dem Fehler und nach
dem Fehler ist.
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Es ist weiter bemerkenswert, daß die Zahl x aus der
Gleichung (3) unabhängig von der Impedanz des Fehlers ist. Die
Größen ΔVA, ΔIA, ΔVB, ΔIB sind komplexe Zahlen und die
Gleichung
(3) kann nur in eine Formel zwischen den Absolutwerten
der Größen vereinfacht werden, wenn alle Impedanzen des
Netzes, in dem sich die Leitung L befindet, dasselbe Argument
haben.
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Wenn die Impedanzen ZSA und ZSB andere Argumente als
die Impedanz ZL besitzen, dann erfordert die Berechnung von x
die folgenden Operationen:
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(a) Vektorsumme der Größen des Zählers (ΔVA - ΔVB + ZLΔIB)
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(b) Vektorsumme der Größen des Nenners (ZLΔIA + ZLΔIB),
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(c) Messung der Absolutwerte N und D von Zähler und Nenner,
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(d) Berechnung des Quotienten x = N/D.
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Wie bereits angegeben, werden die gemessenen
Übergangsgrößen ΔVA, ΔIA, ΔVB, ΔIB unter den Größen eines nicht
homopolaren Modus ausgewählt, beispielsweise dem direkten
Modus. Die Impedanz ZL ist dann die dem gewählten Modus
entsprechende und ist eine bekannte Größe der Leitung 1. Die
Berechnung von x erfordert, daß an einem gemeinsamen Punkt die
Ergebnisse der an den beiden Leitungsenden durchgeführten
Messungen verfügbar sind. Soll die Berechnung am Punkt A
durchgeführt werden, muß man die Ergebnisse der am Punkt B
durchgeführten Messungen zum Punkt A übertragen. Diese
Übertragung kann über einen Funkkanal erfolgen. Das
erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb besonders für eine Verwendung in
Verbindung mit einem Differentialschutzsystem für die Leitung
verwendbar, für das Verbindungen zur Übertragung der
Stromgrößen zwischen den Enden der Leitung existieren. Es ist dann
nur noch notwendig, einen Kanal für die Übertragung der
Spannungsgrößen hinzuzufügen. Wenn die Berechnung von x aufgrund
von zeitabhängigen gleichzeitigen Werten der Größen an den
beiden Enden erfolgt, dann kann man mit den Vorrichtungen zur
Kompensation der Übertragungsverzögerung, die in den
Differentialschutzsystemen verwendet werden, auch für die Ortung
verwendbare synchrone Größen liefern. Es sei sogar bemerkt, daß
die Summe ΔIA + ΔIB, die im Nenner des die Größe x ergebenden
Bruchs steht, dem für den differentiellen Schutz erarbeiteten
differentiellen Strom entspricht.
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Eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
unter Verwendung der gemessenen zeitvariablen Werte der
Übergangsgrößen ist in Figur 3 gezeigt.
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Meßvorrichtungen 11, 12 ergeben in Echtzeit am Punkt A
die Werte der für den jeweiligen Modus erforderlichen Größen,
beispielsweise die direkte Spannung VA und den direkten Strom
IA. Es sei bemerkt, daß solche Vorrichtungen, die direkte
Größen, invertierte Größen, polare Phasengrößen,
Zwischenphasengrößen oder andere liefern können, bekannt sind und hier
nicht im einzelnen beschrieben werden müssen. Die Signale VA
und IA werden mit Hilfe von Speicherkreisen 13 und 14 kopiert,
deren Zustand in einem gewählten Zeitpunkt fixiert wird. Die
für VA und IA repräsentativen Signale am Ausgang der Kreise 13
und 14 werden an Subtrahierglieder 15 bzw. 16 angelegt, die im
übrigen direkt die Ausgangssignale der Meßvorrichtungen
zugeführt erhalten. Sobald ein Fehler erfaßt wird, werden die
Zustände der Kreise 13 und 14 unter Steuerung durch ein einer
nicht dargestellten Fehlererfassungsvorrichtung geliefertes
Signal festgehalten. Die Kreise 13 und 14 liefern also für die
Größen VA und IA vor einem Fehler repräsentative Signale, und
am Ausgang der Subtrahierglieder 15 und 16 verfügt man somit
über die gesuchten Übergangsgrößen ΔVA und ΔIA.
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Jeder der Kreise 13, 14 hat somit die Aufgabe, die
Phase und die Amplitude eines Spannungs- oder Stromsignals zu
speichern, wie sie vor Auftreten des Fehlers vorlagen, und
nach Auftreten des Fehlers ein extrapoliertes Signal zu
liefern, das das Spannungs- oder Stromsignal repräsentiert, wie
es ohne den Fehler existieren würde. Diese Schaltkreise, die
in analoger oder digitaler Form ausgebildet sind, gehören zum
Stand der Technik.
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In gleicher Weise verwendet man am Ende B der Leitung
Meßvorrichtungen 21, 22, die die Werte der direkten Spannung
VB und des direkten Stroms IB liefern, Speicherkreise 23, 24,
die die Werte von VB und IB vor dem Fehler festhalten sollen,
und Subtrahierglieder 25, 26, die Übergangsgrößen ΔVB, ΔIB
liefern.
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Die gemessenen Werte der Größen ΔVB und ΔIB werden an
Sender 31 und 32 angelegt, wo sie ggfs. nach einer Kodierung
moduliert und in Echtzeit zum Punkt A ausgesendet werden. Die
im Punkt A empfangenen Signale werden demoduliert und ggfs.
dekodiert durch Empfänger 33 und 34. Die Übertragung zwischen
dem Punkt B und dem Punkt A erfolgt über eine
Nachrichtenstrecke 30 unter Verwendung eines Kanals für den
Übergangsstrom und eines anderen Kanals für die Übergangsspannung. Die
Werte der Größen ΔVA, ΔIA, ΔVB, ΔIB werden an einen
Rechenkreis 19 angelegt, der die Größe x ausgehend von den
Übergangsgrößen und dem vorher gespeicherten Wert der
Leitungsimpedanz ZL im gewählten Modus berechnet. Verzögerungskreise
17 und 18 sind zwischen die Subtrahierglieder 15 und 16 und
den Rechenkreis 19 eingefügt, um die Übertragungsverzögerung
der Werte der Größen ΔVB und ΔIB zu kompensieren.
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Eine andere Ausführungsform für das Verfahren gemäß
der Erfindung unter Verwendung von Werten von Skalargrößen ist
in Figur 4 dargestellt.
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Wie im Fall der Figur 3 sieht man im Punkt A
Meßvorrichtungen 41, 42, die die Werte VA und IA liefern,
Speicherkreise 43, 44, die die Werte VA und IA empfangen und beim
Auftreten eines Fehlers festhalten, und Subtrahierglieder 45,
46, die die Augenblickswerte von ΔVA und ΔIA nach Auftreten
des Fehlers liefern. Der Wert von ΔIA wird mit ZL und die
Werte von ΔVA und ZLΔIA werden je mit einer gleichen
Bezugsspannung VR multipliziert. Die erhaltenen Produkte werden in
Integratoren 47 bzw. 48 über eine Periode T ausgehend vom
Auftreten des Fehlers integriert, d.h. ausgehend vom Empfang
des Signals SD. Die erhaltenen Werte für die Integrale ΣΔVA =
ΔVA*VR und ΣZLΔIA = ZLΔIA*VR werden in Speichern 49 bzw. 50
gespeichert.
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In gleicher Weise findet man im Punkt B
Meßvorrichtungen 51 und 52, die die Werte von VB und IB liefern,
Speicherkreise
53 und 54, die VB und IB empfangen, die bei Auftreten
des Fehlers festgehalten werden, Subtrahierglieder 55 und 56,
die die Augenblickswerte von ΔVB und ΔIB liefern,
Integrierglieder 57, 58, die die Werte der folgenden Integrale liefern:
ΣΔVB = ΔVB*VR und ΣZLΔIB = ZLΔIB*VR und Speicher 59 und 60
zur Speicherung der Integralwerte.
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Die Werte der Größen ΔVB und ZLΔIB werden mit einer
Bezugsspannung VR multipliziert, die derjenigen im Punkt A
gleicht, und die erhaltenen Produkte werden über eine gleiche
Periode T ausgehend vom Auftreten des Fehlers wie die
entsprechenden Produkte im Punkt A integriert. So bildet man
gleichzeitig im Punkt A und im Punkt B in Echtzeit skalare Größen
ΣΔVA, ΣZLΔIA, ΣΔVB und ΣZLΔIB, die energiehomogen sind.
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Die im Punkt B ermittelten skalaren Größen werden an
Sendekreise 62 und 63 angelegt, wo sie ggfs. nach Kodierung
moduliert und über eine Verbindung 61 zum Punkt A ausgesendet
werden. Dort werden sie durch Empfänger 64 und 65 demoduliert
und ggfs. dekodiert. Die Berechnung von x erfolgt dann
zeitversetzt mit Hilfe folgender Gleichung
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Diese Berechnung erfolgt in einem Rechenkreis 69, der
die verschiedenen skalaren Größen zugeführt erhält.
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Die Verwendung von skalaren Größen ermöglicht den
Verzicht auf eine Echtzeitübertragung vom Ende B zum Ende A
und auf die Kompensation der Übertragungsverzögerung, da die
Übertragung und die Berechnung zeitversetzt erfolgen können.
Da man hier keine Synchronisationsprobleme mehr hat, ist es
nicht sinnvoll, einen Übertragungskanal ganz für das
betreffende Signal zu reservieren. So kann die Übertragung von
skalaren Größen vom Punkt B zum Punkt A vorzugsweise mit Hilfe
eines umgeschalteten Nachrichtenkanals oder eines
Zeitmultiplexkanals erfolgen.
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Die Bezugsspannung VR soll dieselbe im Punkt A und im
Punkt B sein. Man kann die vor dem Fehler vorliegende und
gespeicherte Betriebsspannung hierfür verwenden.
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Um eine gleiche Bezugsspannung trotz des Einflusses
des Ladestroms vor dem Fehler zu erhalten, kann man die
Leitungsspannung in der Mitte der Leitung 1 verwenden,
also im Punkt A
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und im Punkt B
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Hierbei sind VLA = VLB die Leitungsspannung in A bzw.
B und ILA = -ILB die Ladeströme vor dem Fehler.
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Im Punkt A werden die Größen VLA und ILA durch
Meßvorrichtungen 70, 71 geliefert, deren Ausgänge mit Hilfe eines
Kreises 72 verknüpft werden, der liefert
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Der Ausgang des Kreises 72 wird an einen Speicherkreis
73 angelegt, der die Spannung VR liefert, wobei der
Speicherkreis 73 beispielsweise ähnlich wie die Kreise 13 und 14
ausgebildet ist.
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In gleicher Weise werden im Punkt B die Größen VLB und
ILB von Meßvorrichtungen 75 und 76 geliefert, die in einem
Kreis 77 verknüpft werden, um die folgende an den
Speicherkreis 78 angelegt Größe zu liefern:
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Die Wahl der Bezugsspannung VR gemäß obiger Definition
schränkt die Erfindung nicht ein. Andere Größen können
verwendet werden, solange sie gleiche Bezugsgrößen an den beiden
Enden der Leitung gewährleisten.
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Im übrigen kann bei der Ausarbeitung von skalaren
Größen durch Integration des Produkts zweier Wechselsignale
der Fall auftreten, daß die beiden Signale praktisch in
Quadratur liegen, so daß das Meßverfahren seine ganze
Empfindlichkeit verliert.
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Um dieser Gefahr zu begegnen, kann man zwei
Bezugsgrößen verwenden, beispielsweise die Spannung VR gemäß obiger
Definition und eine Spannung V'R' die durch Phasenverschiebung
von VR um 90º entsteht. Die aufgrund der Messungen von ΔVA,
ΔIA, ΔVB und ΔIB erarbeiteten skalaren Größen haben dann
beispielsweise folgende Form: