DE3733404C2 - - Google Patents

Description

Bei einer Blitzschutzanlage, welche einen oder mehrere in Reihe geschaltete nichtlineare Widerstandselemente (im fol­ genden auch nur als Elemente bezeichnet), welche lediglich im wesentlichen Zinkoxid enthalten und in einem Behälter eingeschlossen sind, sind die Ströme, welche durch die Widerstandselemente bei einer normalen angelegten Spannung fließen, äußerst niedrig - normalerweise in der Größenord­ nung von 10 µA -, in Abhängigkeit von den Eigenschaften der entsprechenden Elemente. Ströme mit einer derartigen Strom­ stärke erhöhen die Temperatur der normalen Widerstandselemen­ te nicht, und es werden die Elemente aufgrund einer erhöhten Temperatur mithin nicht zerstört, so daß eine Blitzschutz­ anlage, welche gewöhnlich keine Entladungsstrecke in Reihe mit dem entsprechenden nichtlinearen Widerstandselementen aufweist, in der Praxis verwendet werden und demzufolge nur geringe Ströme normalerweise durch die nichtlinearen Wider­ standselemente fließen.

Die Widerstandselemente können jedoch aufgrund thermischer Zyklen, die aufgrund von Betriebsbedingungen und atmosphäri­ schen Bedingungen bei häufig auftretenden anormalen Spannungen sich ergeben, zerstört werden. Wenn diese Zerstörung fortschreitet, können die Widerstandselemente den normalen Phasentrennungen im Netz Widerstand leisten, so daß sie brechen und den Netzbetrieb behindern. Demzufolge ist es er­ wünscht, ein Verfahren zur ständigen Überwachung der durch die Widerstandselemente fließenden Ströme während des Betriebs zu schaffen, bei welchem der sich anbahnende Zerstö­ rungszustand des bzw. der nichtlinearen Widerstandselemente festgestellt werden kann.

In der US 45 07 701 ist ein Überspannungsableiter einer Blitz­ schutzanlage beschrieben, bei der der Überspannungsableiter mehrere nicht-lineare Widerstände aufweist. Zur ständigen Überwachung der Funktionsfähigkeit ist an den Überspannungsableitern ein Ampereme­ ter angeschlossen, das ein um so höheren Strom anzeigt, je stärker der nicht-linearen Widerstand gealtert ist. Mit diesem Verfahren läßt sich jedoch nur eine sehr ungenaue Aussage über den Alterungs­ zustand treffen, weil dieses Amperemeter natürlich auch kapazitive Ströme anzeigt, die gegenüber den Strömen, die sich durch die zu­ nehmende Alterung einstellen, nicht unerheblich sind.

In der US 42 00 836 ist ein Verfahren beschrieben, um in einem ungeerdeten Drei-Phasennetzwerk den Isolationswiderstand zu ermit­ teln und einen Alarm abzugeben, wenn dieser Widerstand unter einem vorgegebenen Wert abgesunken ist. Zu diesem Zweck wird in das Netz­ werk eine Prüffrequenz eingespeist, und der auf dieser Frequenz fließende Strom gemessen. Durch ein entsprechend ausgebildetes Pha­ senschiebernetzwerk werden die rein kapazitiven Stromkomponenten von der Messung ausgeschlossen.

In der DE 26 30 982 B2 ist ein weiteres Verfahren beschrieben, den Isolationswiderstand in einem nicht geerdeten Wechselstromnetz zu überwachen. Bei diesem Verfahren werden ebenfalls phasenverschobene Meßströme in das Netz eingespeist, um die kapazitiven und die ohm­ schen Anteile voneinander zu trennen.

Fig. 15 zeigt die Spannung-Stromcharakteristiken eines nichtlinearen Widerstandselements. In der Fig. 15 bedeutet die ausgezogenen Linie 25 die Charakteristik eines normalen Widerstandselements und die strichpunktierte Linie 35 die Charakteristik eines zerstörten Elements. Der Strom, welcher auf der Abszisse aufgetragen ist, zeigt lediglich einen Widerstandsstrom, welcher keinen kapazitiven Strom enthält der sich aufgrund der elektrostatischen Kapazität zwischen den beiden Endflächen eines nichtlinearen, normalerweise zu einer Scheibe geformten Widerstandselementen bildet. Eine Phasenspannung im System ist mit Vn bezichnet. Der Strom, welcher durch ein Widerstandselement bei einer derartigen Phasenspannung fließt, ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Elements. Wenn das Element zerstört ist, ändert sich der Strom erheblich, selbst bei gleichblei­ bender Temperatur. Wenn die Temperatur des Widerstands­ elements beispielseise R₂ beträgt, ändert sich der Strom I_R1, welcher durch das Widerstandselement fließt, wenn dieses normal ist, erheblich auf den Strom I_R2. Wenn man daher den normalerweise fließenden Widerstandsstrom mißt und den gemessenen Strom mit dem Strom vergleicht, der durch das normale Element bei der Temperatur des Widerstandselementes während der Messung fließt, läßt sich das Vorhandensein einer Zerstörung genau feststellen. In der Fig. 15 gilt die Temperaturbezeichnung R₂<R₁.

Wenn der Strom, welcher durch einen Überspannungsableiter fließt, durch einen Stromsensor, welcher mit dem Über­ spannungsableiter in Reihe geschaltet ist, gemessen wird, enthält der erfaßte Strom sowohl eine Widerstandsstrom­ komponente als auch eine Kapazitätsstromkomponente, da die an den Überspannungsableiter angelegte Spannung eine Wechselstromkomponente mit Betriebsfrequenz hervorruft. Die Fig. 16 zeigt einen Überspannungsableiter 2 für einen Blitz­ schutz, welcher geerdet ist. Wenn der Überspannungsableiter 2 einen Isolierbehälter aufweist, welcher das Widerstands­ element enthält, ist er so zu behandeln, wie wenn er den Isolator und das Widerstandselement enthält. Wenn der Behäl­ ter aus geerdetem Metall besteht, ist der Überspannungs­ ableiter zu behandeln, wie wenn er nur die Widerstands­ elemente allein enthält. Die Fig. 17 zeigt ein elektrisches Schaltbild für den in Fig. 16 dargestellten Überspannungs­ ableiter. Die Widerstandselemente sind normalerweise jeweils zu Scheiben geformt, welche eine relativ hohe elektrostati­ sche Kapazität C zwischen den beiden Endflächen aufweisen. Der durch den jeweiligen Überspannungsableiter fließende Strom enthält somit die Vektorsumme eines Widerstandsstroms I_R, welcher die Temperatur des Widerstandselements erhöht und einen kapazitiven Strom I_C, welcher durch die Kapazität fließt. Um die Zerstörung des Elements festzustellen, ist es erforderlich, aus der Vektorsumme nur den Widerstands­ strom I_R und zu bestimmen. In Fig. 17 ist mit L die Induktivität des geerdeten Leiters des Überspannungs­ ableiters dargestellt. Wenn der Behälter des Überspannungs­ ableiters aus einem Isolator besteht, enthält der kapazitive Strom I_C eine kapazitive Stromkomponente aufgrund der elek­ trostatischen Kapazität des Isolators.

Die Fig. 18 veranschaulicht ein herkömmliches Verfahren zur Messung eines Widerstandsstroms und Fig. 19 zeigt die Wellen­ formung der Spannung und des Stroms, welche bei Verwendung des Verfahrens der Fig. 18 gemessen werden. Der Überspan­ nungsableiter 2, welcher an eine Sammelleitung oder Übertra­ gungsleitung 1 angeschlossen ist, ist über einen Stromsensor 4 geerdet. Die Sammel- bzw. Übertragungsleitung 1 ist über einen Spannungssensor 3 geerdet. Die Ausgangssignale des Stromsensors 4 und des Spannungssensors 3 werden über Ver­ stärker 6 und 7 einem Rechner 8 zugeleitet, der den Wider­ standsstrom ermittelt. Die Berechnung des Widerstandsstroms erfolgt durch Differentiation der vom Spannungssensor 3 ge­ messenen Spannung V, Verstärkung der differenzierten Wellen­ form, so daß der Spitzenwert der Wellenform mit dem Spitzen­ wert von I_C der Fig. 17 übereinstimmt, und Subtrahieren der verstärkten Wellenform von dem Gesamtstrom I_s, welcher vom Stromsensor 4 gemessen wird, wie es in Fig. 19 dargestellt ist. Der sich ergebende Widerstandsstrom I_R wird mit dem normalen Widerstandsstrom bei der Temperatur verglichen, bei welcher ein Widerstandselement parallel mit dieser Messung gemessen wird zur Ermittlung des Vorhandenseins einer Zerstö­ rung.

Wenn eine automatische Überwachung einer 3-Phasenblitzschutz­ anlage, welche an eine 3-Phasenübertragungsleitung ange­ schlossen ist, beabsichtigt ist für die Feststellung einer Zerstörung eines der 3-Phasenüberspannungsableiter unter Ver­ wendung obigen Verfahrens, werden Stromsensoren 41, 42 und 43 sowie Spannungssensoren 31, 32 und für drei Phasen benötigt, wie es in Fig. 20 dargestellt ist. Die Verstärker 6 und 7 sowie der Rechner 8, welcher bei der Anordnung in Fig. 19 dargestellt ist, können zu diesem Zweck ebenfalls verwendet werden. Zusätzlich wird eine Umschalteinrichtung 5 benötigt, welche eine Vielzahl von Umschaltkontakten auf­ weist. Diese Umschalteinrichtung ermöglicht, daß die ermit­ telten Ströme und Spannungen, welche gleiche Phase aufwei­ sen, den entsprechenden Verstärkern 6 und 7 zugeführt wer­ den. Das Fortschreiten einer Zerstörung der Widerstands­ elemente kann bei maximaler Fortschreitungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von einer Stunde liegen, so daß durch Nacheinanderumschalten auf die entsprechenden Phasen die Überprüfung in ausreichendem Umfang durchgeführt werden kann.

Wie sich aus obiger Darstellung jedoch ergibt, benötigt man für die Diagnose zerstörter Widerstandselemente bei Anwen­ dung des herkömmlichen Verfahrens eine erhöhte Anzahl an Stromsensoren und Leitungen, wenn die Anzahl der Übertra­ gungsleitungen (die Spannungssensoren können in entsprechen­ der Anzahl beibehalten werden) anwächst. Darüber hinaus hat die Umschalteinrichtung einen hohen Platzbedarf, und die Steuerung der Diagnose wird kompliziert. Demzufolge ist ein einfaches Diagnoseverfahren erwünscht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Überwachen des Zustandes der einzelnen Überspannungsableiter einer dreiphasigen Blitzschutzanlage anzugeben.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß der Summenstrom in einer Sternschaltung Null ist, wenn alle Impedanzen in den drei Phasen identisch übereinstimmen und sich linear verhalten. Das wird bei dem vorliegenden Verfahren dazu ausgenutzt, die Teilströme durch die drei Überspannungsableiter, die auf die in den drei Überspannungsableitern vorhandenen Kapazitäten zurückzuführen sind, gegenseitig zu kompensieren. Der Summenstrom enthält demnach nur noch Anteile, die auf Nichtlinearitäten und eventuelle Unterschiede in den Impedanzen zurückzuführen sind. Diese Unterschiede sind aber bei intakten Überspannungsableitern minimal. Da ein Überspannungsableiter, der schadhaft wird, üblicherweise einen stark abgesunkenen Widerstandswert aufweist, kann dieses Schadhaftwerden durch Beobachten des Summenstromes leicht festgestellt werden. Der Summenstrom zeigt dann charakteristische Spitzenwerte in seiner Wellenform.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Diagnose einer Verschlechterung von Überspannungsableiterelementen als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung von Wellenformen, enthaltend die Überlagerung einer aufbereiteten Stromwellen­ form für 3-Phasenüberspannungsableiter, welche mit der in der Fig. 1 dargestellten Schaltungs­ anordnung erzielt wird, und Wellenformen der ent­ sprechenden Phase-zu-Erde-Spannungen in den Sammel- bzw. Übertragungsleitungen, welche die aufbereitete Stromwellenform erzeugen;

Fig. 3 ein Blockschaltbild für die Diagnose einer Ver­ schlechterung von Überspannungsableiterelementen nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Er­ findung;

Fig. 4 eine Wellenformdarstellung, welche die zeitliche Beziehung zwischen den Spannungen und Strömen, welche mit der in Fig. 3 dargestellten Schaltung, erhalten werden, zeigt impulsförmige Span­ nungen, welche aus diesen Spannungen und Strömen erhalten werden;

Fig. 5 impulsförmige Spannungen zur Spezifizierung einer verschlechterten Phase;

Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Diagnose der Verschlech­ terung von Überspannungsableiterelementen nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 eine Wellenformdarstellung, welche die Änderung einer mit 3-Phasenvektorsynthese aufbereiteten Stromwellenform im Verlauf der Diagnose dar­ stellt, zur Spezifizierung eines verschlechterten Phasenelements der Überspannungsleiteranordnung;

Fig. 8 eine Wellenform zur Darstellung der Änderung in einer durch 3-Phasenvektorsynthese aufberei­ teten Stromwellenform im Verlauf der Diagnose zur Spezifizierung verschlechterter 2-Phasen­ überspannungsableiterelemente;

Fig. 9 ein Blockschaltbild zur Diagnose der Verschlech­ terung von Überspannungsableiterelementen nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 10 ein Blockschaltbild zur Darstellung von Wellen­ formen für die Ströme, welche durch die entspre­ chenden Phasenüberspannungsableiter fließen, wo­ bei ein Phasenüberspannungsableiterelement ver­ schlechtert ist;

Fig. 11 eine durch 3-Phasenvektorsynthese aufbereitete Wellenform der ensprechenden Ströme, die in Fig. 10 dargestellt sind und durch die Über­ spannungsableiter fließen;

Fig. 12 eine Wellenformdarstellung für mit 3-Phasen­ vektorsynthese aufbereitete Ströme, ausgenommen eines Teils des Stroms, welcher durch einen beliebigen der Phasenüberspannungsableiter fließt;

Fig. 13 ein Blockschaltbild zur Diagnose der Verschlech­ terung von Überspannungsableiterelementen, wel­ ches eine geänderte Ausführungsform des vier­ ten Ausführungsbeispiels in Fig. 9 darstellt;

Fig. 14 eine Wellenformdarstellung von mit 2-Phasen­ vektorsynthese aufbereiteten Strömen, wobei jeweils der Strom ausgenommen ist, welcher durch einen der Phasenüberspannungsleiter fließt;

Fig. 15 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung des Un­ terschieds zwischen normalen und verschlech­ terten Eigenschaften der Überspannungsableiterelemente;

Fig. 16 für ein Einzelleitungssystem die Verbindung eines Überspannungsableiters mit einem äußeren Stromkreis;

Fig. 17 ein Ersatzschaltbild für die Stromkomponenten, welche durch den in Fig. 16 dargestellten Über­ spannungsableiter fließen;

Fig. 18 eine Ausführungsform für eine herkömmliche Meßschaltung für eine Phase eines Überspannungs­ ableiters zum Extrahieren der Widerstands­ stromkomponente aus dem durch den Überpannungs­ ableiter fließenden Strom;

Fig. 19 eine Wellendarstellung der durch den Über­ spannungsableiter fließenden Ströme und des hieraus resultierenden Gesamtstroms, und

Fig. 20 eine Ausführungsform einer herkömmlichen Meß­ schaltung für eine 3-Phasenüberspannungs­ ableiteranordnung zum Extrahieren der Wider­ standsströme aus den durch die Überspannungs­ ableiter fließenden Ströme.

In den Figuren bedeuten 2, 21, 22, 23 Überspannungsableiter, 3, 31, 32, 33 Spannungssensoren, 4, 41, 42, 43, 44 Strom­ sensoren, 50 einen Spannungstransformator (PT) bzw. eine Potentialeinrichtung (PD), 54 einen Schalter, 55 einen Über­ lagerungsstromgenerator, 61, 62, 63 Nebenschlußschaltungen, 61a, 62a, 63a Schalter und 420 eine aufbereitete 3-Phasen­ vektorstromwellenform.

Zunächst werden die Prinzipien des Überwachungsverfahrens, welche bei der Erfindung zur Anwendung kommen, erläutert.

In Fig. 1 ist eine zusammengesetzte Meßschaltung darge­ stellt, welche eine 3-Phasenvektorsynthese von Strömen durch­ führt, die durch entsprechende Phasenelemente einer 3-Phasenblitzschutzanordnung fließen. Die aufbereitete zu­ sammengesetzte Wellenform 420 wird, wie es in Fig. 2 darge­ stellt ist, allein aus den Widerstandsstromkomponenten ge­ wonnen durch Beseitigung der kapazitiven Stromkomponenten, welche in den entsprechenden Phasenströmen enthalten sind. Hierzu kann der Stromsensor 44 der Fig. 1 ein Nullphasen­ stromtransformator sein. Die Erdungsleiter der Blitzschutz­ überspannungsableiter 21, 22 und 23 sind in einem Bündel, welches durch den Kern des Stromtransformators geführt ist, geerdet. Der Sekundärausgang des Stromtransformators 2 ist mit dem Verstärker 6 verbunden zur Verstärkung der dabei erhaltenen zusammengesetzten Wellenform. In der Fig. 2 sind die Wellenformen der Klemmenspannungen an den Überspannungs­ ableitern für die entsprechenden Phasen zusammen mit der zusammengesetzten Wellenform 420 dargestellt.

Aus den Stromwellenformen der Fig. 2 ist zu ersehen, daß der zusammengesetzte Strom aufgrund der Spannungs-Stromcharak­ teristik des Widerstandselement bestrebt ist, rasch anzu­ wachsen, wenn die an das Element angelegte Spannung ansteigt, und rasch abzufallen, wenn die angelegte Spannung sinkt. Dem­ zufolge besitzt die Stromwellenform eine große dritte harmo­ nische Welle, wie sich aus der Figur ergibt, und die Strom­ spitzenwerte haben die gleiche Lage wie die Scheitelwerte der Spannungswellenformen. Wenn daher einer der Phasenüber­ spannungsableiter der 3-Phasenüberspannungsableiteranordnung verschlechtert ist, ist der Phasenstromspitzenwert für diese Phase größer als die Spitzenwerte der übrigen Phasen, die in elektrischen Winkeln von 60° auftreten. Auf diese Weise läßt sich das Widerstandselement für diese Phase als ver­ schlechtert erkennen. Da jedoch die Meßschaltung der Fig. 1 nur die zusammengesetzte Wellenform mißt, kann sie nicht die Phase spezifizieren, für welche das Element verschlechtert ist, wenn sie nur die Wellenform ausnützt. Bei einer 3-Phasenüberspannungsableiteranordnung, in welcher 3-Phasen­ überspannungsableiter in einem gemeinsamen Behälter einge­ schlossen sind, werden die Widerstandselemente für die drei Phasen ersetzt durch neue, selbst wenn nur ein Element von den drei Phasen verschlechtert ist, um den Ersatz in kurzer Zeit beschleunigt ausführen zu können. Im Hinblick darauf wird durch die Erfindung ein äußerst einfaches Diagnoseverfahren zur Ermittlung einer Verschlechterung bei den Überspannungsableitern in einer 3-Phasenüberspannungs­ leiteranordnung im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren geschaffen. In einer 3-Phasenüberspannungsleiteranordnung, in welcher die Phasenwiderstandselemente in voneinander ge­ trennten Isolatoren eingeschlossen und im Freien installiert sind, braucht immer nur ein verschlechtertes Phasenelement ersetzt zu werden. Auch in diesem Fall ist es möglich, ohne großen Aufwand ein verschlechtertes Widerstandselement für eine bestimmte Phase festzustellen unter Verwendung der auf­ bereiteten zusammengesetzten Wellenform der Widerstands­ ströme allein, welche durch 3-Phasenvektorsynthese der Strö­ me, welche durch die Überspannungsableiter fließen, gewon­ nen werden, wie im einzelnen noch an den im folgenden be­ schriebenen Ausführungsbeispielen erläutert wird.

Blitzschutzüberspannungsableiter 21, 22 und 23 sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 an entsprechende Phasen von Sammel- oder Übertragungsleitungen 11, 12 und 13 angeschlos­ sen. Die Erdungsseiten, der Überspannungsableiter sind über einen einzelnen Stromsensor, welcher ein Nullphasenstrom­ transformator beim dargestellten Ausführungsbeispiel sein kann, geerdet. Die Erdungsleitungen der Überspannungsableiter erstrecken sich als Bündel durch den Kern des Stromtransfor­ mators, und der Sekundärausgang des Stromtransformators ist mit einem Eingang des Verstärkers 6 verbunden, welcher das Ausgangssignal des Stromtransformators verstärkt. Der Null­ phasentransformator besitzt eine bevorzugte Charakte­ ristik zur Diagnose einer Verschlechterung der Überspannungs­ ableiter, wobei in einer bestimmten Phase ein geringer Strom durch die Primärseite des Stromtransformators fließt und an der Sekundärseite mit hoher Genauigkeit ein entsprechen­ des Ausgangssignal geliefert wird. Dabei ist der Eisenkern gesättigt, um eine Überspannung an der Sekundärseite als Ausgangssignal zu verhindern, wenn ein hoher Strom fließt. Mit der strichlierten Linie 80 ist ein gemeinsamer Metall­ behälter bezeichnet, welcher die Widerstandselemente für die drei Phasen enthält.

Am Ausgang des Verstärkers 6 erhält man die in Fig. 2 mit 420 bezeichnete Wellenform des Summenstromes. Mit den Bezugsziffern 111, 112, 113 sind entsprechende Phase-zu-Erde- Spannungen an den Sammelleitungen bzw. Übertragungsleitun­ gen bezeichnet. Bezugsziffern 421, 422 und 423 bezeichnen Spitzenwerte, welche bei elektrischen Winkeln von 60° in der zusammengesetzten Stromwellenform 420 auftreten, die durch Vektorsynthese der Ströme gewonnen wird, welche durch die entsprechenden Phasenüberspannungsableiter fließen. Der zu­ sammengesetzte Strom ist aufgrund der Spannungs-Stromcharak­ teristik des Widerstandselements bestrebt, rasch anzuwachsen, wenn die an das Widerstandselement angelegte Spannung steigt. Der Strom nimmt rasch ab, wenn die angelegte Spannung ab­ fällt. Demzufolge enthält die Stromwellenform eine dritte harmonische Welle, wie es in der Figur dargestellt ist, und die Stromspitzenwerte liegen an den gleichen Stellen wie die Scheitelwerte der Spannungswellenformen. Wenn daher eines der Phasenüberspannungsableiterelemente der 3-Phasenüberspan­ nungsableiteranordnung sich verschlechtert, ist der Strom­ spitzenwert für diese Phase größer als die Spitzenwerte für die übrigen Phasen, welche bei elektrischen Winkeln von 60° erscheinen. Demzufolge kann das für die betreffende Phase als verschlechtert diagnostizierte Widerstandselement ermittelt werden. Das Verschlechterungsdiagnoseverfahren der Erfindung mißt keine spezielle Phasenspannungswellen­ form, so daß nicht spezifiziert werden kann, welche Phasen­ verschlechterung auftritt. Wie jedoch oben schon erläutert wurde, ist der Schaltungsaufbau für die Diagnose vereinfacht durch das Fehlen von Spannungssensoren, wie sie bei herkömm­ lichen Anlagen vorhanden sind. Vom Standpunkt der Instand­ haltungspraxis können bei einer 3-Phasenüberspannungsablei­ teranordnung, bei welcher die 3-Phasenüberspannungsableiter­ elemente in einem gemeinsamen Metallbehälter untergebracht sind, rasch in einem Bündel durch eine neue Anordnung er­ setzt werden, immer dann, wenn eine Verschlechterung in einem Phasenelement der vorherigen Anordnung aufgetreten ist.

Die Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für die Durchfüh­ rung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verschlechte­ rungsdiagnoseverfahrens nach der Erfindung. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel ist eine Ausführungsform einer Schaltungs­ anordnung gezeigt, welche es ermöglicht, eine verschlech­ terte Phase zu spezifizieren, so daß ein verschlechtertes Phasenüberspannungsableiterelement einzeln ersetzt werden kann. Es kann sich hier beispielsweise um eine 3-Phasenüber­ spannungsableiteranordnung handeln, welche die entsprechen­ den Phasenwiderstandselemente in voneinander getrennten Iso­ latorrohren, die im Freien installiert sind, enthält. Natür­ lich ist es auch möglich, ein verschlechtertes Phasenwider­ standselement leicht zu spezifizieren durch gleichzeitige Erfassung bzw. Aufzeichnung der entsprechenden Phase-zu-Erde- Spannungen an den Sammelleitungen bzw. Übertragungsleitungen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Es kann hierfür ein Span­ nungssensor für diese Erfassung vorgesehen sein, der einzeln allen der 3-Phasenüberspannungsableitern gemeinsam ist. Meh­ rere Spannungssensoren sind nicht erforderlich, wenn mehrere Stromsensoren erforderlich sind. Da ein mit einer Hochspan­ nungsleitung verbundener Spannungssensor teuer ist, ist ein Spezifizierungsverfahren erwünscht, das mit einer minimalen Anzahl an Spannungssensoren auskommt.

Die Blitzschutzüberspannungsableiter 21, 22 und 23 sind an entsprechende Phasen der Sammelleitungen bzw. Übertragungs­ leitungen 21, 22 und 23 angeschlossen. An ihren Erdungs­ seiten sind sie gemeinsam über einen einzelnen Stromsensor 44 geerdet. Ein Spannungssensor 3 ist an eine einzige Phase - hier die Phase 11 - der dreiphasigen Sammelleitungen bzw. Übertragungsleitungen angeschlossen. Als Stromsensor 44 dient ein Nullphasenstromtransformator mit einer bevorzugten Charakteristik für die Diagnose einer Verschlechterung der Überspannungsableiter, wie das auch bei dem Stromtransfor­ mator in der Fig. 1 der Fall ist.

Der vom Stromsensor 44 erfaßte Strom wird vom Verstärker 46 verstärkt und dem Rechner 47 weitergeleitet. Wenn der Ein­ gangsstrom einen bestimmten Wert überschreitet, der einem Bezugspegel bzw. vorbestimmten Pegel (ein Bezugspegel ist in Fig. 4 dargestellt) entspricht und für den Nachweis einer einsetzenden Verschlechterung eines Überspannungsableiter­ elements ausreichend hoch bemessen ist, erzeugt der Rechner 47 einen Spannungsimpuls, welcher einem Rechner 49 zugelei­ tet wird. Andererseits wird die Wellenform der Sammel­ leitungs- bzw. Phasenspannung durch den Spannungssensor 3 gemessen und einem Rechner 48 zugeleitet, welcher bei einem Scheitelwert der Eingangsspannung einen Spannungsimpuls lie­ fert, der dem Rechner 49 zugeleitet wird. Der Rechner 49 ermittelt den Zeitunterschied zwischen dem Erscheinen des Spannungsimpulses für die Scheitelwertlage der Spannungs­ wellenform und dem Erscheinen des Spannungsimpulses für den Fall, daß die Stromstärke des zusammengesetzten Stroms den Bezugspegel überschreitet, wodurch dann die verschechterte Phase, wie in Fig. 5 gezeigt, spezifiziert werden kann. Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 sei angenommen, daß die Sammel­ leitung bzw. Übertragungsleitung, an welche der Spannungs­ sensor angeschlossen ist, eine R-Phase aufweist. Der Span­ nungsimpuls, welcher an der Position des Scheitelwerts der R-Phase-zu-Erde-Spannung auftritt, wird als Bezugsimpuls verwendet, der den Beginn der Zeitmessung darstellt. Die Zeit von der Lage des Bezugsimpulses bis zu dem Zeitpunkt, an welchem die Stromstärke des zusammengesetzten Stroms den Bezugspegel überschreitet, wird gemessen. Es kann dann in einfacher Weise und ohne großen Aufwand festgestellt werden, daß die verschlechterte Phase die gleiche ist wie die Bezugs­ phase, wenn die gemessene Zeit im wesentlichen Null beträgt. Es handelt sich um die nächste Phase in Abhängigkeit von der Phasenordnung, wenn die Zeit etwa einem elektrischen Winkel von 120° entspricht, und es handelt sich um die übernächste Phase, wenn die gemessene Zeit einem elektrischen Winkel von 240° entspricht.

Die Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine Ver­ schlechterungsdiagnose, mit welcher ein drittes Ausführungs­ beispiel der Erfindung durchgeführt werden kann. Die dar­ gestellte Ausführungsform der Schaltungsanordnung ermöglicht eine Spezifizierung der verschlechterten Phase wie beim zweiten Ausführungsbeispiel. In einer elektrischen Station, in welcher eine Blitzschutzüberspannungsableiteranlage in­ stalliert ist, befindet sich ein Spannungstransformator PT oder eine Potentialeinrichtung PD 50, deren Sekundärseite über einen Schalter 54 an einen Überlagerungsstromgenerator 55, der im einzelnen noch beschrieben wird, angeschlossen ist. Mit der Ausgangsseite des Überlagerungsstromgenerators 55 ist ein Ausgangsleiter 55a verbunden, der durch den Kern des Nullphasenstromtransformators 44, welcher einen Strom­ sensor darstellt, geleitet ist.

Der Überlagerungsstromgenerator 55 besitzt einen Aufbau, in welchem eine Stromwellenform, die von einem nichtlinearen Widerstandselement der Überspannungsleiter, das aufgrund der an der Sammelleitung bzw. Übertragungsleitung angelegten Spannung nach Erde verschlechtert ist, erhalten wird, in um­ gekehrter Polarität gleichzeitig mit der Sekundärseitespan­ nung des Spannungstransformators PT bzw. der Potentialein­ richtung PD 50, welche über den Schalter 44 eingeleitet wird, ausgegeben wird, bis der Strom, welcher bei der Spannung nach Erde durch den Überspannungsableiter fließt, einen bestimm­ ten festgesetzten Strompegel erreicht, der hoch genug ist, um die einsetzende Verschlechterung des Überspannungsleiter­ elements nachzuweisen. Dieser Überlagerungsstromgenerator 55 spezifiziert einen Überspannungsableiter, der ein ver­ schlechtertes Phasenelement aufweist in Abhängigkeit davon, wie die von der Sekundärseite des Nullphasenstromtransfor­ mators 44 in geöffnetem Zustand des Schalters 54 erhaltene Wellenform des durch 3-Phasenvektorsynthese zusammengesetz­ ten Stroms sich ändert durch abwechselndes Schließen der entsprechenden Phasen des Schalters 54. Wenn, wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, eine zusammengesetzte Wellenform (a) der Widerstandsströme allein, welche bei geöffnetem Schalter 54 erhalten wird, wenn alle 3-Phasenüberspannungsableiter­ elemente im Normalzustand sich befinden, sich ändert, wie es durch die Wellenform (b) gezeigt ist, und wenn der maximale Scheitelwert einen vorbestimmten Verschlechterungspegel überschreitet, erzeugt eine in der Fig. 6 nicht näher darge­ stellte Alarmschaltung einen Alarm, welcher anzeigt, daß wenigstens eine Phase der Überspannungsableiter sich ver­ schlechtert hat. Wenn der Schalter 54 manuell oder auto­ matisch geschlossen wird, werden die entsprechenden Phasen­ spannungen, welche an der Sekundärseite des Spannungstrans­ formators PT bzw. der Potentialeinrichtung PD 50 erhalten werden, dem Überlagerungsstromgenerator 55 in umgekehrter Polarität zugeleitet. Ein Strom,. welcher die gleiche Wellen­ form aufweist wie der Strom, der den verschlechterten Pegel in der Wellenform (b) besitzt, wird in umgekehrter Polari­ tät abgegeben. Wenn daher beim Schließen der R-Phase des Schalters 54 eine Wellenform erhalten wird, aus welcher eine Stromwellenform mit dem verschlechterten Pegel, wie es bei­ spielsweise durch (c) gezeigt ist, an der Sekundärseite des Null-Phasenstromtransformators 44 nicht erscheint, zeigt dies an, daß die Verschlechterung wenigstens in dem 10 R-Phasenüberspannungsableiterelement aufgetreten ist. Wenn eine Wellenform, wie sie durch (d) dargestellt ist, erhal­ ten wird, wenn der Schalter 54 für die R-Phase geöffnet und für die T-Phase geschlossen ist, verschwindet die Strom­ wellenform, welche den verschlechterten Pegel aufweist, für diesen Fall nicht. Hierzu ergibt sich, daß das T-Phase­ überspannungsableiterelement sich nicht verschlechtert hat. Wenn in gleicher Weise der Schalter 54 für die S-Phase allein geschlossen ist, verschwindet eine Stromwellenform, welche einen verschlechterten Pegel aufweist, nicht, wie es durch die Wellenform (e) dargestellt ist. Durch die ge­ schilderten Schalterbetriebsstellungen kann spezifiziert daß die verschlechterte Phase die R-Phase ist.

Die Fig. 8 zeigt die Änderung in der zusammengesetzten Stromwellenform im Verlauf der Diagnose, wenn in zwei ver­ schiedenen Phasenüberspannungsableiterelementen eine Ver­ schlechterung auftritt. Es sein angenommen, daß dann, wenn der Schalter beispielsweise für die R- und S-Phasen in Ab­ hängigkeit vom Betrieb einer Alarmschaltung, welche nicht näher dargestellt ist, geschlossen ist, die zusammengesetzte Stromwellenform sich ändert, wie es durch (b) in der Fig. 8 gezeigt ist. Die 2-Phasenstromwellenformen, welche den ver­ schlechterten Pegel aufweisen, sind verschwunden. Ferner sei angenommen, daß dann, wenn der Schalter für die S- und 35 T-Phasen geschlossen ist, der Strom, welcher den verschlech­ terten Pegel für eine Phase aufweist, sich nicht ändert, wie es in Fig. 8 (c) gezeigt ist, die Stromwellenform, welche den Unterschied zwischen einem Strom mit verschlechtertem Pegel und normalem Widerstandsstrom wiedergibt, in der benachbar­ ten Phase erscheint, und die Stromwellenform für die verblei­ bende Phase verschwunden ist. Schließlich sei angenommen, daß bei für die T- und R-Phasen geschlossenem Schalter die Stromwellenform für eine Phase verschwindet, die Stromwellen­ form, welche den Unterschied zwischen dem Strom mit ver­ schlechtertem Pegel und dem normalen Widerstandsstrom an­ gibt, in der benachbarten Phase erscheint und die Stromwel­ lenform, welche den verschlechterten Pegel für die verblei­ bende eine Phase aufweist, sich nicht ändert. Während die Art des Betriebs des Schalters willkürlich ist, können die ver­ schlechterten Phasen bei dem soeben beschriebenen Vorgang als R- und S-Phasen aus der Änderung in der Wellenform des zusammengesetzten Stroms durch den Schalterbetrieb für zwei Phasen zu gleicher Zeit spezifiziert werden.

In der Fig. 9 ist eine Schaltunganordnung für eine Ver­ schlechterungsdiagnose dargestellt, mit welcher nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung gearbeitet wer­ den kann. Die Nebenschlußschaltungen 61, 62 und 63, welche den Nullphasenstromtransformator 4 überbrücken, sind über die Schalter 61a, 62a und 63a an entsprechende Erdungs­ leiter der Überspannungsableiter angeschlossen, die durch einen ringförmigen Kern des Stromsensors, welcher bei die­ sem Ausführungsbeispiel ein Nullphasenstromtransformator 4 ist, hindurchgeführt sind. Der Stromsensor sieht eine durch 3-Phasenvektorsynthese zusammengesetzte Wellenform der Ströme vor, die durch die entsprechenden Überspannungsablei­ ter 21, 22 und 23 fließen, welche die entsprechenden Phasen der 3-Phasenüberspannungsableiteranordnung bilden. Wenn einer der Schalter 61a, 62a und 63a geschlossen ist, fließt ein Teil des Stromes, welcher durch die Überspannungs­ ableiteranordnung fließt, nicht durch den Nullphasenstrom­ transformator, sondern wird zur entsprechenden Nebenschluß­ schaltung umgeleitet. Das Nebenschlußverhältnis wird mit etwa 50% angenommen, wenn ein Leiter, welcher als Leiter der Nebenschlußschaltung dient, den gleichen Querschnitt aufweist wie der Primärseitenleiter des Transformators, da das Stromübersetzungsverhältnis etwa 1000 : 1 beträgt und die Impedanz des Transformators 4 im Hinblick auf seine Primär­ seite im wesentlichen vernachlässigbar ist. Die Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für Wellenformen der Ströme, welche durch die entsprechenden Phasenüberspannungsableiter flie­ ßen, wenn alle Schalter 61a, 62a und 63a geöffnet sind. Die Fig. 11 zeigt die durch 3-Phasenvektorsynthese zusammenge­ setzte Wellenform von den Strömen, insbesondere der Wider­ standsströme allein, welche durch die entsprechenden Phasen­ überspannungsableiter, die in der Fig. 10 dargestellt sind, fließen. Die Fig. 12 zeigt eine Stromwellenform, welche an der Sekundärseite des Stromtransformators gewonnen wird, wenn die Schalter 61a, 62a und 63a für die entsprechenden Neben­ schlußschaltungen abwechselnd geschlossen werden, wobei der Fall dargestellt ist, daß das Überspannungsableiterelement der R-Phase sich verschlechtert hat, wie es auch aus dem Beispiel der Wellenform der Fig. 11 zu ersehen ist. In Fig. 12 wird beispielsweise die mit R/2+S+T bezeichnete Stromwellenform an der Sekundärseite des Stromtransformators erhalten, wenn der Schalter 61a geschlossen ist und der Überspannungsableiter 21 zur R-Phase gehört. In gleicher Weise werden die mit R+S/2+T und R+ST/2 bezeich­ neten Stromwellenformen erhalten, wenn die Schalter 62a bzw. 63 geschlossen sind.

Wie aus Fig. 12 zu ersehen ist, verringert sich der maximale Scheitelwert des zusammengesetzten Stroms, wenn der Schalter 61a geschlossen ist, unter einen vorbestimmten Verschlechte­ rungspegel, der hoch genug bemessen ist, um eine einsetzende Verschlechterung eines Überspannungsableiterelements fest­ zustellen. Der maximale Scheitelwert des zusammengesetzten Stroms ändert sich nicht, wenn der Schalter 62a geschlossen ist und verringert sich wiederum unter den vorbestimmten Pegel, wenn der Schalter 63a geschlossen ist.

Wie ein Überspannungableiter mit einem verschlechterten Phasenwiderstandselement aus einer Änderung in der Strom­ wellenform, die sich bei entsprechenden Schalteroperationen ergibt, spezifiziert wird, wird nach der nun folgenden Be­ schreibung einer modifizierten Ausführungsform des Ausfüh­ rungsbeispiels noch näher erläutert.

Die Fig. 13 zeigt eine modifizierte Ausführungsform des Aus­ führungsbeispiels der Fig. 4. Dieses Ausführungsbeispiel hat einen derartigen Schaltungsaufbau, daß der Prozentanteil der Ströme, welche zu den Nebenschlußschaltungen 61, 62 und 63 bei geschlossenen Schaltern 61a, 62a und 63a abgezweigt wird, im wesentlichen 100% beträgt, während der prozentuale Anteil der abgezweigten Ströme beim vierten Ausführungs­ beispiel etwa 50% beträgt. Niedrige Impedanzen 71, 72 und 73 sind in Reihe geschaltet mit den entsprechenden Erdungs­ leitern der Phasenüberspannungsableiter. Die Schalter 61a, 62a und 63a sind in Reihe geschaltet mit den Nebenschluß­ schaltungen 61, 62 und 63, welche die Impedanzen 71, 72 und 73 sowie den Nullphasenstromtransformator 44 überbrücken. Die Impedanzen 71, 72 besitzen einen derart niedri­ gen Wert, daß dann, wenn die Überspannungsableiter in Ab­ hängigkeit von einem Blitzschlag arbeiten, die an den Sammel­ leitungen bzw. Übertragungsleitungen auftretenden Spannungen nach Erde bis zu einem Wert anwachsen, durch den die Isolation der Sammelleitungen bzw. Übertragungsleitungen in Gefahr gebracht wird.

Für einen derartigen Schaltungsaufbau sei angenommen, daß die Widerstandselementverschlechterung beim R-Phasenüber­ spannungsableiter 21 auftritt und daß der maximale Scheitel­ wert der zusammengesetzten Wellenform, welche an der Sekun­ därseite des Nullphasentransformators 44 erhalten wird, den vorbestimmten Wert überschreitet. Der Rechner 45 stellt dann diese Überschreitung fest und liefert ein Steuersignal an eine Schaltersteuereinrichtung 75 zum Öffnen und Schlie­ ßen der Schalter 61a, 62a und 63a abwechselnd in geeigneten Zeitintervallen. Die Fig. 14 zeigt Änderungen in den zusam­ mengesetzten Wellenform während dieses Zeitablaufs. In der Fig. 14 ist mit S+T eine Stromwellenform bezeichnet, die an der Sekundärseite des Stromtransformators erhalten wird, wenn die Ströme an der Primärseite des Stromtransfor­ mators nur diejenigen sind, welche durch die S- und 20 T-Phasenüberspannungsableiter fließen. Dabei wird der ge­ samte Strom, welcher durch den R-Phasenüberspannungsableiter fließt, durch Schließen des Schalters 61a zur Nebenschluß­ schaltung 61 abgezweigt. In gleicher Weise sind mit T+R und R+S Wellenformen bezeichnet, die erhalten wer­ den, wenn die Schalter 62a bzw. 63a geschlossen sind.

Wie die Fig. 14 zeigt, wird der maximale Scheitelwert des zusammengesetzten Stroms unter einen vorbestimmten Ver­ schlechterungspegel verringert, wenn die Schalter 61a und 63a geschlossen sind und nicht geändert, wenn der Schalter 62a geschlossen ist. Die Beziehung zwischen dem Schalter­ betrieb und der Änderung für den maximalen Scheitelwert des zusammengesetzten Stroms ergibt sich nach den Fig. 12 und 14, wie es in der folgenden Auflistung wiedergegeben ist.

betätigte Schalter
maximaler Scheitelwert des zusammengesetzten Stroms
61a
verringert
62a	ungeändert
63a	verringert

Hieraus ergibt sich, daß nur dann, wenn ein Schalter, der zu einer Phase gehört, zu welcher das Element der nächsten Phase verschlechtert ist, geschlossen ist, der maximale Scheitelwert des zusammengesetzten Stroms sich nicht ändert. Wenn daher die Schalter abwechselnd geschlossen werden und der maximale Scheitelwert des zusammengesetzten Stroms sich nicht ändert durch Betätigen eines Schalters für eine Phase, kann der Überspannungsableiter für eine Phase, die der Phase, zu welcher der Schalter gehört, direkt vorhergeht, als ver­ schlechtert spezifiziert werden.

Wie in der obigen Beschreibung erläutert ist, wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Diagnose des Vorhandenseins einer Verschlechterung einer oder mehrerer in Reihe geschal­ teter, nichtlinearer Widerstandselemente geschaffen, welche hauptsächlich Zinkoxid enthalten und in einem Behälter ein­ geschlossen sind und entsprechende Phasenüberspannungs­ ableiter einer 3-Phasenblitzschutzüberspannungsableiter­ anordnung bilden. Dabei werden Widerstandsströme, die in Phase mit den Klemmenspannungen der Überspannungsableiter sind und durch die Überspannungsableiter fließen, verwen­ det und folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Es wird eine zusammengesetzte Wellenform der Widerstandsströme allein durch 3-Phasenvektorsynthese der Ströme, welche durch die entsprechenden Phasenüberspannungsableiter fließen, durch Eliminierung der kapazitiven Stromkomponente, welche in den jeweiligen Phasenströmen vorhanden ist, erhalten und eine Diagnose bezüglich des Vorhandenseins eines ver­ schlechterten, nichtlinearen Widerstandselements in der 3-Phasenüberspannungsableiteranordnung aus der zusammen­ gesetzten Wellenform durchgeführt. Selbst wenn mehrere Über­ spannungsableiter bezüglich Verschlechterung überprüft wer­ den sollen, läßt sich die Anzahl der Stromsensoren und Lei­ tungen, welche für die Diagnose benötigt werden, erheblich im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren reduzieren. Die ge­ mäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durch 3-Phasenvektor­ synthese zusammengesetzte Stromwellenform läßt sich anwen­ den bei 3-Phasenüberspannungsableitern, bei denen eine Spezifizierung der verschlechterten Phase nicht erforderlich ist sowie bei 3-Phasenüberspannungsableitern, welche eine Spezifizierung der verschlechterten Phase benötigen, wobei dann die Spezifizierung der verschlechterten Phase ohne großen Aufwand und einfach durchgeführt werden kann.

Claims (5)

1. Verfahren zum Feststellen des defekten Zustands wenigstens eines von drei Überspannungsableitern einer dreiphasigen Blitzschutzanlage, bei der die Überspannungsableiter aus jeweils wenigstens einem nicht-linearen Widerstand besteht, bei dem die Überspannungsableiter in Sternschaltung zusammengeschaltet werden, und bei dem der aus der Sternschaltung resultierende Summenstrom daraufhin überwacht wird, ob ein vorgegebener Schwellwert überschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Summenstromes ein Stromtransformator verwendet wird, dem primärseitig die durch die Überspannungsableiter fließenden Ströme zugeführt werden, und an dessen Sekundärseite ein dem Summenstrom entsprechendes Signal abgegriffen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Zeitpunkten an denen der Verlauf des Summenstromes durch einen defekten Überspannungsableiter erhöhte Werte auftreten, Spannungsimpulse gebildet werden, aus deren Phasenlage zur Phase des Drehstromes der defekte Überspannungsableiter ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Summenstrom nacheinander Teilströme aus den einzelnen Phasen des Drehstromes subtrahiert werden, und daß der defekte Überspannungsableiter durch Vergleich der so erhaltenen Wellenformen der Differenzströme ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Summenstromes nacheinander einzelne Teilströme ganz oder teilweise abgeschaltet werden, und daß der defekte Überspannungsableiter durch Vergleich der so erhaltenen Wellenformen der Summenströme ermittelt wird.