DE3788436T2

DE3788436T2 - Abstandsschutz von Dreiphasenverteiltransformatoren.

Info

Publication number: DE3788436T2
Application number: DE91201780T
Authority: DE
Inventors: John Thomas Hampson
Original assignee: Electricity Association Services Ltd
Current assignee: Electricity Association Services Ltd
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1987-09-15
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2007-09-16
Also published as: GB8623467D0; GB9012769D0; GB2232837A; US4745512A; IN173331B; GB2232838B; ATE78376T1; EP0266046B1; EP0453056B1; DE3750821T2; DE3750820T2; EP0455314A2; EP0453056A2; DE3788436D1; GB2195845B; EP0455314B1; ATE98404T1; GB9012767D0; ATE114887T1; GB2232837B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Fernschutz von Dreiphasen-Elektrizitätsversorgungs-Verteiltransformatoren.
In einem typischen Versorgungsnetz wird die Elektrizitätsversorgung von einem primären Unterwerk über ein Verteilerkabel verschiedenen lokalen Unterwerken zugeführt, in denen die Versorgung durch Verteiltransformatoren von einer relativ hohen Spannung an dem Verteilerkabel auf die niedrigere Spannung transformiert wird, mit der sie dem Privatverbraucher zur Verfügung gestellt wird. Typischerweise arbeitet das Verteilerkabel in Großbritannien mit 11 kV, und die Verteiltransformatoren wandeln diese zur direkten Verwendung durch Abnehmer auf 415/240 V um. In der Praxis ist es notwendig, daß für die Verteiltransformatoren an diesen lokalen Unterwerken entsprechender Schutz vorgesehen ist, um sicherzustellen, daß der Transformator im Falle eines auftretenden Fehlers entregt ist. Bisher ist das prinzipiell durch Vorsehen lokaler Schutz- und Unterbrechvorrichtungen an dem Verteiltransformator realisiert worden, wobei Überstromvorrichtungen benutzt werden, z. B. Zeitverzögerungsrelais und Stromkreisunterbrecher oder Hochspannungsschaltsicherungen.
Es ist üblich gewesen, an dem primären Unterwerk nur Stromkreisunterbrecherschutz zum Entregen des gesamten Verteilerkabels in dem Fall starken und andauernden Überstromes in dem Kabel vorzusehen. Dieser Stromkreisunterbrecherschutz an dem primären Unterwerk ist recht unzulänglich, um einen Schutz entfernter Verteiltransformatoren vorzusehen, weil der aus einem Verteiltransformatorenfehler entstehende Fehlerstrom nicht ausreichen könnte, den Hauptstromkreisunterbrecher an dem primären Unterwerk zu betätigen.
Nichtsdestoweniger ist vorgeschlagen worden, empfindlichere Fehlernachweisvorrichtungen an dem primären Unterwerk mit dem Zweck vorzusehen, den Aufwand für Fehlerschutz zu reduzieren, welcher an dem lokalen Unterwerk installiert werden muß. Doch die bisher an primäre Unterwerke angepaßten Schutzvorrichtungen sind unzureichend empfindlich gewesen, um angemessenen Schutz der in entfernten Unterwerken befindlichen Verteiltransformatoren vorzusehen.
Eine Schutzrelaisvorrichtung zum Nachweisen von Hochimpedanz-Masseschlüssen wird in US 4 600 961 offenbart, in welcher Dreileitungs-Verteilanlagen geschützt werden durch Messen positiver und negativer Halbwellenströme und Betätigen eines Stromkreisunterbrechers, wenn das Verhältnis aus positivem Halbwellenstrom zu negativem Halbwellenstrom eine Schwelle überschreitet. Diese Schrift betrifft nicht den Schutz von Verteiltransformatoren, und die Anordnung kann Fehler an mit einer Niedrigimpedanzleitung verbundenen Hochimpedanztransformatoren nicht mit ausreichender Empfindlichkeit nachweisen.
Es soll nun Bezug genommen werden auf die folgenden drei Artikel von J. T. Hampson, die in "Distribution Developments" erschienen sind:
"Digital Protection" in der Ausgabe vom Juni 1983, Seiten 6 bis 8;
"New Thinking on HV Radial Protection", in der Ausgabe vom September 1983, Seiten 14 bis 16; und
"Transformer Protection and Control using Digital Technigues" in der Ausgabe vom September 1983, Seiten 11 bis 13.
Diese Artikel erörtern und offenbaren eine mögliche Lösung zum Anbringen angemessenen Fernverteiltransformatorschutzes durch eine an einem primären Unterwerk befindliche Vorrichtung. Die Artikel schlagen die Verwendung digitalen Abtastens von Spannung und Strom an allen drei Phasen des Verteilerkabels an dem primären Unterwerk, digitales Filtern dieser Abtastungen durch Fourieranalysetechniken, um einen harmonischen Anteil zu eliminieren, und dann überwachen der gefilterten Werte auf relativ plötzliche Anstiege vor, welche auf einen Fehler hinweisen könnten. Sowohl positiver Halbwellenschutz als auch negativer Halbwellenschutz sind in dem zweiten der beiden Artikel offenbart. Für den positiven Halbwellenschutz wird vorgeschlagen, Werte für die Stromkreisadmittanz aus den gefilterten Werten für positive Halbwellenspannung und positiven -strom abzuleiten und die Stromkreisadmittanz auf Änderungen hin zu überwachen, welche auf einen Fehler hinweisen könnten. Es wird auch vorgeschlagen, daß es möglich sein sollte, eine vergrößerte Empfindlichkeit gegenüber zusätzlichen Admittanzänderungen zu erreichen, welche große nacheilende Leistungsfaktoren mit sich bringen. Es wird vorgeschlagen, daß ein Mikroprozessor- Schutzrelais zur Berücksichtigung des Leistungsfaktors programmiert ist, indem derselbe derart mit der Empfindlichkeit verknüpft wird, daß die Empfindlichkeit im wesentlichen vom Phasenwinkel abhängt.
Für negativen Halbwellenschutz wird in dem Artikel eine "Differentielle Spannungsbegrenzungs-Strom- Charakteristik" zu dem Zweck vorgeschlagen, ausreichende Empfindlichkeit gegenüber negativem Halbwellenstrom vorzusehen, welcher durch Asymmetriefehler an der Lastseite des primären Unterwerks verursacht wird. Wenn das eintritt, wird die Einstellung, bei welcher ein nachgewiesener negativer Halbwellenstromanstieg als Hinweis auf einen Verteilerfehler angenommen wird, entsprechend dem gleichzeitig nachgewiesenen Pegel eines negativen Halbwellenspannungsanstieges erhöht. Je höher der nachgewiesene negative Halbwellenspannungsanstieg ist, desto höher muß der nachgewiesene negative Halbwellenstromanstieg sein, um als Hinweis auf einen Fehler betrachtet zu werden.
Der obenerwähnte zweite Artikel schließt mit einem Aufzeigen verschiedener Probleme mit den in dem Artikel erörterten Vorschlägen, insbesondere mit Problemen, die entstehen, wenn ein hochbelasteter Verteilerstromkreis ersterregt wird. Die in dem Artikel umrissenen Vorschläge könnten Anlaß geben für falsche Betätigung des Stromkreisunterbrechers beim Erregen eines Stromkreises, der in Wirklichkeit funktionstüchtig ist. Die offenbarte Vorrichtung ist auch extrem empfindlich gegenüber jedem beliebigen starken Schalten von fast an dem Verteilerkabel, was eine fasche Betätigung des Stromkreisunterbrechers verursachen könnte. Im besonderen kann die offenbarte Vorrichtung gegenüber dem Magnetisierungsüberlaststrom beim Ersterregen eines Verteiltransformators empfindlich sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere wesentliche Entwicklungen des oben in den drei Artikeln umrissenen Vorschlages des digitalen Schutzes, welcher eine deutliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit vorsieht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Fernschutz von Dreiphasen-Elektrizitätsversorgungs- Verteiltransformatoren die Schritte: Überwachen von Versorgungsparametern in einem Verteilerkabel zu den Transformatoren, Nachweisen eines Anstieges mindestens einer ausgewählten Funktion der Parameter, welche auf das Fließen eines Fehlerstromes in dem Verteilerkabel hinweisen können, Analysieren jedes solchen Anstieges, um die eventuelle Existenz und Größe jedes solchen Fehlerstromes zu bestimmen, und Einleiten der Auslösung eines Stromkreisunterbrechers, um das Verteilerkabel der Analyse entsprechend zu isolieren, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Halbwellenstrom und der negative Halbwellenstrom nachgewiesen und analysiert werden, um als Antwort auf einen nachgewiesenen Anstieg des negativen Halbwellenstromes nur dann die Auslösung des Stromkreisunterbrechers einzuleiten, wenn es einen gleichzeitig nachgewiesenen Anstieg des positiven Halbwellenstromes gibt und die Anstiege der positiven und negativen Halbwellenströme entsprechende Schwellen überschreiten. Das sieht eine Anordnung vor zum Erhöhen der Fähigkeit eines Fehlernachweisprozesses, Anstiege des negativen Halbwellenstromes zu unterdrücken, welche aus unsymmetrischen Störungen an dem Verteiler herrühren, die ihrerseits mit dem Abtrennen unsymmetrischer Lasten verbunden sind. Das Abtrennen unsymmetrischer Lasten, besonders als Resultat des Betätigens von Schutzvorrichtungen an dem Niederspannungsnetz, zum Beispiel von Sicherungen, kann starke Anstiege des negativen Halbwellenstromes ergeben, würde aber normalerweise eine gleichzeitige Abnahme des positiven Halbwellenstromes hervorrufen.
Es sollte berücksichtigt werden, daß das obenbeschriebene Verfahren in Kombination mit den Verfahren jeder beliebigen der vorgesehenen Anwendungen verwendet werden kann. Wenn das Verfahren positiver Anstiege der negativen Suszeptanz angewendet wird, kann das Auslösen des Stromkreisunterbrechers verzögert sein, es sei denn, daß ein Anstieg des positiven Halbwellenstromes über die Schwelle hinaus gleichzeitig mit dem nachgewiesenen Anstieg der negativen Suszeptanz nachgewiesen wird.
Normalerweise ist bei dem obenbeschriebenen Schutzverfahren eine auf das Einleiten folgende Betätigung des Stromkreisunterbrechers um eine Zeit verzögert, welche von der Größe eines nachgewiesenen Anstieges des negativen Halbwellenstromes abhängt. Wenn ferner Anstiege der negativen Suszeptanz nachgewiesen werden, kann der Stromkreisunterbrecher nach dem Einleiten um eine Zeit verzögert sein, welche von der Größe eines nachgewiesenen Anstieges der negativen Suszeptanz abhängt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt der überwachungsschritt: Abtasten ausgewählter Versorgungsparameter an dem Verteilerkabel, um für jede der aufeinanderfolgenden Abtastperioden Werte für ausgewählte Funktionen der Parameter vorzusehen, einschließlich der negativen und positiven Halbwellenströme, Speichern der Werte aus aufeinanderfolgenden Abtastperioden und Vergleichen der Werte aus der letzten Abtastperiode mit gespeicherten Werten entsprechender Funktionen aus einer vorhergehenden Abtastperiode, um Anstiege in den Werten nachzuweisen.
Anderenfalls, wenn nur ein Anstieg des negativen Suszeptanzwertes nachgewiesen wird, werden die Werte der negativen Suszeptanz aus aufeinanderfolgenden Abtastperioden gespeichert und die Werte der letzten Abtastperiode mit gespeicherten Werten der vorhergehenden Abtastperioden verglichen, um Anstiege nachzuweisen.
Günstigerweise bildet eine Abtastperiode einen Zyklus der Versorgungswellenform, und die Momentanspannung und der -strom jeder Phase werden mit einer Abtastrate nF abgetastet, wobei F die Versorgungsfrequenz ist, und n eine ganze Zahl, größer als eins, ist, wobei die Werte für die ausgewählten Funktionen in jeder aufeinanderfolgenden Abtastperiode durch digitales Filtern aufeinanderfolgender Sätze von n Abtastungen bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung zielt ferner auf eine Vorrichtung zum Fernschutz von Dreiphasen- Elektrizitätsversorgungs-Verteiltransformatoren, umfassend: Mittel zum überwachen von Versorgungsparametern in einem Verteilerkabel zu den Transformatoren; auf die überwachten Parameter ansprechende Steuermittel zum Nachweisen eines Anstieges in mindestens einer ausgewählten Funktion der Parameter, welche auf das Fließen eines Fehlerstromes in dem Verteilerkabel hinweisen können, zum Analysieren jedes derartigen Anstieges, um die eventuelle Existenz und Größe jedes derartigen Fehlerstromes zu bestimmen, und zum Erzeugen eines Schaltsignales entsprechend der Analyse; und auf das Schaltsignal ansprechende Stromkreisunterbrechermittel zum Isolieren des Verteilerkabels; dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel wirksam sind zum Nachweisen der zwei Funktionen, negativer Halbwellenstrom und positiver Halbwellenstrom, und zum Analysieren dieser, wobei als Antwort auf einen nachgewiesenen Anstieg des negativen Halbwellenstromes die Erzeugung des Schaltsignales nur dann eingeleitet wird, wenn es einen gleichzeitig nachgewiesenen Anstieg des positiven Halbwellenstromes gibt und wenn die Anstiege der positiven und negativen Halbwellenströme entsprechende Schwellen überschreiten. Günstigerweise können in der obenbeschriebenen Vorrichtung die Steuermittel digitale Computermittel umfassen, und die Mittel zum überwachen können Abtast- und Digitalisierungsmittel umfassen, welche durch die Computermittel gesteuert sind, um wiederholend Versorgungsparameter abzutasten und die Abtastungen zum Erfassen durch die Computermittel zu digitalisieren. Dann können die Computermittel eingerichtet und programmiert sein zum Erfassen der digitalisierten Abtastparameter, zum Berechnen eines Wertes daraus für die Funktion oder jede der ausgewählten Funktionen in allen aufeinanderfolgenden Abtastperioden, zum Speichern der aufeinanderfolgend berechneten Werte, zum Vergleichen des zuletzt berechneten Wertes aus der neuesten Abtastperiode mit einem gespeicherten Wert aus einer vorhergehenden Periode, um einen Anstieg im Wert für die Funktion oder jede der Funktionen nachzuweisen, zum Ausführen der Analyse jedes solchen Anstieges oder jeder solcher Anstiege und zum entsprechenden Erzeugen des Schaltsignales.
Vorzugsweise sind die Abtast- und Digitalisierungsmittel gesteuert zum Abtasten der Momentanspannung und des Momentanstromes in jeder der Versorgungsphasen und zum Vorsehen digitalisierter Abtastungen jeder der Parameter bei einer Abtastrate nF, wobei F die Abtastfrequenz ist und n eine ganze Zahl, großer als Eins, ist, und bei welcher die Computermittel programmiert sind zum schrittweisen Berechnen eines Wertes für die Funktion oder jede der Funktionen in jedem der aufeinanderfolgenden Zyklen der Versorgungswellenform, wobei die Schritte digitales Filtern aufeinanderfolgender Sätze von n Abtastungen jedes Parameters umfassen, um den harmonischen Anteil der Wellenform zu eliminieren.
Der Schritt des digitalen Filterns kann eine Fourieranalyse des Satzes von n Abtastungen umfassen, um die Sinus- und Kosinusterme (A und B) für jeden Parameter derart abzuleiten, daß die Amplitude V und Phase Φ des entsprechenden Parameters dargestellt werden als:
Φ = arctan (A/B)
V = k (A² + B²)1/2,
wobei k eine Konstante ist.
Besonders vorzugsweise können dann die Computermittel zum Speichern mindestens der neuesten n digitalisierten Abtastungen jedes Parameters programmiert sein zum Verwenden beim Ausführen des Schrittes des digitalen Filterns und welche ferner dazu programmiert sind, eine ausgewählte Phasenverschiebung der abgeleiteten Sinus- und Kosinusterme des einen Parameters relativ zu den Termen eines weiteren Parameters hervorzurufen, indem an unterschiedlichen zeitlich versetzten Sätzen von n Abtastungen die Fourieranalyse der entsprechenden Parameter aus den gespeicherten Abtastungen ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen
Fig. 1 eine Blockschemadarstellung einer mikroprozessorgesteuerten Vorrichtung zum Vorsehen eines Schutzes eines Elektrizitätsversorgungsverteilerkabels darstellt; und
die Fig. 2 bis 6 Flußdiagramme sind, welche das Computerprogramm veranschaulichen, welches in dem Mikroprozessor der Vorrichtung von Fig. 1 verwendet wird.
Wie in Fig. 1 gezeigt, werden die drei Phasen eines Verteilerkabels 10 aus einem primären Unterwerk 11 über einen Stromkreisunterbrecher 12 geführt. Eine Abtaster- und Analog-Digital-Wandler-Einheit 13 wird durch eine Mikroprozessoreinheit 14 gesteuert, um mit einer vorbestimmten Abtastrate den Momentanstrom und die -spannung, ermittelt durch entsprechende Stromwandler 15 und Spannungswandler 16, an jeder der drei Phasen abzutasten. Die abgetasteten Momentanwerte werden in der Einheit 13 digitalisiert, um über den Datenbus 17 den Mikroprozessor 14 zu versorgen und im Speicher 18 gespeichert zu werden.
Die Mikroprozessoreinheit 14 ist dazu programmiert, die gespeicherten Momentanspannungs- und Momentanstromlesewerte in Übereinstimmung mit Algorithmen zu analysieren, welche später detaillierter beschrieben werden, um Strom- und Spannungsbedingungen in den drei Phasen des Verteilerkabels nachzuweisen, die auf einen an der Lastseite des Stromkreisunterbrechers auftretenden Fehlerzustand hinweisen. Beim Nachweis eines Fehlerzustandes ist die Mikroprozessoreinheit 14 dann ferner dazu programmiert, eine Auslöseprozedur einzuleiten, welche dazu führt, daß einem Schnellauslöserelais signalisiert wird, den Stromkreisunterbrecher 12 zum Isolieren des Verteilerkabels 10 von dem primären Unterwerk 11 zu betätigen.
Die Mikroprozessoreinheit 14 wird gemäß einem Programm gesteuert, welches in einem Teil des Speichers 18 aufbewahrt werden kann. Das Programm ist in verschiedene Tasks eingeteilt, welche als SAMPLE, FILTER, EVAL und PROTECTION bezeichnet sind.
Fig. 2 stellt ein Flußdiagramm der SAMPLE-Task dar. Die Task wird mittels eines Unterbrechungssignals in dem Computer aller 1,66 ms aufgerufen. Jedesmal wenn die Task aufgerufen wird, steuert der Computer den Abtaster und den Analog-Digital-Wandler 13 an, um aktuelle Momentanabtastungen des Stromes und der Spannung an jeder der drei Phasen zu bekommen und diese Abtastungen zu digitalisieren. Der Mikroprozessor liest dann auch die auf dem Datenbus 17 vorhandenen digitalisierten Abtastungen und speichert diese an Stellen des Speichers 18. Der Mikroprozessor ist dann angewiesen, die FILTER- Task aufzurufen, welche auf jede zwölfte Ausführung der SAMPLE-Task folgt.
Es ist daher ersichtlich, daß die FILTER-Task aller 20 ms aufgerufen wird, d. h. einmal pro Zyklus einer 50 Hz-Versorgungswellenform. Andererseits werden die Spannung und der Strom der Versorgungswellenform 12 mal pro Zyklus abgetastet.
Fig. 3 stellt ein Flußdiagramm der FILTER-Task in dem Mikroprozessorprogramm dar. Die FILTER-Task führt eine Fourieranalyse eines Satzes von 12 aufeinanderfolgenden Abtastungen für jeden der gemessenen Spannungs- und Stromparameter für jede Phase aus, um so Sinus- und Kosinus-Fourierterme (A und B) für die Grundfrequenz jeder dieser Parameter vorzusehen. Diese Fourieranalyse filtert wirkungsvoll die höheren Harmonischen aus, welche in den Spannungs- und stromwellenformen vorhanden sein können. Digitale Fourieranalysetechniken sind zu diesem Zweck gut bekannt, und in dem vorliegenden Fall werden die A- und B-Terme der 50 Hz-Grundschwingung für die Spannungs- und Stromparameter aus den Gleichungen
abgeleitet, wobei S&sub0; bis S&sub1;&sub1; die digitalisierten Abtastwerte für jeden Satz von zwölf Abtastungen bezeichnen, welche für die Fourieranalyse eines bestimmten Parameters verwendet werden. Die maximale Amplitude des Parameters wird dann dargestellt durch:
(A² + B²)1/2.
Ähnlich wird der Phasenwinkel des Parameters dargestellt durch:
arctan (A/B).
Der Mikroprozessor 14 ist angewiesen, in dem Speicher 18 die neuesten 48 Abtastungen für jeden der überwachten Parameter der Dreiphasenversorgung zu behalten, um damit Abtastungen über die letzten vier Zyklen der Versorgungswellenform vorzusehen. Wenn die Fourieranalyse oder digitales Filtern der Sätze aus zwölf Abtastungen für jeden Parameter ausgeführt wird, wird eine Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen Parametern eingeführt, indem die Fourieranalyse an unterschiedlichen zeitlich verschobenen Sätzen aus zwölf aufeinanderfolgenden Abtastungen ausgeführt wird. Wenn zum Beispiel der nicht phasenverschobene rote Phasenstrom IR unter Verwendung der Abtastungen S&sub0; bis S&sub1;&sub1; des roten Phasenstromes bestimmt wird, wird der gelbe Phasenstrom mit 1200 Phasenverschiebung unter Verwendung der Abtastungen S&sub4; über S&sub1;&sub1; bis S&sub3; des gelben Phasenstromes bestimmt.
Um die positiven und negativen Halbwellenstromkomponenten für die Dreiphasenversorgung zu berechnen, ist der Computer dazu programmiert, die Fourierkomponenten A und B jeder der folgenden Parameter zu bestimmen:
IR - roter Phasenstrom (keine Verschiebung)
IY120 und IY240 - gelber Phasenstrom mit 120º- und 240º-Verschiebungen
IB120 und IB240 - blauer Phasenstrom mit 120º- und 240º-Verschiebungen.
Wenn die Spannungsparameter der drei Phasen bestimmt werden, ist zur Anpassung an die Phase eine 30º- Phasenverschiebung erforderlich, um die zum Überwachen der Spannung an den drei Phasen des Kabels benutzten Spannungswandlerverbindungen in die richtige Phase zu bringen.
Zur Bestimmung positiver und negativer Spannungshalbwellenkomponenten werden daher die Fourierterme A und B von jedem der folgenden Spannungsparameter berechnet:
VRRY330 - Rot-Gelb-Spannung, um 330º (oder - 30º) verschoben
VYB90 und VYB120 - Gelb-Blau-Spannung, um (120º - 30º) und um (240º - 30º) verschoben
VBR90 und VEBR210 - Blau-Rot-Spannung, um (120º - 30º) und um (240º - 30º) verschoben.
Sind daher die A- und B-Terme von jedem der obengenannten Parameter durch das digitale Filtern oder obenbeschriebene Fourieranalysetechnik bestimmt worden, werden die A- und B-Terme der positiven und negativen Spannungs- und Strom-Halbwellenwerte dann separat aus den folgenden Formeln berechnet, in welchen die angegebenen I- und V-Terme dazu verwendet werden, zuerst den Fourierterm A des entsprechenden Strom- oder Spannungsparameters und dann den Fourierterm B des entsprechenden Parameters darzustellen:
Ipos = (IR + IY120 + IB240)/3
Vpos = (VRY330 + VYB90 + VBR210)/3
Vneg = (IR + IY240 + IB120)/3
Vneg = (VRY330 + VYB210 + VBR90)/3.
Zusätzlich ist der Mikroprozessor dazu programmiert, den Gleichstrom in jeder Phase, einfach durch Bestimmen der Summe aller zwölf Abtastungen zu berechnen.
Sobald das Programm die FILTER-Task wie oben erörtert beendet hat, wird die EVAL-Task aktiviert.
Ein Flußdiagramm der EVAL-Task ist in Fig. 4 der beigefügten Zeichnungen dargestellt. Der erste Schritt in der EVAL-Task besteht darin, die Phase des positiven Halbwellenstromes und der -spannung aus den durch die FILTER-Task abgeleiteten A- und B-Termen unter Anwendung der Formel
Φ = arctan (A / B)
zu berechnen.
Anschließend berechnet der Computer die Amplitude des positiven und negativen Halbwellenstromes und der -spannung aus den A- und B-Termen für diese Parameter und normiert die berechneten Amplituden auf einen binären Bezugseinheitswert von 1024.
Die sich ergebenden berechneten Phasen des positiven Halbwellenstromes und der -spannung werden im folgenden als ΦI und ΦV und die zuletzt berechneten normalisierten Amplituden des positiven und negativen Halbwellenstromes und der -spannung als IOP, VOP, ION, VON bezeichnet.
Die EVAL-Task berechnet schließlich die Amplitude jedes nachgewiesenen Gleichstromes in jeder Phase, wobei der Wert wieder auf eine Bezugseinheit von 1024 normiert wird.
Beim Beenden der EVAL-Task ist der Computer dazu programmiert, die PROTECTION-Task zu starten.
Die PROTECTION-Task in dem Programm ist in dem Flußdiagramm in den Fig. 5 und 6 dargestellt.
Die erste Funktion der PROTECTION-Task besteht darin, alle ungewöhnlichen Anstiege des nachgewiesenen Gleichstromes in jeder Phase zu kontrollieren. Das wird vom Computer durch Kontrollieren der neuesten Gleichstromwerte ausgeführt, welche in der unmittelbar vorhergehenden EVAL-Task mit entsprechenden Werten berechnet wurden, die wiederum bei vorhergehenden Aufrufen der auf vorhergehende Zyklen der Versorgungswellenform folgenden EVAL-Task berechnet worden sind. Normalerweise wird der Zuwachsnachweis durch Vergleichen des neuesten berechneten Wertes mit dem zwei Zyklen vorher berechneten ausgeführt.
Wenn ein plötzlicher Gleichstromanstieg über eine Schwelle hinaus in einer beliebigen Versorgungsphase nachgewiesen wird, ist das Programm angewiesen, alle nachfolgenden Testfunktionen der PROTECTION-Task zu überspringen, entweder bis der Gleichstrom auf seinen vorhergehenden Pegel zurückgekehrt ist oder bis eine bestimmte auf den plötzlichen Anstieg folgende Zeit verstrichen ist. Das zeitverzögernde Merkmal ist in dem Programm durch Verwendung einer Softwarefunktion verwirklicht, welche das Betätigen eines Induktionsscheibenrelais simuliert, welches in Elektrizitätsversorgungssystemen zum Vorsehen einer Zeitverzögerung zwischen Nachweis eines Fehlerstromes und öffnen eines Stromkreisunterbrechers verwendet wird. Die Zeitverzögerung hängt charakteritisch ab von der nachgewiesenen Größe des Fehlerstromes (des Übertragungsmaßes) und der gewählten Einstellung zum Sicherstellen, daß die Betätigung des Stromkreisunterbrechers mit der Betätigung weiterer Stromkreisunterbrecher und Sicherungen in dem Versorgungsstromkreis richtig abgestimmt ist.
Folglich reagiert das Programm in dem vorliegenden Beispiel auf einen Nachweis eines ungewöhnlichen Gleichstromanstieges in einer einzelnen Phase mit Starten eines Zählprozesses an einer speziellen Stelle des Speichers und Setzen eines Flags, um anzuzeigen, daß das entsprechende "Gleichstromrelais", betätigt wird. Das Flag bleibt gesetzt, entweder bis das Gleichstromrelais abgefallen ist, wenn der Gleichstromweft zu dem Wert vor dem Anstieg zurückkehrt, oder wenn das Gleichstromrelais nach einer Zeitverzögerung abfällt, welche unter anderem durch die Größe des nachgewiesenen Anstieges bestimmt wird.
Das Programm ist zum Kontrollieren angewiesen, ob ein beliebiges der Gleichstromrelais betätigt wird und noch nicht abgefallen ist, und wenn das so ist, alle die verbleibenden Funktionen der PROTECTION-Task zu überspringen, wie in dem Flußdiagramm gezeigt.
Wenn jedoch keines der Gleichstromrelais betätigt ist, oder wenn sonst ein vor kurzem betätigtes Gleichstromrelais nun abgefallen ist, fährt die PROTECTION- Funktion fort, indem die erste Kontrolle an den berechneten Werten für positive Halbwellenspannung und positiven -strom durchgeführt wird.
Diese erste Kontrolle dient dazu, nach einem plötzlichen Anstieg des positiven Halbwellenstromes zu suchen. Daher wird der neueste berechnete Wert für den positiven Halbwellenstrom (IOP) mit dem zwei Zyklen vorher berechneten (I2P) verglichen, um festzustellen, ob die Differenz zwischen den beiden größer als eine vorgegebene Schwelle ist. Wenn die Differenz größer als die Schwelle ist, dann setzt das Programm ein Ipos-Flag, um anzuzeigen, daß ein positiver Halbwellenstromanstieg nachgewiesen worden ist.
Die nächste Funktion der PROTECTION-Task besteht darin, den negativen Halbwellenstrom zu überwachen. Zu diesem Zweck wird zuerst ein Beaufschlagungswert berechnet, umfassend:
(IOP - I2P)/8 + 2(VON - V2N).
Dann wird der neueste berechnete Wert für negativen Halbwellenstrom mit dem zwei Zyklen vorher berechneten verglichen, und wenn die Differenz größer als eine vorgegebene Schwelle zuzüglich des vorher berechneten Beaufschlagungswertes ist, wird ein NPS-Flag gesetzt, um anzuzeigen, daß ein wahrscheinlicher negativer Halbwellenphasenfehler nachgewiesen worden ist.
Es ist zu erkennen, daß die oben angegebene Beaufschlagung einen Anteil des nachgewiesenen Anstieges des positiven Halbwellenstromes umfaßt, so daß das NPS- Flag nicht gesetzt ist, es sei denn, der nachgewiesene Anstieg im negativen Halbwellenstrom übersteigt die vorbestimmte Schwelle zuzüglich dieses Anteiles eines beliebigen gleichzeitigen Anstieges im positiven Halbwellenstrom. Gleichzeitig umfaßt die Beaufschlagung einen mit einem beliebigen gleichzeitig nachgewiesenen Anstieg der negativen Halbwellenspannung multiplizierten Faktor. Der Zweck dieser Beaufschlagungskomponenten wird später noch einmal detaillierter beschrieben werden.
Die nächste Funktion in der PROTECTION-Task besteht in der Bestimmung, ob ein ungewöhnlicher Anstieg der negativen Suszeptanz des geschützten Kabels und der Last auftritt. Zu diesem Zweck kontrolliert das Programm zuerst die berechneten Werte für positiven Halbwellen- Spannungs- und Halbwellenstrom-Phasenwinkel, um zu gewährleisten, daß diese berechneten Werte Gültigkeit besitzen. Wenn die EVAL-Task die Phasen der positiven Halbwellenspannung und des -stromes berechnet, ist sie nicht in der Lage, den Winkel aufzulösen, wenn die Eingabegröße zu gering ist, in welchem Fall das höchstwertigste Bit von dem den Phasenwinkel enthaltenden Wort gesetzt ist. In der PROTECTION-Task kontrolliert das Programm zuerst die höchstwertigsten Bits der Phasenwinkelwerte, um zu gewährleisten, daß keine derart gesetzt sind, daß alle die angezeigten Werte als gültig angenommen werden müssen. Das Programm subtrahiert dann die Phase der positiven Halbwellenspannung von derjenigen des positiven Halbwellenstromes, um den Phasenwinkel Φ zu bestimmen, und berechnet dann die positive Halbwellensuszeptanz (SOP) aus der Formel:
SOP = (IOP/VOP) sin(Φ + Qc).
Qc ist ein Kompensationswinkel, welcher den Lastwinkel im ungünstigsten Fall darstellt, auf den sich Anstiege in normaler fehlerfreier Last auswirken würden und für den keine resultierende Empfindlichkeit gegenüber einem Suszeptanzanstieg erforderlich ist. Ein typischer Wert für Qc beträgt 15º, so daß eine Last bei einem nacheilenden Winkel von 15º dann eine berechnete Suszeptanz (SOP) von Null ergeben würde.
Das Programm bringt alle berechneten positiven Werte von SOP auf Null und negiert dann alle verbleibenden Werte von SOP.
In dem Fall, daß einer oder weitere der berechneten Phasenwinkel als ungültig angenommen sind, ist das Programm derart eingerichtet, daß es die berechneten Suszeptanzwerte SOP auf Null setzt.
Der zuletzt berechnete Suszeptanzwert wird dann mit dem zwei Zyklen vorher berechneten (SOP - S2P) verglichen, um festzustellen, ob die Differenz eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Es ist daher einzusehen, daß die Differenz SOP - S2P für einen Nacheil-Fehlerzustand, welcher zu einem Anstieg der negativen Suszeptanz führt, einen positiven Wert im Vergleich mit der Schwelle ergibt.
Wenn der nachgewiesene Anstieg der negativen Suszeptanz über der Schwelle liegt, wird ein S-Flag gesetzt, welches auf eine eventuelle positive Halbwellenfehlerbedingung hinweist.
Die übrigen Funktionen der PROTECTION-Task des Programmes analysieren die Ergebnisse der verschiedenen Tests auf Veränderungen des positiven und negativen Halbwellenstromes und der negativen Suszeptanz, um festzustellen, ob tatsächlich ein Fehlerzustand an dem Verteilerkabel vorliegt, und um die abgeschätzte Größe des Fehlers zu bestimmen. Wenn das Ipos-Flag gesetzt ist und auch mindestens eines der NPS- oder S-Flags gesetzt ist, wird ein Übertragungsmaß Q gemäß der Formel
Q = (5/4) (SOP - S2P) + (3/4) (ION - I2N)
bestimmt.
Das derart berechnete Übertragungsmaß Q wird dann dazu verwendet, eine zeitverzögernde Übertragungsfunktion in dem Programm zu setzen, was wieder durch Simulieren der Betätigung eines Induktionsscheibenrelais geschieht. Je größer der berechnete Wert von Q ist, desto kürzer ist die Verzögerungszeit, welche von dem Relais erzeugt wird, bevor ein Signal von dem Computer zum Betätigen des Schnellauslöserelais 19 erzeugt wird, welches daraufhin den Stromkreisunterbrecher 12 betätigt.
Wenn das Ipos-Flag nicht gesetzt ist, oder wenn sonst keines der NPS- oder S-Flags gesetzt ist, dann wird das Übertragungsmaß Q auf 0 gesetzt, so daß die Prozedur zum Betätigen des Stromkreisunterbrechers 12 nicht aufgerufen wird.
Solange die Übertragungsfunktion in dem Programm betätigt ist, d. h., die Schaltung des Stromkreisunterbrechers ist eingeleitet worden, aber die Verzögerungszeit ist noch nicht abgelaufen, stellt das Programm sicher, daß die vorher verwendeten Werte S2P, I2P, I2N und V2N eingefroren sind und nicht aktualisiert werden. Das garantiert, daß das nächstemal, wenn die PROTECTION-Task im Anschluß an den nächsten Zyklus der Netzversorgungswellenform aufgerufen wird, die zuletzt gemessenen und berechneten Werte für SOP, IOP, ION, VON noch mit den vorhergehenden Referenzwerten verglichen sind, welche nun die Werte aus drei Zyklen vorher darstellen. Diese Einfrierbedingung wird solange fortgesetzt, bis das Programm feststellt, daß das anzugsverzögerte Relais nicht mehr betätigt wird.
Dieser Einfriervorgang stellt sicher, daß fortgefahren wird, den neuesten Zustand der Versorgung gegenüber dem dem Fehlerzustand unmittelbar vorausgehenden zu kontrollieren. Wenn die Versorgung unmittelbar vor dem Fehlerzustand unter die Schwellenwerte zurückkehrt, werden die Kontrollen in der PROTECTION-Task dazu führen, daß verschiedene Flags zurückgesetzt werden, so daß das Übertragungsmaß Q auf Null gesetzt wird, womit ein weiteres Betätigen des Verzögerungsrelais verzögert und veranlaßt wird, es rückzustellen, bevor es abgefallen ist.
Auf diese Weise führt ein nachgewiesener Fehlerzustand, der aber nicht über die Verzögerungszeit aufrechterhalten wurde, die dazu benötigt wird, dem Verzögerungsrelais ein Abfallen zu ermöglichen, nicht zum Betätigen des Stromkreisunterbrechers 12.
Wenn festgestellt wird, daß das Verzögerungsrelais nicht betätigt wird, d. h., Q ist auf Null gesetzt worden, dann garantiert das Programm, daß die Werte für S2P, I2P, I2N und V2N mit den Werten S1P, I1P, I1N und V1N aus dem unmittelbar vorhergehenden Zyklus aktualisiert werden. Wenn dann das nächstemal die PROTECTION-Task im Anschluß an den nächsten Zyklus der Versorgungswellenform aufgerufen wird, werden die neuesten bestimmten Werte für diese Funktionen noch einmal mit denjenigen aus zwei Zyklen vorher verglichen.
In allen Fällen, ob das Verzögerungsrelais betätigt ist oder nicht, werden vor Beenden der PROTECTION-Task die Werte S1P, I1P, I1N und V1N aktualisiert, um sie auf die kurz vorher berechneten Werte SOP, IOP, ION und VON zu setzen.
Die in der PROTECTION-Task ausgeführte Endkontrolle dient zum Feststellen, ob das Verzögerungsrelais, wenn es auf Betätigen gesetzt ist, schon abgefallen ist. Wenn es das ist, sieht der Computer ein Kontrollsignal vor, um das Schnellauslöserelais 19 derart zu betätigen, daß der Stromkreisunterbrecher 12 betätigt wird.
Die Bestimmung des Übertragungsmaßes Q in dem obenbeschriebenen Abschnitt der PROTECTION-Task ist eingerichtet, um eine Berechnung der Größe eines Fehlerzustandes vorzusehen, welcher nachgewiesen worden ist, um genaues Abstimmen der Betätigung des Stromkreisunterbrechers 12 mit weiteren Stromkreisunterbrecherelementen zu gewährleisten, welche in dem Verteilerstromkreis vorgesehen sein können. Folglich können die Faktoren, welche in dem Beispiel oben als Multiplikatoren für den negativen Suszeptanzanstieg und den negativen Halbwellenstromanstieg verwendet wurden, empirisch bestimmt werden, um die erforderliche Abstimmung für die Schutzvorrichtung auf verschiedene Fehlersituationstypen vorzusehen.
Wenn die Schutzvorrichtung wie oben beschrieben programmiert ist, ist sie fähig, mit einem hohen Grad an Zuverlässigkeit zwischen tatsächlichen Fehlern, die an dem Verteilerstromkreis vorkommen, und anderen Parameteränderungen, die normalerweise nicht auf einen wirklichen Fehler hinweisend sind, zu unterscheiden. Bei Verwendung von differentiellen Techniken können die Einstellungen, bei welchen verschiedenartige mögliche Fehler nachgewiesen werden, für wirkliche Fehlerströme gelten, die wesentlich unter dem normalen Laststrom in dem Verteilerkabel liegen. Durch Beaufschlagen der Einstellung für negative Halbwellenstromanstiege mit einem Anteil eines beliebigen gleichzeitigen positiven Halbwellenstromanstieges kann das Schutzsystem auf relativ unempfindlich gegenüber der starken Änderung im negativen Halbwellenstrom zurückgestellt werden, welcher zeitweilig während der Magnetisierungs-Einschaltstromspitze vorkommen kann, wenn ein Verteiltransformator erregt wird. Durch Beaufschlagen auch der Einstellung für negative Halbwellenstromanstiege, in Einklang mit gleichzeitig nachgewiesenen negativen Halbwellenspannungsanstiegen, kann das System relativ unempfindlich gegenüber unsymmetrischen Störungen an der Quellenseite der Schutzvorrichtung eingestellt werden.
Durch Nachweisen von Anstiegen der negativen Suszeptanz, welche aus dem positiven Halbwellenstrom und der -spannung abgeleitet wurde, können tatsächliche positive Halbwellenfehler mit Strompegeln nachgewiesen werden, welche im Vergleich zu dem normalen Laststrom relativ niedrig sind.

Claims

1. Verfahren zum Fernschutz von Dreiphasen- Elektrizitätsversorgungs-Verteiltransformatoren, umfassend die Schritte: Überwachen von Versorgungsparametern in einem Verteilerkabel zu den Transformatoren, Nachweisen eines Anstieges mindestens einer ausgewählten Funktion der Parameter, welche auf das Fließen eines Fehlerstromes in dem Verteilerkabel hinweisen können, Analysieren jedes solchen Anstieges, um die eventuelle Existenz und Größe jedes solchen Fehlerstromes zu bestimmen, und Einleiten der Auslösung eines Stromkreisunterbrechers, um das Verteilerkabel der Analyse entsprechend zu isolieren, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Halbwellenstrom und der negative Halbwellenstrom nachgewiesen und analysiert werden, um als Antwort auf einen nachgewiesenen Anstieg des negativen Halbwellenstromes nur dann die Auslösung des Stromkreisunterbrechers einzuleiten, wenn es einen gleichzeitig nachgewiesenen Anstieg des positiven Halbwellenstromes gibt und die Anstiege der positiven und negativen Halbwellenströme entsprechende Schwellen überschreiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine auf das Einleiten folgende Betätigung des Stromkreisunterbrechers um eine Zeit verzögert ist, welche von der Größe eines nachgewiesenen Anstieges des negativen Halbwellenstromes abhängt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Überwachen von Versorgungsparametern umfaßt: Messen von Parametern, um zeitabhängige Werte für den positiven Halbwellenstrom, Spannung und Phasenwinkel, vorzusehen, daraus zeitabhängige Werte für die Suszeptanz des Verteilerkabels und der damit verbundenen Last zu berechnen, und Überwachen der zeitabhängigen Suszeptanzwerte, um Anstiege der negativen Suszeptanz nachzuweisen, wobei der Stromkreisunterbrecher zusätzlich ausgelöst wird, wenn der Anstieg der negativen Suszeptanz eine vorausbestimmte Schwelle überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die zeitabhängigen Suszeptanzwerte berechnet werden unter Verwendung der gemessenen Werte für positiven Halbwellenphasenwinkel, der mit einem vorausbestimmten Kompensationswinkel beaufschlagt ist, welcher derart gewählt ist, daß bei normalen fehlerfreien Anstiegen des Laststromes ein Nullanstieg der überwachten Suszeptanz erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, insofern diese von Anspruch 1 abhängen, bei welchem eine auf das Einleiten folgende Betätigung des Stromkreisunterbrechers um eine Zeit verzögert ist, welche von der Größe eines nachgewiesenen Anstieges der negativen Suszeptanz abhängt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Überwachungsschritt umfaßt Abtasten ausgewählter Versorgungsparameter an dem Verteilerkabel, um für jede der aufeinanderfolgenden Abtastperioden Werte für ausgewählte Funktionen der Parameter vorzusehen, einschließlich der negativen und positiven Halbwellenströme, Speichern der Werte aus aufeinanderfolgenden Abtastperioden und Vergleichen der Werte aus der letzten Abtastperiode mit gespeicherten Werten entsprechender Funktionen aus einer vorhergehenden Abtastperiode, um Anstiege in den Werten nachzuweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem eine Abtastperiode einen Zyklus der Versorgungswellenform bildet und die Momentanspannung und der Momentanstrom jeder Phase mit einer Abtastrate nF abgetastet werden, wobei F die Versorgungsfrequenz und n eine ganze Zahl, größer als Eins, ist, wobei die Werte für die ausgewählten Funktionen in jeder aufeinanderfolgenden Abtastperiode durch digitales Filtern aufeinanderfolgender Sätze von n Abtastungen bestimmt werden.

8. Vorrichtung zum Fernschutz von Dreiphasen- Elektrizitätsversorgungs-Verteiltransformatoren, umfassend: Mittel (13) zum Überwachen von Versorgungsparametern in einem Verteilerkabel (10) zu den Transformatoren; auf die überwachten Parameter ansprechende Steuermittel (14, 18) zum Nachweisen eines Anstieges in mindestens einer ausgewählten Funktion der Parameter, welche auf das Fließen eines Fehlerstromes in dem Verteilerkabel (10) hinweisen können, zum Analysieren jedes derartigen Anstieges, um die eventuelle Existenz und Größe jedes derartigen Fehlerstromes zu bestimmen, und zum Erzeugen eines Schaltsignales entsprechend der Analyse; und auf das Schaltsignal ansprechende Stromkreisunterbrechermittel (19) zum Isolieren des Verteilerkabels (10); dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (14, 18) wirksam sind zum Nachweisen der zwei Funktionen, negativer Halbwellenstrom und positiver Halbwellenstrom, und zum Analysieren dieser, wobei als Antwort auf einen nachgewiesenen Anstieg des negativen Halbwellenstromes die Erzeugung des Schaltsignales nur dann eingeleitet wird, wenn es einen gleichzeitig nachgewiesenen Anstieg des positiven Halbwellenstromes gibt und wenn die Anstiege der positiven und negativen Halbwellenströme entsprechende Schwellen überschreiten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Steuermittel (14, 18) digitale Computermittel (14, 18) umfassen, und die Mittel (13) zum Überwachen Abtast- und Digitalisierungsmittel umfassen, welche durch die Computermittel (14, 18) gesteuert sind, um wiederholend Versorgungsparameter abzutasten und die Abtastungen zum Erfassen durch die Computermittel (14, 18) zu digitalisieren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Computermittel (14, 18) eingerichtet und programmiert sind zum Erfassen der digitalisierten Abtastparameter, zum Berechnen eines Wertes daraus für die Funktion oder jede der ausgewählten Funktionen in allen aufeinanderfolgenden Abtastperioden, zum Speichern der aufeinanderfolgend berechneten Werte, zum Vergleichen des zuletzt berechneten Wertes aus der neuesten Abtastperiode mit einem gespeicherten Wert aus einer vorhergehenden Periode, um einen Anstieg im Wert für die Funktion oder jede der Funktionen nachzuweisen, zum Ausführen der Analyse jedes solchen Anstieges oder jeder solcher Anstiege und zum entsprechenden Erzeugen des Schaltsignales.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die Abtast- und Digitalisierungsmittel (13) gesteuert sind zum Abtasten der Momentanspannung und des Momentanstromes in jeder der Versorgungsphasen und zum Vorsehen digitalisierter Abtastungen jeder der Parameter bei einer Abtastrate nF, wobei F die Abtastfrequenz ist und n eine ganze Zahl, größer als Eins, ist, und bei welcher die Computermittel programmiert sind zum schrittweisen Berechnen eines Wertes für die Funktion oder jede der Funktionen in jedem der aufeinanderfolgenden Zyklen der Versorgungswellenform, wobei die Schritte digitales Filtern aufeinanderfolgender Sätze von n Abtastungen jedes Parameters umfassen, um den harmonischen Anteil der Wellenform zu eliminieren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher der Schritt des digitalen Filterns eine Fourieranalyse des Satzes von n Abtastungen umfaßt, um die Sinus- und Kosinusterme (A und B) für jeden Parameter derart abzuleiten, daß die Amplitude V und Phase Φ des entsprechenden Parameters dargestellt werden als:

Φ = arctan (A/B)

V = k (A² + B²)1/2,

wobei k eine Konstante ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die Computermittel (14, 18) zum Speichern mindestens der neuesten n digitalisierten Abtastungen jedes Parameters programmiert sind zum Verwenden beim Ausführen des Schrittes des digitalen Filterns und welche ferner dazu programmiert sind, eine ausgewählte Phasenverschiebung der abgeleiteten Sinus- und Kosinusterme des einen Parameters relativ zu den Termen eines weiteren Parameters hervorzurufen, indem an unterschiedlichen zeitlich versetzten Sätzen von n Abtastungen die Fourieranalyse der entsprechenden Parameter aus den gespeicherten Abtastungen ausgeführt wird.