DE3812432A1

DE3812432A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des fehlerortes auf einer elektrischen leitung

Info

Publication number: DE3812432A1
Application number: DE19883812432
Authority: DE
Inventors: Werner Elischer; Reinhard Dr Maier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-04-14
Filing date: 1988-04-14
Publication date: 1989-10-26

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Fehlerortes auf einer elektrischen Leitung.

Für den Schutz von Hochspannungsleitungen ist zur Steuerung der Abschaltung bei Kurzschlüssen eine möglichst schnelle Bestimmung des Kurzschlußortes erforderlich um die entsprechenden Leitungsbereiche gezielt und schnell abschalten zu können. Kurzschlüsse in Hochspannungsleitungen werden durch Überspannungen verursacht, die beispielsweise durch Blitzeinschlag in ein Leiterseil entstehen können. Dabei bildet sich zwischen dem Kurzschlußort und dem Leitungsende bzw. einer Stoßstelle der Leitung eine Wanderwellenschwingung, die allmählich abklingt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und sicheren Bestimmung des Fehlerorts auf einer elektrischen Leitung anzugeben.

Die genannte Aufgabe wird jeweils gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 3. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß eine durch einen Kurzschluß zwischen dem Fehlerort und einer Stoßstelle entstehende Wanderwellenschwingung aus mehreren Schwingungsanteilen zusammengesetzt ist, deren Wellenlängen jeweils ein ganzzahliges Vielfaches des doppelten Abstandes a zwischen dem Fehlerort und der benachbarten Stoßstelle betragen. Der Abstand a des Fehlerortes von der Stoßstelle ist dann mit der Wellenlänge λ _o bzw. der Periodendauer T _o der Grundschwingung über die Beziehung a=λ _o/2 = T _o v/2 verknüpft, wobei v die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wanderwellen in der Leitung ist.

Die Bestimmung der Wellenlänge des der Grundschwingung entsprechenden Anteils des Wanderwellensignales erfolgt erfindungsgemäß durch eine Zerlegung des Wanderwellensignals in mehrere Signalanteile, deren Schwingungsfrequenzen unterschiedlich sind. Dies geschieht mit Hilfe von Bandpaßfiltern unterschiedlicher Mittenfrequenzen. Von den Ausgangssignalen der Bandpaßfilter, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten, wird das Ausgangssignal aus dem Bandpaßfilter mit der niedrigsten Mittenfrequenz zur Bestimmung der Frequenz der Grundschwingung herangezogen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Schwingungsperiode der Grundschwingung aus der Zeitdifferenz zwischen dem zweiten und dritten Nulldurchgang das die Grundschwingung beinhaltenden Signalanteiles ermittelt. Dadurch werden mögliche Fehlereinflüsse, die vom Einschwingverhalten des Bandpaßfilters herrühren, weitgehend ausgeschaltet.

In einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Anordnung vorgesehen, in der eine digitaltechnische Verarbeitung der am Ausgang eines Spannungswandlers anstehenden Spannung vorgesehen ist. Dies ermöglicht einen gegenüber einer analogtechnischen Lösung besonders flexiblen und den jeweiligen Verhältnissen auf der zu überwachenden Leitung leicht anzupassenden Aufbau der Vorrichtung.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines schematischen Blockschaltbildes erläutert wird. In

Fig. 2 sind die Übertragungsfunktionen dreier digitaler Bandpaßfilter gegen die Frequenz aufgetragen.

Fig. 3 zeigt die Ausgangsspannung des Spannungswandlers als Funktion der Zeit bei Auftreten eines Kurzschlusses. In

Fig. 4 bis 8 sind die Ausgangsspannungen unterschiedlicher digitaler Bandpaßfilter ebenfalls gegen die Zeit aufgetragen und in

Fig. 9 sind die Amplituden der Ausgangsspannungen der Bandpaßfilter gegen eine der Mittenfrequenz entsprechenden Kennziffer des jeweiligen zugehörigen Bandpaßfilters aufgetragen.

Gemäß Fig. 1 tritt auf einer elektrischen Leitung 2, beispielsweise einer Hochspannungsleitung an einem Fehlerort x _F im Abstand a=x _F von einer Stoßstelle x=o der Leitung 2 ein Kurzschluß auf. An einem zwischen der Stoßstelle bei x=o und dem Fehlerort x _F befindlichen Meßort x _o wird mittels eines Spannungswandlers 4 ein der Spannung auf der elektrischen Leitung 2 proportionale Spannung u aufgenommen. Aus dieser am Ausgang des Spannungswandlers 4 anstehenden Spannung u werden mittels mehrerer, parallelgeschalteter Bandpaßfilter 10₁, 10₂, . . . 10 _i, . . . 10 _n mehrere Signalanteile u _a,₁, u _a,₂ . . .u _{a, n} herausgefiltert. Die Bandpaßfilter 10 _i unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Frequenzbänder Δ f _i und ihrer Mittenfrequenzen f _i. In einer bevorzugten Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens werden digitale Bandpaßfilter 10 _i verwendet. Dazu ist es erforderlich, die Ausgangsspannung u des Spannungswandlers 4 mittels eines Analog-Digital-Wandlers 8 zu digitalisieren. Zwischen dem Spannungswandler 4 und dem Analog-Digitalwandler 8 ist außerdem als Antialiasing-Filter zur Bandbegrenzung ein analoges Tiefpaßfilter 6 vorgesehen, dessen Grenzfrequenz das entsprechend der Abtastfrequenz des Analog-Digital- Wandlers 8 gewählt ist. Bei einer Abtastrate von etwa 50 kHz des Analog-Digital-Wandlers 8 wurde in einem Ausführungsbeispiel ein Tiefpaßfilter 6 mit einer Grenzfrequenz von 15 kHz ausgesucht. Der Analog-Digital-Wandler 8 speist beispielsweise 10 Bandpässe 10₁, . . . 10₁₀ mit einer digitalisierten Eingangsspannung u _e. Die Signalanteile u _{a, i} am Ausgang der Bandpaßfilter 10 _i werden in einem Rechner 12 ausgewertet und hinsichtlich eines vorgegebenen Schwellwertes diskriminiert. Von den Signalanteilen u _{a, k}, die einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten, wird die Schwingungsperiode T des Signalanteiles u _{a, ko} aus dem Bandpaßfilter mit der niedrigsten Mittenfrequenz f _ko ermittelt und als Maß für die Entfernung x _F-x _o des Fehlerortes x _F herangezogen.

Im Rechner 12 werden dann entsprechend dem Ergebnis der Berechnung Ausgangssignale 14 erzeugt, die entsprechenden Schalteinrichtungen zum Abschalten des defekten Leitungsbereiches zugeleitet werden.

Gemäß Fig. 2 überlappen sich die Frequenzbänder Δ f _i-1, Δ f _i und Δ f _i+1 hinsichtlich ihrer Mittenfrequenz f _i-1, f _i und f _i+1 benachbarter Bandpaßfilter 10 _i-1, 10 _i und 10 _i+1. In einem Ausführungsbeispiel sind für eine Leitungslänge von 300 km zehn parallele Bandpässe vorgesehen, deren Frequenzbänder Δ f _i gemäß nachstehender Tabelle ausgewählt wurden.

Bandpaßfilter
Frequenzband (Δ f/Hz)
10₁
140- 250
10₂	200- 350
10₃	280- 500
10₄	400- 700
10₅	560-1000
10₆	800-1400
10₇	1100-2000
10₈	1600-2800
10₉	2200-4000
10₁₀	3200-5600

In der Figur sind die Übertragungsfunktionen der Bandpaßfilter 10₂, 10₃ und 10₄ gegen die Frequenz aufgetragen.

Entsprechend Fig. 3 ist der Verlauf der Ausgangsspannung u des Spannungswandlers 4 bis zum Zeitpunkt t=t _o ungestört. Ab dem Zeitpunkt t=t _o ist der netzfrequenten Komponente eine Störung in Form von Wanderwellen überlagert, deren Amplitude mit der Zeit allmählich abklingt. Diese Störung enthält mehrere Frequenzteile, die mit Hilfe der Bandpaßfilter 10 _i separiert werden können.

Gemäß Fig. 4 bis 8 sind die Signalanteile u _{a, 3}, u _{a, 4}, u _{a, 5}, u _{a, 6} und u _{a, 7} der Bandpaßfilter 10₃, 10₄, 10₅, 10₆ und 10₇ gegen die Zeit aufgetragen. Bedingt durch die hohe Taktrate und das hohe amplitudenmäßige Auflösungsvermögen des Analog-Digital- Wandlers 8 ergibt sich bei der Darstellung in den Figuren ein scheinbar analoger Kurvenverlauf. Den Figuren ist zu entnehmen, daß die Schwingungsamplituden der Signalanteile u _{a, i} der einzelnen Bandpaßfilter 10 _i mit deren wachsender Mittenfrequenz f _i ansteigen und einen Sättigungswert erreichen.

Dieser Sättigungswert läßt sich anhand Fig. 9 erkennen, in der die Amplituden der Signalanteile u _{a, i} gegen die Kennziffer i des zugehörigen Bandpaßfilters 10 _i aufgetragen ist, wobei die Kennziffer i mit wachsender Mittenfrequenz f _i zunimmt. Die mit dem Sättigungswert verknüpfte Amplitude A _h liefert zugleich ein Kriterium für die Festlegung eines Schwellenwertes A _s. Im Ausführungsbeispiel hat sich bei einer Leitungslänge von etwa 300 km für die gegebenen Leitungsverhältnisse ein Schwellwert A _s als geeignet erwiesen, der sich in etwa durch die Beziehung A _s ≈ A _h/3 ausdrücken läßt. Da die Signalanteile u _{a, i} der Bandpaßfilter 10 _i mit den höchsten Mittenfrequenzen f _i die kleinsten Schwingungsperioden haben, läßt sich von diesen ausgehend der Schwellenwert A _s für jeden Kurzschluß individuell ermitteln. Dieser Schwellenwert A _s wird dann als Kriterium für die Auswertung der Signalanteile u _{a, i} der niederfrequenten Bandpaßfilter 10 _i herangezogen. Die Bildung eines Schwellenwertes A _s aus den Amplituden der hochfrequenten Signalanteile u _{a, i} ist deshalb erforderlich, weil sowohl an den Stoßstellen als auch am Kurzschlußort x _F keine idealen Reflexionsbedingungen vorliegen und somit dem Wanderwellensignal auch Schwingungsanteile mit höheren Wellenlängen überlagert sind. Diese für die Analyse störenden langwelligen Schwingungsanteile dürfen zur Bestimmung des Fehlerortes nicht herangezogen werden und müssen durch das Setzen eines Schwellenwertes A _s eliminiert werden.

Der Fig. 9 kann man entnehmen, daß gerade noch der Signalanteil u _{a, 4} aus dem Bandpaßfilter 10₄ mit der Mittenfrequenz f _i ungefähr 550 Hz den Schwellenwert A _s ≈ A _h/3 überschreitet. Die Schwingungsperiode T des Signalanteils u _{a, 4} wird vorzugsweise aus der Zeitdifferenz zwischen dem zweiten und dritten Nulldurchgang dieses Signalanteiles u _{a, 4} ermittelt. Gemäß dem Beispiel ergibt sich dann eine Fehlerentfernung von etwa 195 km.

Claims

1) Verfahren zur Bestimmung der Entfernung eines Fehlerortes (x _F) auf einer elektrischen Leitung (2) von einem Meßort (x _o), bei dem an diesem Meßort (x _o) mit einem Spannungswandler (4) eine der Spannung auf der Leitung (2) proportionalen Spannung gemessen und analysiert wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) aus der Spannung (u) werden mittels parallelgeschalteter Bandpaßfilter (10 _i) mit jeweils unterschiedlichen Frequenzbändern (Δ f _i) mehrere Signalanteile (u _{a, i}) herausgefiltert,
b) von den Signalanteilen (u _{a, k}), deren Amplituden einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten, wird die Schwingungsperiode (T) des Signalanteiles (U _{a, ko}) aus dem Bandpaßfilter mit der niedrigsten Mittenfrequenz (f _ko) ermittelt und als Maß für die Entfernung des Fehlerorts (x _F) herangezogen.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsperiode (T) aus der Zeitdifferenz zwischen dem zweiten und dritten Nulldurchgang des Signalanteils (u _{a, ko}) ermittelt wird.

3) Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) ein Spannungswandler (4) ist mit dem Eingang eines Tiefpaßfilters (6) verbunden,
b) der Ausgang des Tiefpaßfilters (6) ist mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers (8) verbunden,
c) dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (8) sind mehrere parallelgeschaltete digitale Bandpaßfilter (10 _i) mit unterschiedlichen Frequenzbändern (Δ f _i) zugeordnet,
d) die Ausgänge der digitalen Bandpaßfilter (10 _i) sind zur Auswertung der Signalanteile (u _{a, i}) mit einem Rechner (12) verbunden.

4) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Frequenzbänder (Δ f _i, Δ f _i-1) jeweils hinsichtlich ihres Frequenzbandes benachbarter digitaler Bandpaßfilter (10 _i, 10 _i-1) überlappen.