DE3938154A1 - Verfahren zum erkennen des saettigungszustandes von stromwandlern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen des Sättigungszustandes von Stromwandlern, vorzugsweise bei ein­ und mehrpoligen Kurzschlüssen.

Beim Differentialschutz ein- oder mehrphasiger Betriebsmittel, wie z. B. Transformatoren, Motoren, Leitungen oder Sammel­ schienen, werden deren Ein- und Ausgangsströme praktisch verzugslos überwacht. Ist die momentane vorzeichenrichtige Summe aller zu- und abfließenden Ströme ungleich Null, so liegt ein Defekt am Betriebsmittel zwischen den Meßorten vor, durch den ein Differenzstrom abfließt. Der Differentialschutz ist bei fehlerfreier Strommessung ideal selektiv und schnell.

Differenzströme werden jedoch vorgetäuscht, wenn die zur Strom­ messung üblicherweise verwendeten induktiven Wandler in unter­ schiedlicher Weise in den nichtlinearen Kennlinienbereich der magnetischen Sättigung übergehen. Das ist bei sehr großen Kurz­ schlußströmen und bei Wandlern mit unterschiedlicher Sätti­ gungscharakteristik nicht zu vermeiden. Somit könnte das elek­ trische Betriebsmittel ohne Erfordernis selbsttätig abgeschal­ tet werden. Handelt es sich hierbei um eine Sammelschienen­ anlage, an der eine Vielzahl von Leitungen und Transformatoren angeschlossen ist, kann dies eine schwerwiegende Störung aus­ lösen mit weiteren Folgefehlern im Netz, die in ungünstigsten Fällen bis zum Zusammenbruch der Elektrizitätsversorgung in einem weiten Bereich führen können. Zur Vermeidung solcher schwerwiegender Störungen sind verschiedene Abhilfemöglichkeiten bekannt geworden.

So kann z. B. die magnetische Sättigung der Stromwandler unter­ drückt werden; man verwendet hierfür Wandler mit Luftspalt, deren Kennlinie weniger stark gekrümmt ist (linearisierte Kerne). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die magnetische Induktion der Wandlerkerne so gering zu wählen, daß der ge­ sättigte Bereich weitgehend vermieden wird. Diese und ähnliche Möglichkeiten sind aufwendig und führen nur näherungsweise zum Ziel.

Ferner ist es bekannt, den Magnetisierungsvorgang im Stromwand­ ler an einer Stromwandlernachbildung zu simulieren, um damit die magnetische Sättigung des Stromwandlers zu erkennen. Eine solche Simulations-Einrichtung muß die maßgebenden Größen des magnetischen Kreises nachbilden. Wegen der Hysterese und der Remanenz der Wandlerkerne treten kurz nach Kurzschlußeintritt Abweichungen zwischen dem Verlauf des primären Wandlerstromes und dem Verlauf des sekundären Wandlerstromes auf, die sich auch mit großem Aufwand nur schwer ausgleichen lassen.

Schließlich sind Verfahren bekannt, die den Oberschwingungs­ gehalt der gemessenen Ströme analysieren und dadurch fest­ stellen, wann der lineare Kennlinienbereich verlassen wird. Für eine solche spektrale Analyse (Fourier-Transformation) muß man jedoch die Ströme während einer oder mehrerer Perioden aus­ werten, wodurch Zeit und damit ein besonderer Vorzug des Differentialschutzes verloren geht.

Meist behilft man sich deshalb mit einem zeitdiskriminierenden Verfahren. Wird bei einem solchen Verfahren zunächst nur ein stromstarker Kurzschluß gemeldet und geht erst nach einigen Millisekunden das Differenzstromsignal ein, ist dies ein Zeichen für eine Wandlersättigung. Der Auslösebefehl der Schutz­ einrichtung wird dann für einige Zeit gesperrt, um eine Fehl­ schaltung mit ihren Folgen zu vermeiden. Wenn während dieser Sperrzeit aber tatsächlich ein Fehler am zu schützenden Betriebs­ mittel (Kurzschluß auf der Sammelschiene) eintreten sollte, was in der Praxis gar nicht so selten der Fall ist, dann kann der Fehler entweder nur nach Ablauf der Sperrzeit oder während der Sperrzeit über ein zusätzliches Auswerteverfahren mittels einer hierfür vorgesehenen Logik-Schaltung erkannt werden. In beiden Fällen wird die Ausschaltung verzögert. Damit wächst auch der Schadensumfang an.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, durch das eine eintretende Wandlersättigung sehr schnell und zuverlässig erkannt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrie­ ben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch Bildung des Raumzeigers der sekundären Wandlerströme bei gesperrter Grund­ schwingungs-Gegenkomponente eine mögliche Abweichung von der charakteristischen Stromform und damit der Sättigungseintritt sehr rasch erkannt. Eine derartige Abweichung wird in weniger als einer Viertelperiode festgestellt und ist somit wesentlich schneller als eine Sättigungserkennung mittels spektraler Analyse, die wenigstens eine Periode zur Auswertung der Wandlerströme benötigt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit besonders zur Verhinderung von Fehlauslösungen durch Überfunktionen bei einem Differentialschutz, vor allem bei Sammelschienen, geeignet.

Wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Differential­ schutz angewandt, dann handelt es sich bei dem Signal für den Sättigungszustand, das aus dem Raumzeiger der sekundären Wandlerströme bei gesperrter Grundschwingungs-Gegenkomponente abgeleitet wird, um ein Sperrsignal, das eine Auslösung des Differentialschutzes praktisch verzugslos sperrt.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch nicht auf Stromwandler in einem Differentialschutz beschränkt. Viel­ mehr ist dieses Verfahren bei beliebig eingesetzten Stromwand­ lern anwendbar. Das Signal für den Sättigungszustand braucht dann nicht notwendigerweise ein Sperrsignal zu sein.

Der Sättigungszustand eines Stromwandlers kann sowohl gemäß dem Verfahren nach Anspruch 4 als auch nach Anspruch 5 überwacht werden. Bei einem Leitungsdifferentialschutz mit gleichgesättig­ ten Stromwandlern an den beiden Leitungsenden kann eine Über­ wachung des Sättigungszustandes gemäß dem Verfahren nach Anspruch 4 ausreichend sein. Bei einem Sammelschienen-Differen­ tialschutz ist es jedoch zweckmäßig, den drehenden Raumzeiger mittels Frequenztransformation in den ruhenden Raumzeiger zu transformieren, um die Schutzkriterien leichter erfüllen zu können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf eines Kurzschlußstromes i_k(t) in einem Außenleiter einer Drehstromanlage,

Fig. 2 den Verlauf des sekundären Wandlerstromes i_S(t),

Fig. 3, 4 die Ortskurven des drehenden Raumzeigers (t) bei gesperrter Grundschwingungs-Gegenkomponente,

Fig. 5, 6 die Ortskurven des ruhenden Raumzeigers (t) · e^{-j · x} zu dem drehenden Raumzeiger gemäß Fig. 3, 4,

Fig. 7 ein Prinzip-Schaltbild einer Sättigungserkennung für den Differentialschutz in einem dreiphasigen Drehstromnetz,

Fig. 8 ein Prinzip-Schaltbild eines Sammelschienen- Differentialschutzes.

Kurzschlußströme i_k(t) nach Fig. 1 bestehen im wesentlichen aus einem aperiodisch abklingenden Stromanteil und einem konstanten Wechselstromanteil. Abweichungen von diesem Verlauf sind ein Merkmal für Wandlersättigung. Diese Abweichungen können erfin­ dungsgemäß in weniger als einer Viertelperiode erkannt werden. Hierzu wird in jedem Augenblick der drehende Raumzeiger der sekundären Wandlerströme i_S gebildet, wobei die Grund­ schwingungs-Gegenkomponente gesperrt wird. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der drehende Raumzeiger anschlie­ ßend durch Frequenztransformation in den ruhenden Raumzeiger überführt werden. Der ruhende Raumzeiger mit gesperrter Grund­ schwingungs-Gegenkomponente ergibt sich damit zu · e^{-j · x} wobei x = Ω_a×k das Produkt aus der normierten Frequenz Ω_a und der Laufzeitvariablen k darstellt.

Für die normierte Frequenz Ω_a gilt die Beziehung Ω_a = 2π×f_N/f_a wobei mit f_N die Netzfrequenz und mit f_a die Abtastfrequenz bezeichnet ist.

Um das Abtasttheorem zu erfüllen muß f_a<2×f_N sein.

Der drehende und der ruhende Raumzeiger werden durch Auswertung der Bahnelemente ihrer Ortskurven gemäß den Ansprüchen 4 oder 5 praktisch verzugslos überwacht. Die Fig. 2-6 zeigen ein entspre­ chendes Beispiel. In Fig. 2 ist der Verlauf eines sekundären Wandlerstromes i_S bezogen auf die Primärseite des Stromwandlers ohne (gestrichelter Linienzug) und mit magnetischer Sättigung des Stromwandlers (durchgezogener Linienzug) dargestellt. In den Fig. 3-6 sind jeweils die Ortskurven der Raumzeiger im karthesischen Koordinatensystem dargestellt, wobei die Abszisse von der reellen Achse Re und die Ordinate von der imaginären Achse Im gebildet wird. Die Zahlen an den Ortskurven geben die Zeit in msec an. In den Fig. 3 und 4 ist jeweils die Ortskurve des drehenden Raumzeigers bei gesperrter Grundschwingungs- Gegenkomponente aufgetragen, und zwar in Fig. 3 bei ungesättigtem und in Fig. 4 bei gesättigtem Wandlerkern. Man erkennt deutlich den Unterschied zwischen beiden Kurvenverläufen. Der Unter­ schied fällt noch stärker auf, wenn man nicht den Verlauf des drehenden, sondern des ruhenden Raumzeigers · e^{-j · x} bei gesperrter Grundschwingungs-Gegenkomponente nach den entspre­ chenden Fig. 5 (ohne Sättigung) und Fig. 6 (mit Sättigung) betrachtet. Bei bestehender Remanenz im Wandlerkern vor Ein­ treten des Kurzschlusses treten die Verzerrungen noch stärker hervor. In den Fig. 4 und 6, die den gemessenen Verlauf der Ortskurve des drehenden (Fig. 4) bzw. des ruhenden (Fig. 6) Raumzeigers zeigen, ist mit t_e der Zeitpunkt bezeichnet, zu dem die Sättigung erkannt und im speziellen Fall des Differential­ schutzes ein Sperrsignal gegeben wird. In beiden Fällen tritt das Sperrsignal in weniger als 5 msec (das ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in weniger als einer Viertel­ periode) nach Sättigungseintritt auf. Der Zeitpunkt des Sättigungseintritts ist in den Fig. 2, 4, 6 mit t_s gekennzeichnet.

Besonders vorteilhaft ist es, daß das Verfahren unabhängig von der Zahl der kurzschlußführenden Außenleiter ist. Bei Drehstrom werden die Ströme der Stromwandler aller drei Außenleiter L1, L2, L3 nämlich gemeinsam zum Raumzeiger transformiert. Dabei wird das Einschwingverhalten gegenüber der einphasigen Sättigungs­ erkennung sogar noch verbessert. Sensoren (z. B. im Luftspalt des Wandlerkerns angeordnete Hall-Sensoren) oder die Kenntnis der Daten der magnetischen Kreise (Hysterese-Schleife) für Simulationsverfahren werden nicht benötigt.

Unter Ausnutzung des Erfindungsgedankens kann der drehende oder der ruhende Raumzeiger in vorteilhafter Weise zur Bildung des Differenzkriteriums herangezogen werden, das - falls kein Sperrsignal vorliegt - die Auslösung des Differentialschutzes bewirkt. Damit braucht der Sperrbefehl des Sättigungskriteriums allein dem Auslösebefehl des Differenzkriteriums angepaßt zu werden. Eine zeitliche Diskrimination ist entbehrlich. Auch Folgefehler werden damit ohne Verzug erkannt. Unter Folgefehler versteht man Fehler am Schutzobjekt infolge eines Fehlers außerhalb des Schutzobjekts.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein drei­ phasiges Drehstromsystem zeigt Fig. 7. Mit i₁, i₂, i₃ sind die Außenleiterströme bezeichnet. In einem analog ausgeführten Modalwandler 1 werden die Außenleiterströme i₁, i₂, i₃ zunächst verzugslos in die analogen Bildgrößen i_α, i_β transformiert und in einem Tiefpaß 2 bandbegrenzt. Die homopolare Komponente wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht benötigt. Die vorgefilterten Größen i′_α, i′_β werden anschließend im Analog/ Digitalwandler 3 abgetastet. Anstelle eines analogen Modal­ wandlers könnte auch ein digitaler Modalwandler eingesetzt werden, wobei dann der Tiefpaß 2 und der Analog/Digitalwandler 3 vor den digital ausgeführten Modalwandler zu schalten sind, um zunächst die drei Außenleiterströme i₁, i₂, i₃ in digitale Stromgrößen umzuwandeln. Ein Signalwandler 4 erzeugt aus den abgetasteten digitalen Zeitgrößen i′_α (k), i′_β (k) mittels Algorithmen durch komplexe Erweiterung die analytischen Signale für die Grundfrequenz und formt daraus den reellen und imaginären Anteil des drehenden Raumzeigers . Derartige Algorithmen zur Erzeugung analytischer Signale sind z. B. in "Archiv für Elektrotechnik 70 (1987)", Seiten 307 bis 315, Springer-Verlag und in Schneider E.: "Drehfeldorientierte digitale Zündsteuerverfahren für den Wechselrichterbetrieb einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung", Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg, 1989, beschrieben. Die Algo­ rithmen sind vorteilhaft nichtrekursiv (kürzerer Einschwing­ vorgang) und laufen, wie Fig. 3 erkennen läßt, beim Ausbleiben der Sättigung monoton in den stationären Zustand ein. Der drehende Raumzeiger wird einerseits nach Siebung durch einen Bandpaß 5 an einen Rechner zur Differenzstromberechnung des zu schützenden Betriebsmittels weitergeleitet. Andererseits wird der drehende Raumzeiger durch einen Frequenzwandler 7 in den entsprechenden ruhenden Raumzeiger · e^{-j · x} umgewandelt und anschließend einer Einrichtung 8 zur Sättigungserkennung zugeführt. Die Sättigungserkennung erfolgt hierbei, wie vor­ stehend beschrieben, durch Überwachung der Bahnelemente der Raumzeiger-Ortskurven. Bei gesättigten Stromwandlern wird von der Einrichtung 8 zur Sättigungserkennung ein Signal SE an den Rechner gegeben. Man erhält damit zu den Größen Re und Im , die zur Bildung des bereits bekannten Differenz­ kriteriums notwendig sind, ein Sperrkriterium, das nur beim Eintritt der Sättigung wirksam wird und die Auslösung des Differentialschutzes praktisch verzugslos sperrt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen des Sättigungszustandes von Stromwandlern wird damit auch bei einem außenliegenden Kurzschluß eine Überfunktion des Differentialschutzes zuverlässig vermieden.

Ein Beispiel für die besonders kritische Sättigungserkennung beim Sammelschienenschutz beschreibt Fig. 8. Mit 10 ist eine Sammelschiene bezeichnet, die zwei Abzweige A, B aufweist. In jedem Abzweig A, B ist den Stromwandlern 9A, 9B der drei Außen­ leiter L1, L2, L3 ein gemeinsamer Abzweigrechner 11A bzw. 11B zugeordnet, der jeweils aus einem Signalwandler 4A bzw. 4B und einer Einrichtung 8A bzw. 8B zur Sättigungserkennung besteht und über einen Taktgenerator 13 getaktet wird. Gegebenen­ falls ist zwischen dem Signalwandler 4A bzw. 4B und der Ein­ richtung 8A bzw. 8B jeweils noch ein in Fig. 8 nicht dargestell­ ter Frequenzwandler geschaltet. Im Signalwandler 4A bzw. 4B eines jeden Abzweiges A, B wird wie bereits bei Fig. 7 beschrie­ ben, die drehenden Raumzeiger , gebildet und an einen Rechner 12 zur Differenzstromberechnung des zu schützenden Betriebsmittels weitergeleitet. Der zeitliche Verlauf des aus allen Abzweigströmen gebildeten Stromes wird im Rechner 12 in bekannter Weise stabilisiert. Eine derartige Stabilisierung ist z. B. in Hütte Taschenbücher der Technik, 29. Auflage, Elektri­ sche Energietechnik, Band 3, Netze, Springer-Verlag, 1988, Seite 732, beschrieben. Das Auslösesignal AB wird nur gegeben, wenn kein Sperrsignal SE_A, SE_B aus den Einrichtungen 8A, 8B zur Sättigungserkennung vorliegt.

Um die Verzerrungen der Ortskurve des drehenden oder des ruhenden Raumzeigers als Folge der Sättigung zu erkennen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Als besonders wirksam hat es sich erwiesen, die Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bahnelementen der Raumzeiger-Ortskurven sowie ihre Beträge zu überwachen. Man kann sie als Bahnvektoren ansehen und den Winkel durch ihr Vektorprodukt ermitteln. Will man nur die Winkeländerungen über 90° erfassen, ist aufgrund des Vor­ zeichenwechsels hierzu das Skalarprodukt geeignet.

Claims (5)

1. Verfahren zum Erkennen des Sättigungszustandes von Strom­ wandlern (9A, 9B), vorzugsweise bei ein- und mehrpoligen Kurz­ schlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal für den Sättigungszustand aus dem Raumzeiger (, · e^{-j · e}) der sekundären Wandlerströme (i_S) bei gesperrter Grundschwingungs-Gegenkomponente abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mehrphasigen Wandlerströme (i_S) zunächst in αβ-Komponenten transformiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sperrung der Grundschwin­ gungs-Gegenkomponente durch Bildung der analytischen Signale für die Grundfrequenz zu den Meßgrößen (i₁, i₂, i₃; i_α, i_β) erfolgt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sättigungszustand der Stromwandler (9A, 9B) durch die Über­ wachung der Bahnelemente der Ortskurve des drehenden Raum­ zeigers () erfaßt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sättigungszustand der Stromwandler (9A, 9B) durch die Überwachung der Bahnelemente der Ortskurve des ruhenden Raum­ zeigers ( · e^{-j · x}) erfaßt wird.