DE4140556C2

DE4140556C2 - Earth fault protection device for a three-phase network

Info

Publication number: DE4140556C2
Application number: DE19914140556
Authority: DE
Inventors: Armin Dipl Ing Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-12-09
Filing date: 1991-12-09
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2011-12-10
Also published as: DE4140556A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Erdschlußschutzgerät für ein Dreh stromnetz sowie ein Verfahren zur Erdschlußerfassung.The invention relates to an earth fault protection device for a rotation power grid and a method for earth fault detection.

Aus der Siemens-Druckschrift "Der Erdschluß im Netzbetrieb", Bestell-Nr. A19100-E141-B166, 1985, ist bekannt, für die Er fassung eines Erdschlusses in einem isolierten, kompensierten oder hochohmig geerdeten Drehstromnetz die bei einem Erd schluß auftretende Verlagerungsspannung in einem Schutzrelais zu erfassen und bei Überschreiten eines vorgegebenen Span nungswertes ein Warn- oder Abschaltsignal abzugeben.From the Siemens publication "The earth fault in network operation", Order no. A19100-E141-B166, 1985, is known to Er detection of an earth fault in an isolated, compensated or high-impedance earthed three-phase network which is connected to an earth finally occurring displacement voltage in a protective relay to be recorded and when a given span is exceeded a warning or switch-off signal.

Die FR 313 248 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung erdschlußbehafteter Phasenleiter bei einem 3-pha sigen Drehstromnetz durch aufeinanderfolgende Vergleiche der Spannungen zwischen jeweils einer Phase und dem Neutralleiter mit der Spannung zwischen einer (beliebigen) Phase und dem Schwerpunkt des Spannungsdreiecks. Es erfolgt hierbei ein Vergleich der Spannungsamplituden, und als fehlerbehaftet wird jene Phase erkannt, deren Spannungsamplitude (aufgrund des Erdschlusses) kleiner ist als die Vergleichsspannung.FR 313 248 shows a method and an apparatus for Determination of a phase conductor with a ground fault in a 3-phase three-phase network by successive comparisons of the Voltages between one phase and the neutral conductor with the voltage between an (arbitrary) phase and the Center of gravity of the voltage triangle. It takes place here Comparison of the voltage amplitudes, and as faulty the phase is recognized whose voltage amplitude (due to of the earth fault) is smaller than the reference voltage.

In der BBC-Druckschrift Generatorschutz Nr. C1009/S (1057.3.E), Seiten 11 und 12, ist ein spezielles Erdschluß relais beschrieben, das aus drei Einzelrelais besteht. Die Einzelrelais werden mit unterschiedlichen Bezugsspannungen beaufschlagt, so daß eine selektive Signalisierung der feh lerhaften Phase möglich ist. Der schaltungstechnische Aufwand für diese Selektivität ist relativ groß. Darüber hinaus müs sen immer vier Spannungen dem Gerät zugeführt werden.In the BBC publication Generatorschutz Nr. C1009 / S (1057.3.E), pages 11 and 12, is a special earth fault described relay, which consists of three individual relays. The Individual relays are available with different reference voltages acted on, so that a selective signaling of the feh learning phase is possible. The circuitry effort is relatively large for this selectivity. In addition, must Four voltages must always be supplied to the device.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzuge ben, bei der diese Nachteile beseitigt sind. The invention has for its object to provide a solution ben in which these disadvantages are eliminated.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Erdschlußschutz gerät gemäß Anspruch 1 gelöst.The object is achieved with an earth fault protection device solved according to claim 1.

Der Erfinder hat erkannt, daß das vorliegende Problem meß technisch einfacher zu lösen ist. Zwar ist eine Winkelmessung an sich in der Schutztechnik bereits bekannt, jedoch wurde diese auf den vorliegenden einfachen Fall noch nicht angewen det. Auf diese Weise brauchen dem Schutzgerät nur noch zwei Spannungen zugeführt werden. Die Fehlermeldung erfolgt dann phasenbezogen. The inventor recognized that the present problem was measuring is technically easier to solve. Although an angle measurement already known per se in protective technology, but was do not yet apply them to the simple case at hand det. In this way, the protective device only needs two Voltages are supplied. The error message then appears phase-related.

Bevorzugt kann als Bezugsspannung eine verkettete Spannung zwischen den Phasen des Drehstromnetzes verwendet werden. Die Spannungen können auf einfache Weise außerhalb des Gerätes er faßt und direkt über entsprechende Gerätanschlüsse der Einrich tung zur Winkelmessung zugeführt werden. Alternativ kann aber auch ein Spannungsumformer vorgesehen sein, dem über externe Zuführanschlüsse die Phasenspannungen des Drehstromnetzes zu geführt werden. In dem Spannungsumformer werden dann die Verla gerungsspannung und die Bezugsspannung gebildet. Eine derartige Lösung hat den Vorteil, daß kein Spannungswandlersatz mit offener Dreieckswicklung erforderlich ist. Sie ist auch dann günstig, wenn am Einbauort des Schutzgerätes nur die Phasen spannungen vorliegen. Zusätzliche Meßleitungen können damit eingespart werden.A chained voltage can preferably be used as the reference voltage be used between the phases of the three-phase network. The Voltages can easily occur outside the device and directly via the appropriate device connections of the facility device for angle measurement. Alternatively, however a voltage converter can also be provided, via external Supply connections to the phase voltages of the three-phase network be performed. In the voltage converter, the rel voltage and the reference voltage. Such Solution has the advantage that no voltage converter set with open delta winding is required. It is also then Favorable if only the phases at the installation location of the protective device tensions are present. Additional test leads can be used be saved.

Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren ge mäß Anspruch 6. Dieses Verfahren ist besonders einfach gegen über dem bisherigen Stand der Technik und eignet sich insbe sondere für die Anwendung bei digitalen Schutzgeräten, bei denen die Meßspannungen als digitale Informationen vorliegen. Das Verfahren kann dabei besonders einfach mit Hilfe eines Programms realisiert werden. Weitere vorteilhafte Ausgestal tungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen an gegeben.Another solution to the problem is a method according to claim 6. This method is particularly simple against about the current state of the art and is particularly suitable especially for use with digital protective devices which the measuring voltages are available as digital information. The method can be particularly simple using a Program can be realized. Another advantageous embodiment Cations of the invention are in the remaining claims given.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung bespielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention and further advantages are described below the drawing exemplified. Show it:

Fig. 1 ein Spannungsdiagramm eines Drehstromnetzes, Fig. 1 is a diagram of a three-phase network voltage,

Fig. 2 ein Spannungsdiagramm eines Drehstromnetzes bei Erd schluß, Fig. 2 is a circuit diagram of a voltage three-phase system with earth,

Fig. 3 ein Diagramm mit den Winkelbereichen der Verlagerungs spannungen, Fig. 3 is a diagram showing voltages of the angular ranges of the displacement,

Fig. 4 ein Anschlußbild eines Erdschlußschutzgerätes, Fig. 4 is a connection diagram of a Erdschlußschutzgerätes,

Fig. 5 ein zweites Anschlußbild eines Erdschlußschutzgerätes und Fig. 5 shows a second connection diagram of an earth fault protection device and

Fig. 6 ein drittes Anschlußbild für ein Erdschlußschutzgerät. Fig. 6 shows a third connection diagram for an earth fault protection device.

Fig. 1 zeigt die drei Phasenspannungen UL1, UL2 und UL3 eines Drehstromnetzes im erdschlußfreien Betrieb. Der Sternpunkt 1 weist dabei Erdpotential auf. Der Sternpunkt 1 kann dabei bei spielsweise der wirkliche Sternpunkt eines elektrischen Gerätes oder ein fiktiver Sternpunkt eines Netzes sein. Im erdschluß freien Betrieb ist also die Verlagerungsspannung U0 = 0. Zwi schen den Phasen des Drehstromnetzes treten dabei die jewei ligen verketteten Spannungen, beispielsweise UL1-UL2, auf. Fig. 1 shows the three phase voltages UL1, UL2 and UL3 of a three-phase network in earth-fault-free operation. The star point 1 has earth potential. The star point 1 can, for example, be the real star point of an electrical device or a fictitious star point of a network. In earth-free operation, the zero sequence voltage U0 = 0. Between the phases of the three-phase network, the respective interlinked voltages, for example UL1-UL2, occur.

Fig. 2 zeigt die Spannungen des Drehstromnetzes bei einem Erd schluß. Es wird dazu beispielhaft ein Erdschluß zwischen UL1 und Erde angenommen. Im erdschlußbehafteten Betrieb ist die Verlagerungsspannung U0 gleich dem negativen Wert der jeweili gen kurzgeschlossenen Phasenspannung bei fehlerfreiem Betrieb, also U0 = -UL1 für den vorliegenden Fall. Die verketteten Spannungen bleiben bei einem Erdschluß in ihrer Größe und Phasenlage unverändert. Wird nun ausgehend von einer Bezugs spannung, z. B. UL1-UL2, eine Winkelmessung zur auftreten den Verlagerungsspannung U0 durchgeführt, so kann die be troffene Phase bestimmt werden. Näheren Aufschluß dazu gibt Fig. 3. Fig. 2 shows the voltages of the three-phase network at an earth circuit. An earth fault between UL1 and earth is assumed as an example. In operation with earth faults, the zero sequence voltage U0 is equal to the negative value of the respective short-circuited phase voltage in the case of error-free operation, that is to say U0 = -UL1 for the present case. In the event of an earth fault, the linked voltages remain unchanged in their size and phase position. Is now based on a reference voltage, for. B. UL1-UL2, an angle measurement to occur the zero sequence voltage U0, so the affected phase can be determined. Supply details are to FIG. 3.

In Fig. 3 wurde willkürlich als Bezugsspannung UL2-UL3 ge wählt. Ausgehend von der Lage dieser verketteten Spannung sind die jeweils möglichen Verlagerungsspannungen entsprechend ein gezeichnet. Dabei können für eine Signalisierung drei Fehler bereiche A, B und C, definiert werden, die zusätzlich Fehl winkel in der Meßwertübertragung und in der Winkelmessung be rücksichtigen. Ausgehend von einer Aufteilung von ± 180° des Winkelbereichs ergeben sich damit folgende Bereiche:In Fig. 3, UL2-UL3 was arbitrarily selected as the reference voltage. Based on the position of this linked voltage, the possible displacement voltages are drawn accordingly. In this case, three error areas A, B and C can be defined for signaling, which also take into account incorrect angles in the measured value transmission and in the angle measurement. Based on a division of ± 180 ° of the angular range, the following ranges result:

A: Erdschluß in L2-90° bis +30°,
B: Erdschluß in L1 + 30° bis + 150°, und
C: Erdschluß in L3 + 150° bis -90°.A: Earth fault in L2-90 ° to + 30 °,
B: Earth fault in L1 + 30 ° to + 150 °, and
C: Earth fault in L3 + 150 ° to -90 °.

Fig. 4 zeigt ein Anschlußbild eines nach dem oben beschriebe nen Verfahren arbeitenden Erdschlußschutzgerätes 3. Dabei ist zunächst ein Netz 5 mit seinen Phasen L1, L2 und L3 gezeigt, an die eine Primärwicklung 9 eines Meßwandlers 7 angeschlossen ist. Über eine erste in Stern geschaltete Sekundärwicklung 9a wird dem Erdschlußschutzgerät 3 über Geräteanschlüsse 11a eine als Bezugsspannung dienende verkettete Spannung UL2-UL3 zu geführt. Über weitere Geräteanschlüsse 11b wird dem Erdschluß schutzgerät 3 zusätzlich die Summenspannung UL1 + UL2 + UL3 einer in offenem Dreieck geschalteten zweiten Sekundärwicklung 9b zugeführt. Dabei gilt folgendes: Die bei einem Erdschluß auftretende Verlagerungsspannung ist - nach den Rechenregeln für symmetrische Komponenten - gleich der Nullkomponente der Spannung, wobei U0 gleich 1/3 (UL1 + UL2 + UL3) ist. Diese Beziehung wird in dem Erdschlußschutzgerät 3 berücksichtigt. Fig. 4 shows a connection diagram of an earth fault protection device 3 operating according to the method described above. First, a network 5 with its phases L1, L2 and L3 is shown, to which a primary winding 9 of a transducer 7 is connected. Via a first secondary winding 9 a connected in a star, the earth-fault protection device 3 is supplied with a linked voltage UL2-UL3 via device connections 11 a as the reference voltage. Via further device connections 11 b, the earth fault protection device 3 is additionally supplied with the sum voltage UL1 + UL2 + UL3 of a second secondary winding 9 b connected in an open triangle. The following applies: According to the calculation rules for symmetrical components, the zero sequence voltage occurring in the event of an earth fault is equal to the zero component of the voltage, whereby U0 is 1/3 (UL1 + UL2 + UL3). This relationship is taken into account in the earth fault protection device 3 .

Das Erdschlußschutzgerät 3 umfaßt eine als Fehlersignaler zeuger dienende Einrichtung 13 zur Durchführung der Winkel messung. Weiterhin sind von dieser Einrichtung 13 aktivierbare Anzeigeelemente 15 vorgesehen, die beispielsweise als Signal lampen ausgebildet sein können. Mittels dieser Anzeigeelemente 15 kann ein phasenbezogenes Fehlersignal erzeugt werden. Bei einem Erschluß in einer der Phasen L1, L2 oder L3 leuchtet dann zumindest eines der Anzeigelemente 15 phasenselektiv auf. Alternativ kann das Fehlersignal jedoch auch über einen oder mehreren Anschlüssen 17 zur weiteren Bearbeitung oder zur Aus lösung elektrisch weitergegeben werden. Die Anschlüsse 17 kön nen dabei als Kontaktausgang oder auch als Digitalausgang, z. B. als serielle Schnittstelle, ausgebildet sein.The earth fault protection device 3 comprises a device serving as an error signal generator 13 for carrying out the angle measurement. Furthermore, this device 13 provides activatable display elements 15 , which can be designed, for example, as signal lamps. A phase-related error signal can be generated by means of these display elements 15 . When a connection is made in one of the phases L1, L2 or L3, at least one of the display elements 15 lights up in a phase-selective manner. Alternatively, however, the error signal can also be passed on electrically via one or more connections 17 for further processing or for triggering. The connections 17 can NEN as a contact output or as a digital output, for. B. as a serial interface.

Fig. 5 zeigt ein zweites Anschlußbild, bei dem das Erdschluß schutzgerät 3 an einen Generator 19 angeschlossen ist. Die verkettete Spannung wird wiederum von einem Wandler 7a abge griffen. Die Verlagerungsspannung U0 kann bei einem Generator direkt an dessen Sternpunkt mittels eines einfachen Übertragers 21 abgegriffen und der Erdschlußschutzeinrichtung 3 zugeführt werden. Das Erdschlußschutzgerät 3 ist in diesem Beispiel ver einfacht, nur mit den Anzeigeelementen 15, dargestellt. Fig. 5 shows a second connection diagram in which the earth fault protection device 3 is connected to a generator 19 . The chained voltage is in turn picked up by a converter 7 a. The displacement voltage U0 can be tapped in a generator directly at its star point by means of a simple transformer 21 and fed to the earth-fault protection device 3 . The earth fault protection device 3 is simplified in this example, shown only with the display elements 15 .

Fig. 6 zeigt ein drittes Anschlußbild eines Erdschlußschutz gerätes 3. Bei dieser Variante werden über einen Meßwandler 7b dem Erdschlußschutzgerät 3 die drei Phasenspannungen UL1, UL2 und UL3 über die Geräteanschlüsse 11C zugeführt. Das Erdschluß schutzgerät 3 weist nämlich zusätzlich einen Spannungsumformer 23 auf, in dem die drei Phasenspannungen durch eine an sich bekannte Zerlegung (Zerlegung in symmetrische Komponenten) in die Verlagerungsspannung und in eine verkettete Spannung um geformt werden. Anschließend erfolgt - wie bereits oben be schrieben - im Erdschlußschutzgerät 3 eine Winkelmessung zum Feststellen der fehlerhaften Phase. Fig. 6 shows a third connection diagram of an earth fault protection device 3rd In this variant, be a transducer 7 b the earth leakage protection device 3, the three phase voltages UL1, supplied 11 C via the device terminals and UL2 UL3. The earth fault protection device 3 has an additional voltage converter 23 in which the three phase voltages are formed by a known decomposition (decomposition into symmetrical components) in the zero sequence voltage and in a chained voltage. Then - as already described above - there is an angle measurement in the earth fault protection device 3 to determine the faulty phase.

In bestimmten Fällen kann es günstig sein, wenn der Winkelmes sung noch ein Zeitglied, insbesondere ein Zeitrelais nach- oder zugeschaltet ist. Dies empfiehlt sich besonders, um Ein flüsse von Transientvorgängen im Drehstromnetz zu verhindern.In certain cases it can be beneficial if the angle measurement another timer, especially a timer relay or is switched on. This is especially recommended to A to prevent the flow of transients in the three-phase network.

Das Zeitrelais kann dazu derart angeordnet werden, daß eine Signalisierung über die Anzeigeelemente 15 oder über die Aus gänge 17 zeitverzögert erfolgt. Im Falle einer Kombination der oben beschriebenen Funktionen in einem Gerät mit einem Ausgang für eine Schalterauslösung kann auch die Schalteraus lösung zeitverzögert werden.For this purpose, the timing relay can be arranged such that signaling via the display elements 15 or via the outputs 17 is delayed. In the case of a combination of the functions described above in a device with an output for a switch trigger, the switch trigger can also be delayed.

Das oben beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für ein Erdschlußschutzgerät 3, das auf digitaler Basis mit einem Rechner arbeitet. Auf diese Weise ist eine sehr genaue Bestim mung der fehlerbehafteten Phase möglich. Gegebenenfalls kann das Verfahren sogar nachträglich durch Änderung des entsprech enden Rechnerprogrammes nachgerüstet werden.The method described above is particularly suitable for an earth fault protection device 3 which works on a digital basis with a computer. In this way, a very precise determination of the faulty phase is possible. If necessary, the method can even be retrofitted by changing the corresponding computer program.

Claims

1. Earth fault protection device ( 3 ) for a three-phase network ( 5 ), with a device ( 13 ) for performing an angle measurement between an occurring displacement voltage (U0) at the star point ( 1 ) of the three-phase network ( 5 ) and a reference voltage and an error signal generator, which in Depending on the measured angle, an error signal is generated for the respective phase of the three-phase network ( 5 ) which is affected by earth faults.

2. Earth fault protection device according to claim 1, wherein the reference voltage is a chained voltage between the phases of the three-phase network ( 5 ).

3. Earth fault protection device according to claim 2, wherein the displacement voltage and the chained voltage outside the Ge device detects and the device ( 13 ) for angle measurement via corresponding device connections ( 11 a, 11 b) are supplied.

4. Earth fault protection device according to claim 3, wherein the Einrich device ( 13 ) for angle detection, a voltage converter ( 23 ) for forming the displacement and the reference voltage (U0) is pre-switched, the phase voltages are supplied via device connections ( 11 c).

5. Earth fault protection device according to claim 1 or 2, with a voltage converter ( 23 ), the phase voltages of the three-phase network ( 5 ) are supplied via external supply connections ( 11 c), and in which the displacement voltage (U0) and the reference voltage are formed.

6. A method for initial detection in a three-phase network, where an angular measurement is carried out between an occurring displacement voltage (U0) at the star point ( 1 ) of the three-phase network ( 5 ) and a reference voltage and, depending on the measured angle, an error signal for the respective earthed phase of the three-phase network ( 5 ) is generated.

7. The method according to claim 6, wherein a chained voltage between the phases of the three-phase network ( 5 ) is used as the reference voltage.

8. The method according to any one of claims 6 or 7, wherein the phase voltages of the three-phase network ( 5 ) are detected and the displacement voltage (U0) and the reference voltage are formed by decomposing into components.

9. The method according to any one of claims 7 to 8, wherein in Ab Depending on the error signal, a shutdown signal is generated.