DE4413068C2 - Vorrichtung zum Erkennen eines Erdschlusses in einem Energieversorgungsnetz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen eines Erdschlusses einer an ein dielektrisches Energieversorgungsnetz angeschlossenen Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine typische bekannte Vorrichtung zum Erkennen einer Iso­ lierungsverschlechterung ist in der Offenlegungsschrift JP 62-236322 (1987) zu einer japanischen Patentanmeldung dargelegt, die nachfolgend kurz unter Bezugnahme auf Fig. 3 (eigentlich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung) beispielhaft für ein Energieversorgungssystem-Blockdiagramm beschrieben wird. Die bekannte Vorrichtung zum Erkennen einner Isolierungsverschlechterung weist mehrere Abnahmeleitungen F1 bis Fn und einen Nullspannungstransformator (im folgenden Erdpotentialtransformator) GPT auf, die alle mit einer Sammelschiene 19 verbunden sind, die über einen Spannungsversorgung-Trennschalter 10 mit einer Spannungsversorgung 18 verbunden ist, wobei jede der Leitun­ gen F1 bis Fn einen Leitungstrennschalter CB1-CBn, einen Stromtransformator CT1-CTn, einen Nullstromtransformator (im folgenden Nullphasenfolge-Strom­ transformator) ZCT1-ZCTn, ein Kabel C1-Cn und einen Motor M1-Mn aufweist, der eine Last in Form einer elektrischen Maschine darstellt. Wenn der in jedem Nullphasenfolge-Strom­ transformator in jeder Leitung F1-Fn erfaßte Nullstrom (im folgenden Nullphasen­ strom) einen vorgegebenen Wert, der in einem Erd-Richtungs­ relais voreingestellt ist (das nicht dargestellt ist) über­ schreitet, wird ein Phasenvergleich zwischen der vom Erd­ potentialtransformator GPT erfaßten Nullspannung (im folgenden Nullphasenspannung) und dem vorstehend angegebenen Nullphasenstrom ausgeführt, wobei ein Erdschluß einer entsprechenden Leitung dadurch erkannt wird, daß sie dieselbe Phase wie die Nullphasenspannung auf­ weist.

Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum Erkennen einer Isolierungsverschlechterung ist es jedoch nicht mög­ lich, einen mit hoher Frequenz schwingenden Nullphasenstrom I_g sehr kurzer Dauer zu erkennen, der im Anfangsstadium einer Isolierungsverschlechterung auftritt, die typischer­ weise durch einen intermittierenden Erdschlußfehler mit Lichtbogenbildung gekennzeichnet ist, wie in Fig. 4 darge­ stellt, mit einer Dauer von weniger als dem halben Zyklus der Nullphasenspannung V₀. Dies, da das vorstehend angegebe­ ne Erd-Richtungsrelais so beschaffen ist, daß derartige in­ termittierende Erdschlußfehler mit Lichtbogenbildung nicht berücksichtigt sind, sondern daß nur der Fall berücksichtigt ist, daß der Nullphasenstrom I_g bei einem typischen Erd­ schlußfehler kontinuierlich fließt, so daß es nur dann ar­ beitet, wenn der Spitzenwert des Nullphasenstroms I_g einen voreingestellten Wert nicht nur einmal sondern dauernd über­ schreitet, um eine Fehlfunktion vom geerdeten Richtungs­ relais zu verhindern. Im Fall eines intermittierenden Erd­ schlußfehlers mit Lichtbogenbildung, wie er vorstehend be­ schrieben wurde, der einen mit hoher Frequenz schwingenden Nullphasenstrom I_g kurzer Dauer mit weniger als dem halben Zyklus der Nullphasenspannung V₀ aufweist, fällt der Spit­ zenwert schnell ab, nachdem er den voreingestellten Wert einmal erreicht hat, was insgesamt dazu führt, daß die Er­ kennung dieses Fehlers fehlschlägt. Wie vorstehend beschrie­ ben, war es schwierig, das Auftreten irgendwelcher Erd­ schlußfehler zu erkennen, solange nicht der Nullphasenstrom I_g und die Nullphasenspannung V₀ eine bestimmte Dauer ein­ hielten.

Eine weitere Vorrichtung zur Erfassung von Erdschlüssen in elektrischen Energieversorgungsnetzen nach dem oben angegebe­ nen Prinzip ist in US 4 529 929 offenbart, von der der Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 ausgeht. Auch diese Vorrichtung ermittelt die Nullspannung des Netzes und in jeder Abnahme­ leitung den jeweiligen Nullstrom und führt die ermittelten Werte einer Auswerteeinheit zu.

Schließlich offenbart JP 4-95780 A eine Vorrichtung zur Er­ fassung von Erdschlüssen in einem elektrischen Energieversor­ gungsnetz, bei der die Nullströme in den einzelnen Abnahme­ leitungen des Netzes mittels Nullstromtransformatoren ermit­ telt werden. Zur Bestimmung der Fehlerstelle, an der der Erd­ schluß auftritt, werden die Phasenlagen der Nullströme mit der Phasenlage der Nullspannung des Netzes verglichen.

Auch diese Vorrichtungen sind mit dem bereits beschriebenen Nachteil behaftet.

Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrich­ tung zum Erkennen einer Isolierungsverschlechterung zu schaffen, die ohne Fehlschlag einen mit hoher Frequenz schwingenden Nullphasenstrom kurzer Dauer erkennen kann, wie er im Anfangsstadium des Auftretens einer Isolierungsver­ schlechterung auftritt, und die die entsprechende Leitung ermitteln kann, auf der der vorstehend genannte Nullphasen­ strom fließt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erkennen einer Isolie­ rungsverschlechterung ist durch die Lehre von Anspruch 1 ge­ gegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung realisiert durch ihren Auf­ bau das Folgende. Im Fall eines mit hoher Frequenz schwin­ genden Nullphasenstroms kurzer Dauer, die kürzer ist als ein Halbzyklus der Nullphasenspannung, wie im Fall des vorste­ hend genannten intermittierenden Erdschlußfehlers mit Licht­ bogenbildung wird eine erste Signalwellenkomponente, in der ein Gleichstrom vorherrscht, erfaßt und vom Halbwellenfilter und der Spitzenwert-Haltestufe gehalten, und dann kann die zugehörige Schaltkreisleitung mit sich verschlechternder Isolierung, in der sich die Isolierung aufgrund eines sich jeweils schnell schwächer werdenden intermittierenden Erd­ schlußfehlers mit Lichtbogenbildung verschlechtert, leicht dadurch erkannt werden, daß die Erkenntnis berücksichtigt wird, daß der Spitzenwert in einer sich verschlechternden Schaltkreisleitung schlechter als in anderen heilen Schalt­ kreisleitungen ist und daß die Polarität der sich ver­ schlechternden Schaltkreisleitung mit derjenigen der Null­ phasenspannung übereinstimmt und umgekehrt zu derjenigen der anderen heilen Schaltkreisleitungen ist.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher zu verstehen sein, in denen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, das eine Vorrichtung zum Er­ kennen einer Isolierungsverschlechterung gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 Signalverläufe zeigt, wie sie in jeweiligen Einheiten in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung verarbeitet wer­ den;

Fig. 3 ein schematisches Schaltungsblockdiagramm eines elek­ trischen Energieversorgungssystems ist, das die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung verwendet; und

Fig. 4 eine Nullphasenspannung und jeweilige Nullphasenströ­ me auf jeweiligen Schaltkreisleitungen zum Zeitpunkt des Auftretens eines intermittierenden Erdschlußfehlers mit Lichtbogenbildung zeigt.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen dargelegt.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das ein elektrisches Energie­ versorgungssystem zeigt, das eine Vorrichtung zum Erkennen von Isolierungsverschlechterung gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung verwendet.

Dieses System weist mehrere Schaltkreisleitungen F1-Fn und einen Erdpotentialtransformator GPT auf, die alle mit einer Sammelschiene 19 verbunden sind, die über einen Spannungs­ versorgung-Trennschalter 10 mit einer Spannungsversorgung 18 verbunden ist. Jede Schaltkreisleitung F1-Fn weist einen Trennschalter CB1-CBn, einen Stromtransformator CT1-CTn, einen Nullphasenfolge-Stromtransformator ZCT1-ZCTn, ein Kabel C1-Cn und einen Motor M1-Mn als belastende elek­ trische Maschine auf. Die Vorrichtung 1 zum Erkennen einer Isolierungsverschlechterung erhält als Eingangssignale eine Nullphasenspannung V₀ und eine Leitungsspannung V_ab vom Erd­ potentialtransformator GPT, wie auch Nullphasenströme I_g1-I_gn von den jeweiligen Nullphasenfolge-Stromtransformatoren ZT1-ZCTn.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine erfindungsgemäße Vor­ richtung 1 zur Erkennung einer Isolierungsverschlechterung detailliert veranschaulicht.

Bei dieser Anordnung wird eine von der Sekundärseite des Erdpotentialtransformators abgegriffene Leitungsspannung V_ab in eine Phasenschieberstufe 2 eingegeben, um in dieser Be­ zugsphasenspannungen V1, V2, V3 zu erzeugen. Dann werden diese Bezugsphasenspannungen V1, V2, V3 und die Nullphasen­ spannung V₀ von der Tertiärseite des Erdpotentialtransforma­ tors GPT in eine Phasenkomparatorstufe 3 eingegeben, um die Phase jeder der Bezugsphasenspannungen V1, V2, V3 mit der Phase der Nullphasenspannung V₀ zu vergleichen. Wenn sich beim Vergleich ergibt, daß Übereinstimmung der Phasen be­ steht, wird die entsprechende Phase als Verschlechterungs­ phase beurteilt. Andererseits wird der Nullphasenstrom I_g1-I_gn, wie er vom Nullphasenfolge-Stromtransformator ZCT1-ZCTn in jeder Schaltkreisleitung F1-Fn erfaßt wird, über ein Halbwellenfilter 4 mit jeder Halbwelle in eine Spitzen­ wert-Haltestufe 5 eingegeben. Dann werden die gehaltenen Spitzenwerte für die Halbzyklen für jede Schaltkreisleitung in einer Arithmetikstufe 6 aufsummiert, und die Polarität des Summenwerts hinsichtlich eines positiven oder negativen Vorzeichens sowie die Polarität der Nullphasenspannung V₀ hinsichtlich eines positiven oder negativen Vorzeichens werden in einer Polaritätskomparatorstufe 7 miteinander verglichen, um dann, wenn die Polaritäten übereinstimmen, durch eine Leitungskennzeichnungsstufe 9 die entsprechende Schaltkreisleitung zu ermitteln, die diejenige ist, in der eine Verschlechterung vor sich geht.

Es sei angenommen, daß eine in etwa einem Zyklus schwächer werdende Nullphasenspannung V₀ zum Zeitpunkt des Auftretens eines intermittierenden Erdschlußfehlers mit Lichtbogenbil­ dung auftritt, wie in Fig. 4 dargestellt. Dadurch ergeben sich für die vom Nullphasenfolge-Stromtransformator ZCT1-ZCTn jeder Schaltkreisleitung F1-Fn erfaßten Nullphasen­ ströme I_g1-I_gn mit hoher Frequenz schwingende Ströme kur­ zer Dauer, die jeweils kürzer ist als der Halbzyklus der Nullphasenspannung V₀, wie in Fig. 4 dargestellt. Dies, da die Gleichstromkomponente aufgrund der Entladung einer elek­ trostatischen Kapazität gegen Erde fortdauert, wodurch die erste Welle der mit hoher Frequenz schwingenden Ströme grö­ ßer wird, die Wellen in den zwei oder drei folgenden Zyklen aber schnell kleiner werden. Wie es aus Fig. 4 ersichtlich ist, weist der Nullphasenstrom I_g1 in einer sich verschlech­ ternden Schaltkreisleitung, in der ein Erdschlußfehler auf­ getreten ist, eine erste Welle auf, die dieselbe positive Polarität wie die Nullphasenspannung V₀ aufweist, während die anderen Nullphasenströme I_g2-I_gn in den anderen heilen Schaltkreisleitungen erste Wellen mit negativer Polarität, umgekehrt zur Polarität der Nullphasenspannung V₀, aufwei­ sen. Ferner ist der Spitzenwert der ersten Welle des Null­ phasenstroms I_g1 größer als die jeweiligen Spitzenwerte der ersten Wellen der anderen Nullphasenströme I_g2-I_gn.

Die Nullphasenspannung V₀ und die Nullphasenströme I_g1-I_gn werden jeweils in die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 zum Erkennen einer Isolierungsverschlechterung eingegeben.

Zunächst wird im folgenden der Nullphasenstrom I_g1 unter Be­ zugnahme auf Fig. 2 im einzelnen beschrieben. Der in Fig. 2(a) dargestellte Nullphasenstrom I_g1 wird durch das in Fig. 1 dargestellte Halbwellenfilter 4 in eine positive Komponen­ te, wie im oberen Teil von Fig. 2(b) dargestellt, und eine negative Komponente, wie im oberen Teil von Fig. 2(c) darge­ stellt, unterteilt, und die jeweiligen Spitzenwerte werden durch die in Fig. 1 dargestellten Spitzenwert-Haltestufen 5 für die positive Seite, wie im unteren Teil in Fig. 2(b) dargestellt, und für die negative Seite, wie im unteren Teil von Fig. 2(c) dargestellt, festgehalten. Danach werden diese jeweiligen positiven und negativen Spitzenwerte in die in Fig. 1 dargestellte Arithmetikstufe 6 eingegeben, wo sie aufsummiert werden, um einen Signalverlauf zu erzielen, wie er in Fig. 2(d) dargestellt ist.

Der Fall für eine heile Phase wird nun beispielhaft für die Schaltkreisleitung Fn beschrieben. Der in Fig. 2(e) darge­ stellte Nullphasenstrom I_gn wird durch das in Fig. 1 darge­ stellte Halbwellenfilter 4 in eine positive Komponente, wie im oberen Teil von Fig. 2(f) dargestellt, und eine negative Komponente, wie im oberen Teil von Fig. 2(g) dargestellt, unterteilt. Die jeweils zugehörigen Spitzenwerte werden von der in Fig. 1 dargestellten Spitzenwert-Haltestufe 5 für die positive Seite, wie im unteren Teil von Fig. 2(f) darge­ stellt, und für die negative Seite, wie im unteren Teil von Fig. 2(g) dargestellt, festgehalten. Danach werden diese Spitzenwerte mit positivem und negativem Vorzeichen jeweils in die in Fig. 1 dargestellte Arithmetikstufe 6 eingegeben, wo diese jeweiligen Spitzenwerte mit positivem und negativem Vorzeichen aufsummiert werden, um einen Signalverlauf zu er­ halten, wie er in Fig. 2(h) dargestellt ist. Jeder so erhal­ tene Signalverlauf wird in die Polaritätsvergleichsstufe 7 eingegeben, wo die positive oder negative Polarität jedes so erhaltenen Signalverlaufs mit der positiven oder negativen Polarität der Nullphasenspannung V₀ verglichen wird. Durch die Schaltkreisleitung-Kennzeichnungsstufe 9 wird ermittelt, ob es sich um eine Schaltkreisleitung, auf der ein Erd­ schlußfehler auftritt, oder um eine der heilen Leitungen handelt, wobei in diesem Fall die Schaltkreisleitung F1, die den Signalverlauf gemäß Fig. 2(d) zeigte, der über dieselbe positive Polarität verfügt wie die Nullphasenspannung V₀, als Schaltkreisleitung ermittelt wird, in der eine Ver­ schlechterung vor sich geht.

Zwar ist die Ausbildung beim vorstehenden Ausführungsbei­ spiel der Erfindung so, daß die Spitzenwerte mit positivem und negativem Vorzeichen in der Arithmetikstufe 6 für jede Schaltkreisleitung aufsummiert werden und daß aus der posi­ tiven oder negativen Polarität des so gebildeten Summenwerts ermittelt wird, ob der Spitzenwert mit positiver oder der mit negativer Polarität größer ist, jedoch kann die Ausbil­ dung auch dergestalt sein, daß in der Arithmetikstufe nicht aufsummiert wird, wie vorstehend beschrieben, sondern daß ein Vergleich mit den Absolutwerten mit positivem und nega­ tivem Vorzeichen, wie sie für jede Schaltkreisleitung in die Arithmetikstufe 6 eingegeben werden, ausgeführt wird, um zu ermitteln, ob der Spitzenwert mit positiver oder der mit ne­ gativer Polarität größer ist. Die Polarität des Spitzen­ werts, der als der größere ermittelt wurde, wird ferner in der Polaritätsvergleichsstufe 7 mit der positiven oder nega­ tiven Polarität der Nullphasenspannung verglichen. Wenn die Polaritäten übereinstimmen, wird die entsprechende Schalt­ kreisleitung von der Leitungskennzeichnungsstufe 9 als die­ jenige ermittelt, auf der eine Verschlechterung vor sich geht.

Ferner kann die Ausgestaltung auch so sein, daß eine Maxi­ malwert-Vergleichsstufe zwischen der Arithmetikstufe 6 und der Polaritätsvergleichsstufe 7 vorhanden ist, wodurch je­ weilige, von der Arithmetikstufe 6 für die jeweiligen Schaltkreisleitungen aufsummierte Werte untereinander ver­ glichen werden, um diejenige der Schaltkreisleitungen auszu­ suchen, die den Maximalwert zeigt. Dann wird die positive oder negative Polarität des so aufsummierten Werts für die ausgewählte Schaltkreisleitung, die den Maximalwert zeigte, in der Polaritätsvergleichsstufe 7 mit der positiven oder negativen Polarität der Nullphasenspannung verglichen, um durch die Leitungskennzeichnungsstufe 9 zu ermitteln, wenn die Polaritäten übereinstimmen, daß die entsprechende Schaltkreisleitung eine solche ist, auf der eine Verschlech­ terung vor sich geht. Mit der vorstehend genannten Anordnung ist es möglich, die Genauigkeit beim Erkennen einer Leitung mit sich verschlechternder Isolierung zu verbessern.

Ferner weisen, wenn irgendeine Isolierungsverschlechterung auf der Seite der Sammelschiene 19 auftritt, die jeweiligen Nullphasenströme, die sich in den jeweiligen Schaltkreis­ leitungen einstellen, alle dieselbe Flußrichtung auf, wo­ durch in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 1 zum Er­ kennen einer Isolierungsverschlechterung die positive oder negative Polarität des in der Arithmetikstufe 6 auf summier­ ten Summenwerts für alle Schaltkreisleitungen mit der posi­ tiven oder negativen Polarität der Nullphasenspannung über­ einstimmt. Daher kann durch Ermitteln der vorstehend genann­ ten jeweiligen Polarität in der Polaritätsvergleichsstufe 7 durch die Leitungskennzeichnungsstufe 9 der Fall erkannt werden, daß alle Polaritäten übereinstimmen, wenn ein Fehler auf der Seite der Sammelschiene aufgetreten ist, wodurch dieser Fehler deutlich unterschieden von einer Isolierungs­ verschlechterung auf jeder Schaltkreisleitung erkannt werden kann.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Erkennen eines Erdschlusses in einer an ein elektrisches Energieversorgungsnetz angeschlossenen Einrichtung, mit einem Nullspannungstransformator (GPT) zur Erfassung der Nullspannung, der auf seiner Spannungsversorgungsseite mit einer Sammelschiene (19) verbunden ist, an die auch mehrere Abnahmeleitungen (F1-Fn) angeschlossen sind, die jeweils einen Null-Stromtransformator (ZCT1-ZCTn) zur Erfassung des Nullstromes aufweisen, gekennzeichnet durch:

• - jeweils ein Halbwellenfilter (4) und eine Spitzenwert-Haltestufe (5) für die positive und die negative Halbwelle des Nullstromes für jede Abnahmeleitung, die auf einen Nullstrom, wie er vom jeweiligen Nullstromtransformator erzeugt wird, einen positiven und einen negativen Spitzenwert ausgeben;
• - eine Arithmetikstufe (6) für jede Abnahmeleitung, die die Absolutwerte des positiven und negativen Spitzenwerts miteinander vergleicht und ermittelt, welche Polarität der größere Spitzenwert hat;
• - eine Polaritätskomparatorstufe (7), die die Polarität des größeren Spitzenwerts mit der Polarität der Nullspannung des Nullspannungstransformators (GPT) vergleicht; und
• - eine Abnahmeleitung-Kennzeichnungsstufe (9), die eine Abnahmeleitung als eine solche mit Erdschluß ermittelt, wenn die zwei miteinander verglichenen Polaritäten übereinstimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arithmetikstufe (6) so ausgebildet ist, daß sie die positiven und negativen Spitzenwerte aufsummiert, und sie auf Grundlage des positiven oder negativen Vorzeichens des aufsummierten Werts ermittelt, was die Polarität des größe­ ren Spitzenwerts ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Maximalwert-Komparatorstufe, die die Summenwerte für die jeweiligen Abnahmeleitungen vergleicht, um die Abnahmeleitung mit dem Maximalwert auszuwählen, wobei die Abnahmeleitung-Kennzeichnungsstufe die von der Maximalwert-Komparatorstufe ausgewählte spezielle Abnahmeleitung als solche mit Erdschluß ermittelt, wenn sich herausstellt, daß die zwei genannten Polaritäten und diejenige der Nullspannung übereinstimmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• - eine Phasenschieberstufe (2) zum Erhalten einer Bezugspha­ senspannung aus einer Sekundärleitungsspannung des Nullspannungs­ transformators (GPT);
• - eine Phasenkomparatorstufe (3) zum Vergleichen der Phase einer Nullspannung des Nullspannungstransfor­ mators mit jeder Phase der Bezugsphasenspannung; und
• - eine Erkennungsstufe (8) für eine sich verschlechternde Phase, die ermittelt, daß die Phase, die dieselbe Phase wie die Nullspannung aufweist, eine Phase mit Erdschluß ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abnahmeleitung-Kennzeich­ nungsstufe (9) so ausgebildet ist, daß sie dann, wenn sich als Ergebnis des von der Polaritätskomparatorstufe (7) aus­ geführten Polaritätsvergleichs ergibt, daß die zwei Polari­ täten für alle Abnahmeleitungen dieselben sind, ermittelt, daß ein Erdschluß auf der Seite der Sammelschiene (19) aufgetreten ist.