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Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine
Elektrodenleitung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Eine Anlage zur Leistungsübertragung mittels- eines-
hochgespannten Gleichstroms enthält zwei Stromrichterstationen,
die durch eine Gleichstromleitung miteinander verbunden
sind. Bei einer sogenannten einpoligen
Gleichstromübertragung sind die beiden Stationen mittels einer einzigen
Gleichstromleitung miteinander verbunden, wobei der
Rückstrom durch die Erde geleitet wird. Ein Gleichstrompol in
jeder Station wird dann mittels eines guten Erdanschlusses
geerdet. Normalerweise ist dieser Erdanschluß in einer
Entfernung von der Stromrichterstation angeordnet und mittels
einer Leitung an die Station angeschlossen, welche als
"Elektrodenleitung" bezeichnet wird. Es kann oft
wünschenswert oder notwendig sein, den Erdanschluß in einer großen
Entfernung von bis zu mehreren hundert Kilometern von der
Station entfernt anzuordnen.
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Bei einer sogenannten zweipoligen Gleichstromübertragung
sind die Stationen durch zwei Gleichstromgleitungen
miteinander verbunden, so daß im normalen Betrieb der Gleichstrom
nicht durch die Erde zurückgeführt zu werden braucht. Aus
verschiedenen Gründen, unter anderem, um einen einpoligen
Betrieb der Anlage im Falle eines Stromrichterausfalls zu
ermöglichen, sind auch Stromrichterstationen in zweipoligen
Gleichstromübertragungen mit einem Erdanschluß versehen, der
mittels einer Elektrodenleitung an die Station angeschlossen
ist.
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Eine Elektrodenleitung ist gegenüber Erde isoliert und
besteht normalerweise aus einer Leitung, die am Isolatoren
aufgehängt ist. Obwohl die Spannung zwischen der
Elektrodenleitung und Erde normalerweise klein ist im Verhältnis zu
anderen Spannungen in der Anlage, begründet ein Erdfehler
auf der Elektrodenleitung die Gefahr von Personenschäden
oder Schäden an anderen Anlagekomponenten, zum Beispiel
Korrosionsschäden. Es ist daher erforderlich, daß Erdfehler,
einschließlich hochohmiger Erdfehler, schnell und
zuverlässig entdeckt werden können.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Feststellung von
Erdfehlern auf einer Elektrodenleitung eine
Differentialschutzanordnung zu verwenden. In einer solchen Schutzanordnung wird
der Strom an beiden Enden der Elektrodenleitung gemessen,
und eine Differenz zwischen den beiden gemessenen Strömen
bedeutet, daß ein Erdfehler vorhanden ist. Eine solche
Schutzanordnung hat jedoch verschiedene Nachteile. Sie
erfordert eine Nachrichtenverbindung zwischen den beiden Enden
der Elektrodenleitung und ist daher, besonders in Verbindung
mit langen Elektrodenleitungen, teuer und nicht voll
verläßlich. Ferner wurde festgestellt, daß es schwierig oder
unmöglich ist, eine solche Schutzanordnung so auszuführen, daß
sie in der Lage ist, hochohmige Erdfehler zu erkennen. Eine
solche Schutzanordnung reagiert auch nicht auf einen
Erdfehler, der in solchen Fällen auftritt, in denen die
Elektrodenleitung keinen Strom führt, was normalerweise im
ungestörten Betrieb einer zweipoligen Übertragung der Fall ist.
Auch in diesem Falle, das heißt, wenn kein direkter Strom
durch die Elektrodenleitung fließt, können Oberwellenströme
zur Entstehung gefährlicher Spannungen auf der Leitung
führen.
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Es wurde ferner vorgeschlagen, Erdfehler auf einer
Elektrodenleitung dadurch festzustellen, daß in der
Stromrichterstation ein Wechselstromsignal oder ein
Wechselspannungssignal
bestimmter Frequenz in die Leitung eingespeist wird. In
diesem Falle werden Unterdrückungsfilter an beiden Enden der
Leitung angeordnet, wobei diese Filter auf die Frequenz des
eingeleiteten Signals abgestimmt sind. Ein Impedanzmeßglied
dient zur Messung der Impedanz der Elektrodenleitung
gegenüber der Erde am Einspeisungspunkt bei Einspeisungsfrequenz.
Eine Änderung der so gemessenen Impedanz ist ein Anzeichen
für einen Erdfehler. Dieses Verfahren arbeitet gut im Falle
kurzer Elektrodenleitungen, zeigt jedoch Nachteile bei
langen Elektrodenleitungen. Da es notwendig ist, stehende
Wellen auf der Elektrodenleitung zu vermeiden, muß die
Meßfrequenz so gewählt werden, daß die Länge der Leitung kleiner
als ein Viertel der Wellenlänge ist. Aus diesem Grunde muß
im Falle langer Elektrodenleitungen eine so niedrige
Frequenz gewählt werden, daß die Gefahr besteht, daß die
Messung durch die Netzfrequenz oder durch die niedrigsten
Oberwellen der Netzfrequenz gestört wird. Ferner werden bei
diesen niedrigen Frequenzen die an beiden Enden der
Elektrodenleitung angeordneten Unterdrückungsfilter, die für den
maximalen Strom auf der Elektrodenleitung bemessen sein müssen,
sehr groß und teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Schutzvorrichtung für eine Elektrodenleitung der eingangs genannten
Art zu entwickeln, bei der auch im Falle langer
Elektrodenleitungen eine hohe Meßfrequenz verwendet werden kann und
folglich die Abmessungen und Kosten der Unterdrückungsfilter
sowie die Gefahr einer Störung durch die Netzfrequenz oder
ihrer Oberwellen wesentlich vermindert wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Schutzvorrichtung für
eine Elektrodenleitung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1 vorgeschlagen, welche erfindungsgemäß die im
kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
weiteren Ansprüchen genannt.
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Bei einer Schutzvorrichtung für eine Elektrodenleitung gemäß
der Erfindung ist zur Vermeidung von stehenden Wellen auf
der Elektrodenleitung das Unterdrückungsfilter am, bezogen
auf den Einspeisungspunkt, fernen Ende der Elektrodenleitung
mit Widerstandsgliedern versehen, die einen solchen
Widerstandswert haben, daß das Filter der Wellenimpedanz der
Elektrodenleitung angepaßt ist. Auf diese Weise wird
vermieden, daß das Meßsignal am fernen Ende der Elektrodenleitung
reflektiert wird, wodurch die Ausbildung von stehenden
Wellen auf der Leitung vermieden wird. Die Meßfrequenz kann
daher auch im Falle langer Elektrodenleitungen hoch gewählt
werden, wodurch die oben genannten Vorteile erreicht werden.
Bei Verwendung der Erfindung hat es sich gezeigt, daß im
Falle einer langen Elektrodenleitung die Meßfrequenz 20-40
mal größer gewählt werden kann, als dies bisher möglich war.
Diese beträchtliche Erhöhung der Meßfrequenz bedeutet eine
entsprechende Reduzierung der Abmessungen der reaktiven
Komponenten der Unterdrückungsfilter und folglich der
Filterkosten. Ferner, wie bereits erwähnt, ist die Gefahr einer
Störung der Messung durch die Netzfrequenz oder ihrer
Oberwellen erheblich reduziert, was im Falle langer
Elektrodenleitungen eine bedeutend größere Zuverlässigkeit und eine
selektivere Erdfehlerbestimmung ergibt, als dies bisher
erreichbar war.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
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Fig. 1 eine Stromrichterstation, die mit einer
Schutzvorrichtung für eine Elektrodenleitung gemäß der
Erfindung ausgerüstet ist,
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Fig. 2 das Prinzip der Impedanzmessung, von dem die
Schutzvorrichtung gemäß Fig. 1 Gebrauch macht,
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Fig. 3a und 3b alternative Ausführungsformen des
Unterdrückungsfilters, welches an dem entfernten Ende der
Elektrodenleitung angeordnet ist,
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Fig. 4 eine alternative Ausführungsform des
Detektorgliedes, welches in der Schutzvorrichtung für eine
Elektrodenleitung enthalten ist.
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Fig. 1 zeigt eine Stromrichterstation 1 in einer
zweipoligen Gleichstromleistungsübertragungsanlage. Die Station
enthält zwei in Reihe geschaltete Stromrichter 2 und 3. Die
Stromrichter sind an die beiden Gleichstromleitungen 5 und 6
der Übertragung angeschlossen. Der Verbindungspunkt zwischen
den Stromrichtern ist über eine Elektrodenleitung 7 an eine
Erdelektrode 8 angeschlossen. Unterdrückungsfilter 9 und 10
sind an den Enden der Elektrodenleitungen angeordnet. Das
Unterdrückungsfilter 9 besteht aus einem
Parallelschwingkreis, der von einem Induktor 12 und einer Kapazitätsbank 11
gebildet wird. In gleicher Weise besteht das
Unterdrückungsfilter 10 aus einem Parallelschwingkreis, der von einer
Kapazitätsbank 13 und einem Induktor 15 gebildet ist. Die
Filter 9 und 10 sind exakt oder annähernd auf die Meßfrequenz
abgestimmt, das heißt auf die Frequenz des
Spannungsgenerators 19. Ferner gehört zu dem Filter 10 ein Widerstand 14,
der zu dem kapazitiven Zweig und dem induktiven Zweig des
Filters parallel liegt und zur Anpassung der Impedanz des
Filters dient. Der Widerstandswert des Widerstands 14 ist so
gewählt, daß er der Wellenimpedanz der Elektrodenleitung 7
entspricht. Die Wellenimpedanz liegt typischerweise in
Größenordnung von 300-400 Ohm, und der Widerstandswert des
Widerstandes 14 wird daher zweckmäßigerweise so gewählt, daß
sein Wert der Wellenimpedanz der Leitung gleich ist. Durch
diese Anpassung des Filters 10 an die Wellenimpedanz der
Leitung vermeidet man eine Reflektion des Meßsignals durch
das Filter, wodurch, wie oben erwähnt, stehende Wellen auf
der Elektrodenleitung vermieden werden und auch hohe
Meßfrequenzen im Falle langer Elektrodenleitungen verwendet werden
können.
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Die Anpassung des Unterdrückungsfilters 10 an die
Wellenimpedanz der Leitung braucht nicht exakt zu sein. Die oben
erwähnten Vorteile werden auch erreicht, wenn auch in
geringerem Maße, wenn die Impedanz des Filters bei der Meßfrequenz
von der Wellenimpedanz der Leitung abweicht. Es hat sich
jedoch gezeigt, daß die Impedanz des Filters bei der
Meßfrequenz vorzugsweise nicht stärker als um den Faktor 2 von der
Wellenimpedanz der Leitung abweichen sollte, das heißt, daß
der Widerstandswert des Widerstandes 14 vorzugsweise
zwischen dem halben und dem doppelten Wert der Wellenimpedanz
liegen sollte.
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Die Meßfrequenz wird so gewählt, daß sie nicht mit einer der
in der Stromrichterstation erzeugten Oberwellen
zusammenfällt. Ein typischer Wert der Meßfrequenz kann im Bereich
von 800-1000 Hz liegen; jedoch sind sowohl höhere als auch
niedrigere Frequenzen möglich.
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In der Stromrichterstation 1 ist ein Spannungsgenerator 19
angeordnet, der eine Wechselspannung mit der gewählten
Meßfrequenz erzeugt. Der Generator 19 kann aus einem Oszillator
bestehen, der einen Leistungsverstärker steuert. Die
Ausgangsspannung des Generators wird der Elektrodenleitung im
Einspeisepunkt P über ein Reihenschwingskreisfilter 16
zugeführt, welches aus einem Induktor 18 und einer
Kapazitätsbank 17 besteht. Das Reihenfilter 16 ist auf die Meßfrequenz
abgestimmt. Die Generatorspannung u wird gemessen und einem
Impedanzmeßglied 21 zugeführt. Mittels eines Meßgliedes 20
wird auch der vom Generator zur Leitung fließende Strom
gemessen, und ein Meßsignal i, welches
dem Augenblickswert
des Stromes entspricht, wird auch dem Impedanzmeßglied 21
zugeführt.
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Das Impedanzmeßglied kann aus einem an sich bekannten
Impedanzrelais bestehen oder aus einem beliebigen anderen
digitalen oder analogen Berechnungsglied mit der entsprechenden
Funktion. Das Meßglied bildet eine komplexe Impedanz Z durch
vektorielle Division des Spannungsvektors U, welcher der
Generatorspannung entspricht, durch den Stromvektor I, welcher
dem Strom entspricht, der vom Generator zur Leitung fließt,
das heißt,
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Z = U/I = R + jX,
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wobei R der Realteil der komplexen Impedanz und X ihr
Imaginärteil ist. Die auf diese Weise gemessene komplexe
Impedanz der Elektrodenleitung wird mit einem-vorhandenen Wert
verglichen, welcher der Impedanz der Elektrodenleitung im
fehlerfreien Zustand entspricht. Dieser Vergleich kann
beispielsweise gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Prinzip erfolgen.
Eine bestimmte Impedanz wird durch einen Punkt in der in
Figur 2 gezeigten komplexen Ebene definiert. Die Impedanz der
Leitung im fehlerfreien Zustand wird durch den Punkt Z1
gekennzeichnet. Die Funktionscharakteristik des Meßgliedes
besteht aus einem Kreis mit dem Radius RO und dem Mittelpunkt
in Z1. Das Meßglied zeigt einen Erdfehler an, wenn die
gemessene Impedanz Z aus dem Kreis A herausfällt. Eine Anzeige
eines Erdfehlers wird also dann erhalten, wenn die folgende
Bedingung erfüllt ist:
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Z-Z1 > RO
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Fig. 2 zeigt zwei Beispiele gemessener Impedanzen. Bei dem
gemessenen Impedanzwert Z2 erhält man keine Anzeige eines
Erdfehlers, während bei dem gemessenen Impedanzwert Z3 ein
Erdfehler angezeigt wird. Im Betrieb liefert das
Impedanzmeßglied 21 ein Anzeigesignal f an die Steuerausrüstung 4
der Stromrichterstation. Das Anzeigesignal kann zur
Auslösung eines Alarms verwendet werden, zur Herbeiführung einer
augenblicklichen oder verzögerten selbsttätigen Abschaltung
der Station oder für eine Kombination dieser Maßnahmen.
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Die Fig. 3a und 3b zeigen zwei alternative Beispiele für
die Anordnung des Widerstandes, der für die Anpassung des
Unterdrückungsfilters 10 an die Wellenimpedanz der
Elektrodenleitung verwendet wird. In Fig. 3a ist der Widerstand
14a in Reihe geschaltet mit der Kapazitätsbank 13 des
Filters, eine Lage, die sich als vorteilhaft in der Praxis
erwiesen hat. Wie in Fig. 3b gezeigt ist, kann der Widerstand
14b alternativ in Reihe mit dem Induktor 15 des Filters
geschaltet werden. Um eine Anpassung des Filters an die
Wellenimpedanz der Leitung zu erreichen, sollte der
Widerstandswert R des Widerstands 14a beziehungsweise 14b in den
in den Fig. 3a und 3b gezeigten Ausführungsformen in
bekannter Weise nach der Formel
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R = zO/Q²
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bestimmt werden, wobei ZO die Wellenimpedanz der Leitung und
Q der Gütefaktor des Filters ist.
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Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der
Impedanzmeßgliedes. Der Generator 19 ist an den Anschlußpunkt P der
Elektrodenleitung 7 über das Reihenschwingkreisfilter 16 und
einen Widerstand 22 angeschlossen. Ferner ist zwischen der
Ausgangsklemme des Generators und Erde eine Reihenschaltung
angeordnet, die aus einem Widerstand 23 und einer variablen
Kapazität 24 besteht. Ein Spannungsdetektor 25 ist mit
seinem einen Anschluß an den Verbindungspunkt zwischen dem
Reihenschwingkreisfilter 16 und dem Widerstand 22 angeschlossen
und mit seinem anderen Anschluß an den Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand 23 und der Kapazität 24. Die
Widerstände 22 und 23, die Elektrodenleitungsimpedanz und der
Kapazitätswert der Kapazität 24 bilden zusammen eine
Meßbrücke. Im fehlerfreien Zustand der Elektrodenleitung wird
die Brücke mit Hilfe der Kapazität 24 abgeglichen, so daß
die von dem Detektor 25 gemessene Spannung Null oder nahe
Null ist. Im Falle eines Erdfehlers der Elektrodenleitung
ändert sich deren Impedanz, was zur Entstehung einer
Spannung am Spannungsdetektor 25 führt, die von diesem gemessen
wird. Wenn die gemessene Spannung einen vorgegebenen Wert
überschreitet, liefert der Spannungsdetektor 25 ein
-Anzeigesignal f an die Steuerausrüstung der Stromrichterstation.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform wird das Meßsignal
am Stromrichterende der Elektrodenleitung eingeführt. Es ist
jedoch auch möglich, das Meßsignal an einem anderen Punkt in
die Elektrodenleitung einzuführen, zum Beispiel an dem
Erdanschlußende der Leitung. Im letzteren Falle ist das Filter
9 das Filter am fernen Ende der Leitung, gesehen vom
Einspeisungspunkt aus, und es ist dann dieses Filter, welches
an die Impedanz der Elektrodenleitung angepaßt werden muß.