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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung
des Fehlerstromes auf Übertragungsleitungen gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung bezieht sich auch
auf ein Fehlerstromfilter zur Durchführung des Verfahrens.
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Um in der Lage zu sein, in effektiver Weise die Schutzre
lais-Algorythmen zu nutzen, die mit der heutigen Technik
verfügbar sind, beispielsweise zur Bestimmung der Entfernung
von einer Meßstation zu einem Fehler auf einer
Übertragungsleitung oder in Distanzschutzeinrichtungen und so weiter,
ist eine relativ schnelle Bestimmung des als Folge des
Fehlers auftretenden Fehlerstroms erforderlich.
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Die meisten Fehlerlokalisierungseinrichtungen basieren auf
der Messung der Reaktanz zwischen dem Ort eines
Kurzschlusses und dem Ende der Übertragungsleitung, an dem die
Fehlerlokalisierungseinrichtung angeordnet ist. Die Genauigkeit
der Entfernungsbestimmung wird jedoch durch den
Fehlerwiderstand beeinflußt. Der Grund hierfür besteht darin, daß der
durch den Fehlerwiderstand fließende Strom in der Phase
etwas verschoben ist gegenüber der Phasenlage des Stromes, der
am Ende der Übertragungsleitung gemessen wird, was unter
anderem bedingt ist durch den auf der Übertragungsleitung vor
dem Auftreten des Fehlers fließenden Strom. Dies bedeutet,
daß der Fehlerwiderstand als eine scheinbare Impedanz mit
einer Wirkwiderstandskomponente und einer
Blindwiderstandskomponente (reaktive Komponente) erfaßt wird. Es ist diese
reaktive Komponente, welche die Ungenauigkeit oder den
Fehler bei der Entfernungsbestimmung verursacht, da sie die
gemessene Reaktanz beeinflußt.
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Es wurde eine Anzahl verschiedener Wege zur Kompensation
oder Verminderung des Einflusses der Phasendifferenz während
der Fehlerentfernungsbestimmung beschrieben.
Charakteristisch für die meisten Methoden ist, daß sie versuchen, auf
irgendeinem Wege den Fehlerstrom so genau wie möglich zu
bestimmen. Ein Verfahren wird beschrieben in einem Aufsatz in
LEE Proc. Vol. 130, Pt. C, Nr. 6, November 1983, Seite 311
- 314, "Accurate fault impedance locating algorithm" von A.
Wiszniewski. Zusammengefaßt, wird bei diesem Verfahren der
Fehlerstrom durch Summierung der Phasenströme bestimmt, was
bedeutet, daß angenommen wird, daß der Fehlerstrom gleich
dem unausgeglichenen Strom im Erdielter ist. Eine Korrektur
des Fehlers in der Entfernungsbestimmung gemäß diesem
Aufsatz basiert ferner auf einer Schätzung der Phasendifferenz
zwischen dem Gesamtstrom auf der Übertragungsleitung nach
Eintritt eines Fehlers und dem Strom durch den
Fehlerwiderstand. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der
unausgeglichene Strom nicht immer ein gutes Maß für den an
der Fehlerstelle fließenden Strom ist, bedingt durch die
Tatsache, daß die Fehlerstromverteilung für den Strom des
Nullspannungssystems, das heißt, der Verteilungsfaktor DA0,
weniger zuverlässig ist als der Verteilungsfaktor DA für den
Strom des mitläufigen Systems. Außerdem kann ein großer Teil
des Stromes des Nullspannungssystems häufig in
Transformatoren abgeleitet werden, die an das zu schützende Objekt
angeschlossen sind.
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Ein anderes Verfahren wird beschrieben in einem Aufsatz mit
dem Titel "An accurate fault locator with compansation for
apparent reactance in the fault resistance resulting from
remote-end infeed", veröffentlicht in IEEE Transaction on
PAS, Band PAS-104, Nr. 2, Feb. 1985, Seite 424 - 436. Außer
der Berücksichtigung der Impedanz Z&sub1; der
Übertragungsleitung, berücksichtigt diese Fehlerlokalisier-Einrichtung auch
die Quellenimpedanzen der Übertragungsleitung, um in der
Lage zu sein, das Netz und den Einfluß der Einspeisung von
Strom aus beiden Richtungen in die Fehlerstelle mit Hilfe
des Verteilungsfaktors DA zu beschreiben. Gemäß diesem
Verfahren werden durch wiederholte diskrete Einzelmessungen
(Sampling) erfaßte Phasenströme, die in einer Meßstation A
an einem Ende der Leitung gemessen wurden, gespeichert, um
in der Lage zu sein, die Änderung der Ströme in der
Meßstation zu bestimmen, die beim Auftreten eines Fehlers
eintreten, das heißt, die Stromänderung IFA ist gleich der
augenblicklichenlast und dem Fehlerstrom IA minus dem Laststrom
vor dem Eintritt des Fehlers. Die Spannung UA in der
Meßstation A kann dabei ausgedrückt werden als die Summe des
Spannungsfalles IA p Z&sub1; auf demjenigen Abschnitt der Leitung,
der zwischen der Meßstation und der Fehlerstelle liegt, plus
der Fehlerspannung IF RF, wobei IF der Strom ist, der durch
den Fehlerwiderstand fließt, das heißt
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UA = IA p Z&sub1; + IF RF (1)
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wobei p die relative Entfernung zum Fehler ist.
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Da der durch den Fehlerwiderstand fließende Strom IF einen
Strombeitrag auch von der Speisestation am anderen Ende der
Übertragungsleitung erhält, weicht IF von IFA ab. Die
Beziehung zwischen diesen Strömen ergibt sich aus dem oben ge
nannten Verteilungsfaktor wie folgt
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IFA = DA IF (2)
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Ohne ins Detail zu gehen, kann ferner gezeigt werden, daß
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IFA 3/2 (ΔIA - I0A), (3)
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wobei ΔIA die Summe der Anderungen der bei A gemessenen
symmetrischen Stromkomponenten ist und I0A die Komponente
des Nullsystems ist, die im Falle eines Fehlers auftritt. Da
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ΔIA - IOA = ΔI1A + ΔI2A, (4)
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bedeutet dies außerdem, daß die bei A gemessene
Stromänderung, die bei einem Fehler auftritt, ausgedrückt werden kann
mit Hilfe der Summe der Änderungen der Ströme des
mitläufigen und gegenläufigen Systems im Meßpunkt A. Mit Kenntnis
der Werte dieser Ströme kann IFA bestimmt werden, und da
auch DA für das betrachtete Netz bekannt ist, kann IF
bestimmt werden gemäß
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IF = IFA/DA = 3/2(ΔI1A +ΔI2A)/DA (5)
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Dies wird normalerweise derart ausgedrückt, daß als
Fehlerstrom der nullsystemfreie Teil der Stromänderung verwendet
wird, die im Falle eines Fehlers eintritt. Das
Lösungsverfahren bedeutet, daß Gleichung (1) nun geschrieben werden
kann als
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UA = IA p Z&sub1; + (IFA/DA) RF, (1a)
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was zu einer quadratischen Gleichung für die Lösung von p
führt.
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Dergrund für die Verwendung des nullsystemfreien Teils der
Stromänderung als Maß für den Fehlerstrom besteht darin, daß
die Nulisystemimpedanzen des Netzes einen kleineren Winkel
haben und weniger verläßlich sind als die Impedanzen des
mitläufigen Systems. Der entsprechende Verteilungsfaktor
wird daher weniger zuverlässig und folglich wird auch der
Phasenwinkel zwischen dem tatsächlichen und dem gemessenen
Fehlerstrom weniger zuverlässig.
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Das beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Fehlerstromes
ist jedoch kein Verfahren, welches verwendet werden kann,
wenn hohe Anforderungen an schnelle Schutzfunktionen
gestellt werden. Der Grund hierfür besteht unter anderem
darin, daß Ströme sowohl vor und nach Eintritt des Fehlers
fourier-gefiltert sind, um die Grundwellen der Ströme zu
erhalten, und daß das Verfahren zur Berechnung der Lösung p
relativ umfangreich ist.
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Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung eines Maßes für den
Fehlerstrom wird beschrieben in einem Aufsatz mit dem Titel
"Microprocessor-implemented digital filters for the
calculation of symmetrical components" von A. J. Degens,
veröffentlicht in IEEE Proc., Band 129, Pt. C, Nr. 3, Seite 111
- 118, Mai 1982. Dieses Verfahren zur Bestimmung des
Fehlerstromes erfordert jedoch, daß die Sampling-Frequenz ein
Vielfaches der Netzfrequenz ist und daß eine Anzahl älterer
Samplingwerte gespeichert wird. Das bedeutet, daß eine
beträchtliche Zeit vergeht, bevor das Filter zur Gewinnung des
Fehlerstromes sich den neuen Bedingungen nach Eintritt eines
Fehlers in dem Starkstromnetz angepaßt hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Bestimmung des Fehlerstromes auf Übertragungsleitungen zu
entwickeln, welches eine sehr schnelle Bestimmung des
Fehlerstromes ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die
Aufgabezugrunde, eine Anordnung in Gestalt eines
Fehlerstromfilters zu entwickeln, welches mit einer kurzen
Aufbauzeitspanne den Fehlerstrom zu ermitteln vermag, der beim
Auftreten eines Fehlers in Form eines Kurzschlusses zwischen Erde
und einer oder mehrerer Phasen auftritt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches
erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten
Merkmale hat.
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Eine weitere Ausgestaltung der Verfahrens ist gekennzeichnet
durch die Merkmale des Anspruchs 2.
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Ein Fehlerstromfilter zur Durchführung des Verfahrens ist
durch die Merkmale des Anspruches 3 gekennzeichnet.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung zur schnellen Bestimmung
des Fehlerstromes, der in einem Starkstromnetz beim
Auftreten eines Fehlers fließt, basiert auf dem nullsystemfreien
Teil der Stromänderung, die im Zusammenhang mit dem Fehler
eintritt. Das Verfahren zur Schätzung des Fehlerstromes IF
basiert auf der Summe IFA1,2 der Änderungen der Komponenten
des mitläufigen und gegenläufigen Systems in der Meßstation,
findet aber in einer Weise statt, die sich erheblich von dem
oben bei der Behandlung des Standes der Technik
beschriebenen Verfahren unterscheidet. Gemäß der Erfindung wird
angenommen, daß IF gleich ist einer linearen Kombination der
Summe gemessener Einzelwerte (Samples) des Stromes für jede
Phase in zwei benachbarten Zeitpunkten, t&sub1; und t&sub2;, und wobei
jeder dieser Samplingwerte mit einem Koeffizienten
multipliziert wird, der in solcher Weise gewählt wird, daß der
Fehlerstrom in Phase mit den Änderungen des mitläufigen und
gegenläufigen Systems gelangt. Die Fehlerstromgleichung für IF
hat daher folgende Form:
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IF = kR1 IR1+kR2 IR2+kS1 IS1+kS IS2+kT1 IT1+kT2 IT2,
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wobei IR1, IS1 und IT1 gleichzeitige Samplingmeßwerte der
Ströme in den Phasen R, S und T im Zeitpunkt t&sub1; sind und
IR2, IS2 und IT2 entsprechende gleichzeitige Samplingwerte
im Zeitpunkt t&sub2; sind. Ein Beispiel dieser Annahme wird
verständlich aus dem Folgenden.
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Gemäß der obigen Gleichung (5) kann der Fehlerstrom
beschrieben werden als
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IF = IFA/DA = 3/2 (ΔI1A + ΔI2A)/DA (5)
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Gemäß bekannter Technik können die Ströme des mitläufigen
und gegenläufigen Systems auch mit Hilfe der Phasenströme
ausgedrückt werden, und bei Einführung dieser bekannten
Ausdrücke ergibt sich für den Fehlerstrom:
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IF = 3/2 (2/3/DAIR + (1/DA/(a-a²) - 1/3/DA)IS + (-1/DA/(a--
a²) - 1/3/DA) IT)
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wobei a = 1 exp (j2π/3), das heißt, der Einheitsvektor mit
dem Argument 120º.
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Dieser Ausdruck zeigt allgemein, daß der Fehlerstrom durch
Addition der Phasenströme gewonnen werden kann, nachdem
diese zunächst phasenverschoben worden sind.
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Es gibt verschiedene alternative Wege zur Bestimmung der
Koeffizienten kR1, kR2, kS1... usw. Um nur einen Weg zu
zeigen, wird beschrieben, wie die Koeffizienten kR1 und kR2,
das heißt die Koeffizienten, mit denen die Samplingwerte IR1
und IR2 zu den Zeitpunkten t&sub1; und t&sub2; multipliziert werden
sollen,bestimmt werden können. Als Ausgangspunkt dient die
folgende trigonometrische Beziehung:
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. IR1 = sinωt&sub1; = sinω(t&sub2; - dt)
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wobei dt der Zeitdifferenz zwischen den Samplingwerten
entspricht und ωdt die Winkeldifferenz ist.
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IR2 = sinωt&sub2;
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Das obige Kriterium, das heißt, daß der Koeffizient so
gewählt werden sollte, daß die Phasenlage des Ausgangssignals
des Filters der Phasenlage des Fehlerstroms entspricht, kann
übergeführt werden in die Bestimmung eines Samplingwertes
IR3 zur Zeit t&sub2; eines sinusförmigen Stromes mit der gleichen
Amplitude wie, in diesem Beispiel, der Strom der Phase R mit
einem phasenverschobenen Winkel βR gegenüber der Phase R,
das heißt
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IR3 = sin (ωt&sub2; - βR)
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Der Winkel βR kann bestimmt werden auf der Grundlage des
betroffenen Netzes und des Verteilungsfaktors DA im Falle
eines Fehlers am Ende der Leitung.
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Mit Hilfe der trigonometrischen Berechnungen kann IR3 als
Funktion von dt und βR bestimmt werden zu
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IR3 = (sinβR/sinωdt)IR1+(cosβR - (cosωdt sinβR)sinωdt)IR2
= kR1IR1 + kR2IR2
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In entsprechender Weise können die Koeffizienten der
Stromsamplingwerte für die Phasen S und T bestimmt werden.
Aus einer ganz allgemeinen Sicht sind die Koeffizienten auf
diese Weise abhängig von dem Verteilungsfaktor DA und dem
Winkel ωdt zwischen zwei aufeinander folgenden
Samplingwerten, das heißt, daß
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kx1,2 = f(DA,ωdt)
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wobei x für R, S und T steht.
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Die Zeichnung zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Fehlerstromfilters gemäß der Erfindung:
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Zu der Erfindung gehört eine Anordnung in Gestalt eines
Fehlerstromfilters zur Bestimmung des Fehlerstromes, der bei
einem Kurzschluß zwischen Übertragungsleitungen und Erde
auftritt. Die Erfindung ergibt sich aus der beigefügten
Figur. Eine Übertragungsleitung L wird über die Stationen A
und B versorgt. Bei F tritt ein Erdfehler auf, der zu einem
Erdfehlerstrom IF führt, der von beiden Stationen gespeist
wird. Die Impedanz der Leitung und die Quellenimpedanzen
sind bekannt, wodurch auch der Verteilungsfaktor DA bekannt
ist. In der Station A werden die drei Phasenströme IR, IS
und IT in herkömmlicher Weise gemessen. Jeder dieser
Meßwerte wird einem zugehörigen Tiefpassfilter (1,2,3)
zugeführt und danach einem Samplingglied (4,5,6) für die
entsprechende Phase. Über Zeitverzögerungsglieder (7,8,9) mit
der Zeitverzögerung "dt", die der Zeitdifferenz zwischen
zwei aufeinander folgenden Samplingmessungen entspricht,
wird ein kontinuierlicher und aufeinander folgender Zugang
zu zwei Samplingwerten geschaffen, die mit der Zeitdifferenz
"dt" für jede Phase gemessen wurden. Wie sich ebenfalls aus
der vorangegangenen Beschreibung ergibt, werden die
Samplingwerte für die R-Phase mit IR1 und IR2, für die S-
Phase mit IS1 und 1S2 und für die T-Phase mit IT1 und IT2
bezeichnet.
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Mit Kenntnis des Verteilungsfaktors DA für das betreffende
Netz und der Zeitdifferenz "dt" zwischen benachbarten
Samplingmessungen können die Koeffizienten kR1, kR2, kS1,
kS2, kT1, kT2, beispielsweise wie oben beschrieben, nach der
Fehlerstromgleichung
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IF = kR1 IR1+kR2 IR2+kS1 IS1+kS2 IS2+kT1 IT1+kT2 IT2
bestimmt werden. Durch Multiplikation der Samplingwerte in
den Koeffizienteneinheiten 10,11,12,13,14,15 mit dem
entsprechenden Koeffizienten und Lieferung der Produkte an
einen Summierer 16 zwecks ihrer Summierung entsprechend der
Fehlerstromgleichung erhält man ein Maß für den gerade
untersuchten Fehlerstrom IF.
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Hinsichtlich der Verwirklichung kann der Fehlerstromfilter
in unterschiedlichen, mehr oder weniger integrierten Formen
aufgebaut werden. Er kann aus einzelnen Funktionseinheiten
bestehen, wie sich ohne weiteres aus der beigefügten Figur
ergibt, oder es können einige oder alle der Einheiten einen
integrierten Schaltkrels bilden oder die Funktion des
Filters kann in einem Computer realisiert werden.