DE69329326T2

DE69329326T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Anpassung und Fehlanpassung der Kompensation eines Stromversorgungsnetzes

Info

Publication number: DE69329326T2
Application number: DE69329326T
Authority: DE
Inventors: Jean Bergeal
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1992-10-26
Filing date: 1993-10-08
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2013-10-09
Also published as: US5559439A; EP0595677A1; NO310640B1; FR2697341B1; DK0595677T3; EP0595677B1; NO951569L; ATE196038T1; FI117456B; FI951958A0; DE69329326D1; WO1994010735A1; ES2149192T3; NO951569D0; FI951958A; FR2697341A1; PT595677E

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Stromversorgungsnetze der kompensierten Art, was heißt, daß sie eine Kompensationsspule oder Petersen-Spule aufweisen, mit der der kapazitive Strom, der auf die verteilten Leitungskapazitäten zurückgeht, kompensiert werden kann; mit der Kompensationsspule läßt sich ein Gleichgewicht, d. h. eine vollkommene Kompensation der kapazitiven Impedanzen der Leitung erzielen.
Genauer hat die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gegenstand, welche eine Messung der Verstimmung der Kompensation des Netzes gestatten; wenn sich die dem Netz eigene kapazitive Impedanz, beispielsweise durch das Anschließen oder Abtrennen wesentlicher Verbraucher, ändert, ist die Spule fehlangepaßt, d. h., sie kompensiert nicht mehr exakt die Gesamtkapazität des Netzes. In einem solchen Fall ist es vorteilhaft, den Wert der Impendanz der Kompensationsspule so zu verändern, daß das Gleichgewicht wieder hergestellt wird.
Zur Feststellung und Messung des Ungleichgewichts der Kompensation eines Netzes wurde bereits vorgeschlagen, in den Nullkreis einen elektrischen Strom einzuführen, dessen Frequenz sich von der Netzfrequenz geringfügig unterscheidet; durch das Auftreten eines Schwebungsphänomens kann man dann das Ungleichgewicht des Netzes feststellen und messen. Dieses Verfahren ist verhältnismäßig komplex und erfordert erhebliches an Gerätschaft, insbesondere einen Frequenzgenerator, der sich von demjenigen des Netzes unterscheidet. Ferner erfordert diese Art von Betrieb erhebliche Zeitdauern zur Einstellung und Messung.
Gemäß DE-C-89 63 87 ist bereits eine Vorrichtung zur automatischen Nachstellung von Resonanzkreisen insbesondere von Kreisen, die mit einstellbaren Erdungsspulen versehen sind, bekannt, bei welcher eine Hilfsspannung an den Reso nanzkreis angelegt wird, wobei die Frequenz der Hilfsspannung der Netzfrequenz entspricht und man, wenn bei gleichzeitiger Anlegung der Hilfsspannung eine Spannung am Neutralpunkt vorhanden ist, die Hilfsspannung periodisch umkehrt.
Gemäß FR-A-879716 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontrolle elektrischer Schaltungen, insbesondere von Löschspulen in Hochspannungsnetzen, bekannt.
Gemäß diesem Verfahren wird zur Messung des Kompensationsgrades oder einer Größe, die zu diesem in einfacher Beziehung steht, eine derjenigen des Netzes überlagerte Meßspannung verwendet, die die gleiche Frequenz hat wie jene und deren Amplitude man mit einer geringen Frequenz in Bezug auf diejenige des Netzes verändert, wobei die Phase der Meßspannung fest bleibt.
Es wurde, wie in dem europäischen Patent 235145 beschrieben, auch bereits vorgeschlagen, eine Vorrichtung vorzusehen, die es erlaubt, ein Reaktanzkomplement zwischen dem Nulleiter und der Erde des Netzes vorzusehen und dann die Dämpfungs-, Asymmetrie- und Ungleichgewichtsparameter des Netzes zu berechnen. Der Anschluß eines Reaktanzkomplements zwischen Nulleiter und Erde läßt sich durch Impedanzumschaltung parallel oder in Reihe mit der Kompensationsspule oder auch, in einem Fall, wo das Netz eine veränderliche Kompensationsspule aufweist, durch Einwirkung der Kompensationsspule selbst gewinnen.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Ansprechzeit der so bewirkten Messung hoch ist, sie kann von der Größenordnung mehrerer Minuten sein; die Meßgenauigkeit ist nicht sehr gut, speziell wenn die Asymmetrie gering ist, und dieses Verfahren kann nicht unter allen Einsatzbedingungen des Netzes zuverlässig arbeiten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Ungleichgewichts der Kompensation eines mit einer Kompensationsspule kompensierten elek trischen Versorgungsnetzes zu schaffen, die kurze Ansprechzeit aufweisen, kostengünstig sind und in jedem Fall unabhängig von der natürlichen Asymmetrie des Netzes arbeiten.
Hierzu ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Messung des Ungleichgewichts der Kompensation eines eine Kompensationsspule aufweisenden elektrischen Versorgungsnetzes, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Hilfsmeßsignal mit der Netzfrequenz auf den Nullkreis des Netzes gegeben wird, daß die Änderung der Nullspannung gemessen wird, die durch das Aufgeben des Hilfssignals herbeigeführt wird, und daß eine Impedanzmessung durch Vergleich, in Amplitude und Phasenverschiebung, der Änderung der Nullspannung mit dem Hilfsmeßsignal durchgeführt wird.
Es handelt sich um eine Messung mit einem aktiven System, bei welchem die Ansprechzeit deutlich geringer ist als bei den Lösungen, die die Impedanzänderungen des Nullkreises bewirken. Ferner läßt sich dieses Verfahren auf einfache Weise bewerkstelligen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das aufgegebene Hilfssignal eine Hilfsmeßspannung, die in Reihe mit der Kompensationsspule aufgegeben wird.
Mit Vorteil wird die Hilfsmeßspannung mittels eines Transformators aufgegeben, dessen Sekundärwicklung mit der Kompensationsspule in Reihe liegt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das aufgegebene Hilfssignal ein Strom, der auf den Nullkreis parallel zur Kompensationsspule aufgegeben wird.
Mit Vorteil wird der Hilfsmeßstrom auf den Nullkreis mittels eines Nulltransformators aufgegeben wird.
Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da sie nur das Einfügen von sehr wenigen Elementen erfordert, insbesondere, wenn der Nulltransformator bereits auf der Spule vorhanden ist.
Die Erfindung hat also auch eine Vorrichtung zum Gegenstand, welche eine Stromquelle, die in Reihe in den Primär kreis eines Nulltransformators geschaltet und für ein Aufgeben des Hilfsmeßsignals mit der Netzfrequenz auf den Nullkreis des Netzes bestimmt ist, Schaltmittel zum Zuschalten der Quelle bei Feststellung einer Änderung der Nullspannung und Mittel zum Messen der Änderung der Nullspannung, die durch das aufgegebene Hilfssignal bewirkt wird, und zum Durchführen einer Impedanzmessung durch Vergleich, in Amplitude und Phasenverschiebung, der Änderung der Nullspannung mit dem Hilfsmeßsignal aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, auf welchen
- Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines kompensierten Netzes ist;
- Fig. 2 das Prinzip der Aufgabe eines Meßsignals veranschaulicht,
- Fig. 3 ein Schema einer Vorrichtung zur Aufgabe einer Spannung in Reihe ist,
- Fig. 4 ein Schema einer Vorrichtung zur Aufgabe eines Stroms parallel ist und
- Fig. 5 ein Schema einer Ausführungsform der Erfindung ist.
Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild eines kompensierten Stromversorgungsnetzes. Kompensierte Netze sind mit einer Nulleiterimpedanz 1 bzw. einer reaktiven Kompensationsspule ausgestattet, die zwischen dem Nulleiter der Spannungsquelle und Erde verschaltet ist. Im Falle eines monophasigen Fehlers erlaubt der diese Kompensationsspule durchlaufende Blindstrom eine Kompensation des Blindstroms des Netzes so, daß der Erdschlußstrom begrenzt wird.
In Fig. 1 sind die verteilten Kapazitäten des Netzes durch Kondensatoren C1 und C2 und c3 dargestellt.
Wenn sich das Netz im Normaleinsatz befindet, d. h. keinen Fehler aufweist, wird die Spannung zwischen dem Nul leiter und Erde durch drei Grundparameter bestimmt, die Fehlanpassung m, die Asymmetrie k und die Dämpfung d. Die normierte Spannung Nulleiter - Erde vNG schreibt sich dann:
wobei Vnom die Nenn-Strangspannung des Netzes, d. h. die Spannung zwischen einer Phase und dem Nulleiter, ist und VNG die Spannung an den Klemmen der Kompensationsspule 1 ist.
Gemäß der Erfindung wird ein Hilfsmeßsignal auf den Kreis Nulleiter - Erde des Netzes gegeben. Die oben bezeichneten Parameter werden dann anhand des Vergleichs des aufgegebenen Signals mit der Änderung der Spannung Nulleiter - Erde, die durch diese Aufgabe hervorgerufen wird, durch Anwendung des Überlagerungstheorems berechnet.
Man mißt auf diese Weise, in Amplitude und Phase, die neue Impedanz des Kreises Nulleiter - Erde (unter Durchführung einer Vektoranalyse von ΔV/ΔI) und kann dann die Änderung bestimmen, die an der Spule 1 zu verwirklichen ist, um das Gleichgewicht des Netzes wieder herzustellen.
Das ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, wo man die Kompensationsspule 1 und die verteilten Impedanzen C1, C2, C3 der einzelnen Phasen wiederfindet.
Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht in einem Aufgeben einer Meßspannung Vi in Reihe mit der Kompensationsspule 1.
Der Einfluß der in Reihe mit der Spule aufgegebenen Spannung setzt sich in folgende Gleichung um:
Man mißt die Änderung der Spannung VNG als Funktion der aufgegebenen Spannung und kann daraus die Fehlanpassung m der Leitung ableiten, was die Berechnung des Wertes erlaubt, um den die Impedanz der Spule 1 geändert werden muß, um das Gleichgewicht wieder herzustellen.
Das Meßsignal kann auf zwei Weisen aufgegeben werden. Man kann zunächst eine Spannung in Reihe mit der Spule 1 aufgeben, was den Anschluß eines Aufgabetransformators 11 in Reihe mit der Spule erfordert, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Merkmale dieses Transformators müssen die folgenden sein:
- Die Spannungsfertigkeit muß der für die ungünstigste Konfiguration des Netzes während eines freien monophasigen Fehlers maximal möglichen Spannung entsprechen;
- die Stromfertigkeit muß dem maximal möglichen Strom entsprechen, der im Nulleiter fließt, ebenfalls im Falle eines freien monophasigen Fehlers.
Die Primärwicklung des Transformators 11 wird von einer Spannungsquelle 12 gespeist.
Der Transformator 11 kann beispielsweise eine Toroidspule sein. Der Primärkreis muß so ausgelegt sein, daß er Spannungs- und Strombelastungen im Falle eines monophasigen Fehlers des Netzes standhält. Ein Schalter 14 ermöglicht ein Kurzschließen des Aufgabetransformators auf der Sekundärseite, wenn die Vorrichtung nicht im Betrieb ist.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform erfolgt die Aufgabe des Meßsignals durch Aufgabe eines Parallelstroms in die Nulleiterspule 1. Dies ist in Fig. 4 dargestellt.
Die Aufgabe eines zusätzlichen Stroms erfordert die Verwendung eines Aufgabetransformators 21, der die nachfolgenden Bedingungen erfüllen muß:
- die Spannungsfertigkeit muß der Maximalspannung, die an den Klemmen der Spule 1 möglich ist, d. h. der Phasennennspannung Vnom, im Falle eines freien monophasigen Fehlers entsprechen;
- die Stromfertigkeit muß dem Maximalstrom entsprechen, der in das Netz eingegeben werden muß.
Die Primärseite des Transformators 21 wird von einer Spannungsquelle 22 in Reihe mit einer Impedanz 23 gespeist. Diese beiden Elemente können veränderlich und/oder umschaltbar sein; diese Konfiguration erlaubt auch die Vornahme einer Veränderung der Gesamtimpedanz der Verbindung Nulleiter - Erde zur Durchführung ergänzender Messungen ohne Aufgabe eines Meßsignals.
Diese zweite Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, daß der Aufgabetransformator nur Belastungen standhalten muß, die kleiner sind als im Falle der Aufgabe einer Spannung in Reihe mit der Spule 1.
Ferner wird im Falle eines Auftretens eines monophasigen Fehlers im Netz bei der ersten Ausführungsform ein großer Strom in die Primärseite des Aufgabetransformator eingeführt, was wiederum zu einer Überdimensionierung dieses Transformators sowie der Hilfsquelle führt.
Ein weiterer Nachteil besteht in dem Umstand, daß im Falle der Aufgabe einer Spannung die Messung auf einem Reihenresonanzkreis und nicht auf einem Parallelresonanzkreis wie im Falle der Aufgabe eines Meßstroms erfolgt. Die Verstärkung bei Resonanz wird nicht mehr beherrscht und kann dann das Auftreten einer großen und schädlichen Nullspannung bewirken.
Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, das das Prinzip der Aufgabe eines Meßstroms verwendet.
In dieser Figur ist schematisch bei 51 ein Mittelspannungsnetz von 12000 V Phase - Null (20 kV zwischen Phasen), welches ein Niederspannungsnetz von 400 V speist, mit seiner Kompensationsspule 52 und seiner verteilten Impedanz 53 dargestellt. Dieses Netz weist, wie es häufig der Fall ist, einen Nulltransformator 54 auf, der an der Verteilungsstelle angeordnet ist und den Magnetkern der Neutralpunktsspule verwendet. Dieser Nulltransformator 54 wird dazu verwendet, den Meßstrom aufzugeben, der beispielsweise von einer Hilfs spannungsquelle 55 geliefert wird, die beispielsweise durch die Spannung der Hilfsgeräte des Verteilungspunkts, etwa 220 V, gebildet ist, die mit einem Widerstand 56 von einigen zehn Ohm, beispielsweise 20 Ohm, in Reihe geschaltet ist.
Der auf der Sekundärseite des Transformators 54 angeschlossene Widerstand R symbolisiert den Dämpfungswiderstand auf der Niederspannungsseite für einen Strom von 20 A auf der Mittelspannungsseite. Wenn die Wirkkomponente des Stroms auf Mittelspannung 20 A ist, beträgt der Dämpfungswiderstand auf der Mittelspannungsseite 600 Ohm. Wenn das Transformationsverhältnis des Nulltransformators 54 gleich 30 ist, so entspricht dies einem Dämpfungswiderstand auf der Niederspannungsseite von 0,66 Ohm.
Wenn der Aufgabewiderstand 56 gleich 20 Ohm ist, und wenn die Spannungsquelle 55 eine Spannung von 220 V liefert, erhält man einen Strom von 10,6 A, was eine Spannung in der Gegend von 7 V am Niederspannungsdämpfungswiderstand R bei Abstimmung nach sich zieht; dies entspricht 1,75% an Nullspannung (Wert bezüglich der Nennspannung).
Wenn eine Fehlanpassung durch Überkompensation entsprechend einer Stromstärke von beispielsweise 100 A vorliegt, wird die eingeführte Änderung der Nullspannung durch 5 geteilt, d. h., daß sie 0,35% entspricht, d. h., einem noch leicht zu messenden Wert. Auf der Niederspannungsseite (Nennspannung durch freien Fehler: 400 V) setzt sich dies dann in eine Messung einer Spannungsänderung von 1,4 V auf einer Nullspannung um, die maximal von der Größenordnung 24 V, d. h., 6% der maximalen Nullspannung außerhalb eines Fehlers, im normalen Arbeitsbereich, ist.
Wenn nun eine Fehlanpassung durch Unterkompensation vorliegt, gibt es die Möglichkeit einer Anpassung in Reihe zwischen der Streureaktanz des Nulltransformators 54 und der Fehlanpassungsrestkapazität auf der Mittelspannungsseite. Dies ist nicht störend, da man eine Stromaufgabe durch eine Quelle auf der Niederspannungsseite bewirkt; dies muß gege benenfalls bei der Berechnung der Rückführung des Netzes in Anpassung durch eine Messung der in Mittelspannung gemessenen wahren Nullspannung berücksichtigt werden.
Im Falle eines Fehlers auf der Mittelspannungsseite beträgt die gewonnene Spannung 400 V, unter Umständen zur Hilfsspannungsquelle von 250 V entgegengesetzt. Daraus ergibt sich, daß der im Aufgabekreis fließende Strom 30 A betragen wird. Folglich muß der Schalter 57 zum Ingangsetzen des Meßkreises für einen Strom von 30 A und eine Spannung von 620 V dimensioniert sein.
Die Messung der Änderung der Nullspannung kann im Falle der Fig. 5 auf der Niederspannungsseite oder der Mittelspannungsseite erfolgen.
Man sieht, daß die Erfindung auf schnelle Weise, d. h., mit einer Ansprechzeit, die unter einer Sekunde liegt, die Gewinnung einer Messung der Fehlanpassung des Netzes so gestattet, daß gegebenenfalls durch Einwirkung auf die Kompensationsspule eine automatische Anpassung möglich wird.
Ferner erfordert die Erfindung in keiner Weise eine Messung der Asymmetrie, wie dies bei der im oben genannten Patent beschriebenen Vorrichtung der Fall ist, was also die Messung sehr einfach macht.
Ferner beseitigt das Verfahren gemäß der Erfindung, verglichen mit der gegenwärtig bekannten Vorrichtung, die Notwendigkeit einer Bewirkung von Umschaltungen an der Kompensationsspule. Dies ist besonders wichtig, da gemäß der Art der verwendeten Kompensationsspule es dazu kommen kann, daß während einer Umschaltung es überhaupt keine Kompensation mehr gibt. Das ist besonders ungünstig, da sehr oft mehrere Fehler in einer kurzen Zeitspanne auftreten, beispielsweise im Falle von Blitzeinschlägen oder Gewittern.
Ferner erlaubt die Tatsache, daß man keine Umschaltung an der Kompensationsspule bewirkt, eine sehr erhebliche Verminderung des Preises der letzteren.
Die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung ist normalerwei se nicht angeschlossen und wird erst durch die Tätigkeit des Schalters 57 in Betrieb gesetzt, wenn man eine Änderung der Nullspannung festgestellt hat. Man macht dann eine Messung durch Stromaufgabe und, wenn man daraus den Schluß auf ein Ungleichgewicht des Netzes zieht, berechnet man die zu bewirkende Kompensation und verwirklicht diese durch Einflußnahme beispielsweise an der Spule 1.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung im Verhältnis zu der aus dem oben genannten europäischen Patent bekannten Vorrichtung, bei der die Erdungsimpedanz verändert wird, besteht darin, daß bei der bekannten Vorrichtung der Widerstand des Kreises Null - Erde konstant bleiben muß. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung gibt es keine Änderung der Erdungsimpedanz und folglich wird die Messung nicht verfälscht.
Dies ist besonders wahr, wenn bei einer Vertauschung der Anschlüsse der Spule oder bei irgendeiner anderen Veränderung sich ihr Güterfaktor ändert.
Der Einfluß auf die Präzision der Anpassungmessung gestattet es, die Kosten der Spulen in einem Verhältnis zu verringern, der 5 erreichen kann.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß, wenn man das Meßsignal aufgibt, man eine Änderung der Nullspannung erzeugt, die auf der Gesamtheit der Verteilungsleitung verfügbar ist und also eine Art von "Trägerstrom"-Signal bildet, das von irgendeiner auf der Leitung angeordneten Stelle verwendet werden kann, um dort Fernbefehle zu bewirken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sehr wirtschaftlich; beim Ausführungsbeispiel ist nur der Anschluß einer Hilfsspannung, die an einer Verteilungsstelle verfügbar ist, eines Schalters und eines Widerstands erforderlich, den man sich ebenso leicht verschaffen kann, wie diejenigen, die bei elektrischen Heizkörpern verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Angepaßtheit und Fehlangepaßtheit der Kompensation eines Stromversorgungsnetzes, welches eine Kompensationsspule (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfsmeßsignal mit der Netzfrequenz auf den Nullkreis des Netzes gegeben wird, daß die Änderung der Nullspannung gemessen wird, die durch das Aufgeben des Hilfssignals bewirkt wird, und daß eine Impedanzmessung durch Vergleich, in Amplitude und Phasenverschiebung, der Änderung der Nullspannung mit dem Hilfsmeßsignal durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgegebene Hilfssignal eine Hilfsmeßspannung ist, die in Reihe mit der Kompensationsspule (1) aufgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfssignal ein Strom ist, der auf den Nullkreis parallel zur Kompensationsspule (1) aufgegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsmeßstrom auf den Nullkreis mittels eines Nulltransformators (54) aufgegeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsmeßstrom (21) mittels eines Meßwandlers aufgegeben wird, dessen Sekundärwicklung mit der Kompensationsspule (1) verschaltet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmeßspannung mittels eines Transformators (11) aufgegeben wird, dessen Sekundärwicklung in Reihe mit der Kompensationsspule (1) geschaltet ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Stromquelle (55, 56), die in Reihe in den Primärkreis eines Nulltransformators geschaltet und für ein Aufgeben des Hilfsmeßsignals mit der Netzfrequenz auf den Nullkreis des Netzes bestimmt ist, Schaltmittel (57) zum Zuschalten der Quelle bei Feststellung einer Änderung der Nullspannung und Mittel zum Messen der Änderung der Nullspannung, die durch das aufgegebene Hilfssignal bewirkt wird, und zum Durchführen einer Impedanzmessung durch Vergleich, in Amplitude und Phasenverschiebung, der Änderung der Nullspannung mit dem Hilfsmeßsignal aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle anhand der Hilfsspannung des Steuerstands des Netzes gewonnen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Nulltransformator eine Sekundärwicklung aufweist, die im Falle eines freien Netzfehlers eine Spannung auf Niederspannungsniveau abgibt, und daß die Stromquelle durch einen Widerstand von mehreren zehn Ohm gebildet ist, der mit der Hilfsspannung des Steuerstands gespeist wird.