DE69414443T2

DE69414443T2 - System zur ständigen Überwachung der elektrischen Leitfähigkeit eines Wechselstromnetzes

Info

Publication number: DE69414443T2
Application number: DE69414443T
Authority: DE
Inventors: Patrice Allin; Gerard Gaildrat
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE
Priority date: 1993-03-18
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2014-03-09
Also published as: JP3370768B2; RU2121150C1; FR2702842A1; DE69414443D1; UA49785C2; KR940022991A; EP0617292A1; RU94008705A; EP0617292B1; TW245846B; CZ62594A3; CZ287530B6; FR2702842B1; US5420511A; KR100320646B1; JPH075207A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur kontinuierlichen Überwachung der Stromleitung in mindestens einem Abschnitt eines Wechselstromnetzes mit mindestens einem Modul, welches Mittel zur Erzeugung einer Gleichstromkomponente zwischen einem ersten und einem zweiten Punkt, die jeweils in einem ersten und einem zweiten Leiter des Netzes angeordnet sind, Mittel zur Messung der zwischen diesem ersten und zweiten Punkt angelegten Gleichspannungskomponente sowie die genannte Gleichspannungskomponente berücksichtigende Mittel zur Erfassung eines Stromleitungsfehlers umfaßt, wobei die Mittel zur Erzeugung einer Gleichstromkomponente einen gesteuerten Gleichrichter sowie Mittel zur Ansteuerung des gesteuerten Gleichrichters umfassen.
Bekannte Anordnungen, insbesondere die in der Druckschrift EP-A-430.823 beschriebene Anordnung berücksichtigen nicht das mögliche Vorhandensein von Störgleichströmen im Netz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die es ermöglicht, den Einfluß von Störgleichströmen auszuschalten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mittel zur Ansteuerung des gesteuerten Gleichrichters während einer ersten Zeitspanne festgelegter Dauer eines Meßzyklus' ein Signal zum Sperren des gesteuerten Gleichrichters und während einer zweiten Zeitspanne festgelegter Dauer des Meßzyklus' Steuersignale zur Erzeugung der genannten Gleichstromkomponente liefern, wobei die Mittel zur Messung der Gleichspannungskomponente Mittel zur Messung eines ersten und eines zweiten Werts, welche die genannten Gleichspannungskomponenten der genannten ersten bzw. zweiten Zeitspanne abbilden, sowie Mittel zur Berechnung der Differenz zwischen dem zweiten und dem ersten Wert umfassen und die genannte Differenz die zu messende Gleichspannungskomponente abbildet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Anordnung mindestens ein Meßmodul und ein Rückführmodul, die jeweils einen gegensinnig geschalteten, gesteuerten Gleichrichter sowie Mittel zur Ansteuerung des genannten gesteuerten Gleichrichters umfassen, wobei die Ansteuermittel des Meßmoduls und des Rückführmoduls synchronisiert sind, derart daß die gesteuerten Gleichrichter der genannten Module während der ersten Zeitspanne gesperrt sind.
Durch Bildung der Differenz zwischen den Gleichspannungskomponenten an den Klemmen des Meßmoduls und des Rückführmoduls kann auch der Einfluß niederfrequenter Störsignale ausgeschaltet werden, wobei die Meßmittel des Meßmoduls und des Rückführmoduls Mittel zur zeitgleichen Abtastung der zu messenden Spannungen umfassen.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 eine Anordnung zur Stromleitungsüberwachung nach dem bisherigen Stand der Technik,
Fig. 2 ein Meßmodul einer Anordnung gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung,
Fig. 3 und 4 die Zeitspannen der Injizierung und Messung nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung,
Fig. 5 ein Funktionsablaufdiagramm eines Moduls der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 6 eine andere Ausgestaltung der Erfindung mit einem Meßmodul und einem Rückführmodul.
Das in Fig. 1 gezeigte bekannte Anordnung dient zur Überwachung der Stromleitung in einem Abschnitt eines Einphasen-Wechselspannungsnetzes mit zwei Leitern 1 und 2. Ein Meßmodul 3 umfaßt zwei Klemmen 3 und 4, die an zwei in den Leitern 1 bzw. 2 angeordnete Punkte A und B angeschlossen sind. Ein Widerstand RL symbolisiert den Leitungswiderstand des Netzes auf der Einspeiseseite der Punkte A und B. Das Meßmodul 3 umfaßt Mittel zur Erzeugung einer Gleichstromkomponente. Gemäß Fig. 1 bestehen diese Mittel aus einem Thyristor Th1, der zwischen den Klemmen des Meßmoduls 3 mit einem Widerstand R1 in Reihe geschaltet ist. Eine Steuer- und Meßschaltung 4 liefert Signale zur Ansteuerung der Gateelektrode des Thyristors Th1, so daß der Fluß einer Gleichstromkomponente Ic bestimmter Höhe über das Meßmodul erzwungen wird. Die Steuer- und Meßschaltung 4 ist an die Klemmen des Meßmoduls angeschlossen, derart daß ihr Eingang mit der zwischen den Punkten A und B angelegten Spannung beaufschlagt wird. Ist der Gleichanteil des Stroms konstant, bildet eine Veränderung des Gleichanteils der Spannung zwischen den Punkten A und B eine Veränderung des Leitungswiderstands RL auf der Einspeiseseite der Punkte A und B ab. Die Schaltung 4 erfaßt einen Anstieg der genannten Gleichspannungskomponente, welcher einen Anstieg des Leitungswiderstands RL abbildet, vergleicht diesen Anstieg mit einem festgelegten Schwellwert und zeigt bei Überschreiten des Schwellwerts einen Stromleitungsfehler an.
Das Meßmodul 3 ist in Fig. 2 genauer dargestellt. Die Steuer- und Meßschaltung 4 ist als Blockschaltbild dargestellt und umfaßt eine Steuerschaltung S. ein Tiefpaßfilter 6 sowie eine Verarbeitungsschaltung 7. Die Spannung am Eingang des Meßmoduls wird dem Eingang des Tiefpaßfilters 6 zugeführt, das die Verarbeitungsschaltung 7 mit einer, den Gleichanteil seiner Eingangsspannung abbildenden Spannung beaufschlagt.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, wird ein Meßzyklus T, dessen Dauer länger ist als eine Periodendauer des Netzes, in zwei Zeitspannen T1 und T2 unterteilt. Während der ersten Zeitspanne T1 sperrt die Steuerschaltung 5 den Thyristor Th1. In dieser Zeit wird keine Gleichstromkomponente vom Meßmodul 3 erzeugt. Während der zweiten Zeitspanne T2 wird durch die Steuerschaltung 5 eine Gleichstromkomponente Ic über das Netz getrieben. Die Verarbeitungsschaltung 7 wird durch die Steuerschaltung 5 mit, in Fig. 3 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellten Synchronisiersignalen S beaufschlagt, so daß die Verarbeitungsschaltung eine die Zeitspannen T1 und T2 abbildende Information erhält.
Fig. 4 zeigt die von der Verarbeitungsschaltung 7 zur Erfassung der vom Filter 6 gelieferten Gleichspannungskomponente verwendeten Abtastsignale E. Die Verarbeitungsschaltung 7 nimmt eine erste Abtastung während eines, innerhalb der Zeitspanne T1 liegenden ersten Meßfensters Tm1 vor. Eine zweite Abtastung erfolgt während eines, innerhalb der Zeitspanne T2 liegenden zweiten Meßfensters Tm2. Die Dauer des Zeitfensters Tm1 ist kürzer als oder gleich T1, und die Dauer des Zeitfensters Tm2 kürzer als oder gleich T2. Gemäß der in Fig. 4 dargestellten vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung ist zu Beginn jeder der Zeitspannen, vor dem Öffnen des zugehörigen Meßfensters eine Stabilisierungszeit (T1 - Tm1; T2 - Tm2) vorgesehen.
Fig. 5 zeigt ein Funktionsablaufdiagramm der Verarbeitungsschaltung 7. In einem ersten Schritt F1 liest die Schaltung 7 die die Ausgangsspannung des Filters 6 während des ersten Zeitfensters Tm1 abbildenden Abtastwerte ein. Anschließend errechnet sie in einem zweiten Schritt F2 aus diesen Abtastwerten einen ersten Wert V1, der den Wert des Gleichanteils der Eingangsspannung des Meßmoduls 3 während des ersten Zeitfensters Tm1 abbildet. Danach liest die Verarbeitungsschaltung 7 in einem dritten Schritt F3 die die Ausgangsspannung des Filters 6 während des zweiten Zeitfensters Tm2 abbildenden Abtastwerte ein. In einem vierten Schritt F4 berechnet sie einen zweiten Wert V2, der den Wert des Gleichanteils der Eingangsspannung des Meßmoduls 3 während des zweiten Zeitfensters Tm2 abbildet.
Während der Zeitspanne T1 bildet die an den Klemmen des Meßmoduls anliegende Gleichspannung aufgrund des Fehlens einer vom Meßmodul injizierten Gleichstromkomponente die Stär-Gleichspannungskomponenten oder Offsetspannungen des Netzes ab. Während der zweiten Zeitspanne T2 bildet die an den Klemmen des Meßmoduls anliegende Gleichspannung die Summe aus den Stör-Gleichkomponenten und der zur Bestimmung des Leitungswiderstands zu messenden Gleichspannungskomponente Vc ab, da nun eine Gleichstromkomponente vom Meßmodul über das Netz getrieben wird. Die von der Verarbeitungsschaltung 7 in Schritt S errechnete Differenz V2 - V1 bildet daher die zu messende Gleichkomponente Vc ab. In einem Schritt 6 erfaßt die Verarbeitungsschaltung einen möglicherweise vorhandenen Stromleitungsfehler, indem sie die Veränderungen einer den Leitungswiderstand abbildenden, aus der Differenz Vc = V2 - V1 abgeleiteten und dieser proportionalen Größe überwacht.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 3 sind die Zeitspannen T1 und T2 vorzugsweise gleichlang. Die Zeitspanne T kann beispielsweise einen Wert von einigen, z. B. 10 Sekunden aufweisen, wobei die Zeitspannen T1 und T2 dem Wert T/2 entsprechen und die Zeitfenster Tm1 und Tm2 mit einer Dauer von beispielsweise 3s identisch sind.
Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung werden die Werte V1 und V2 durch Bildung des Mittelwerts der, während des Zeitfensters Tm1 bzw. Tm2 erfaßten zugehörigen Abtastwerte ermittelt. Durch Verwendung der Mittelwerte erfüllt die Verarbeitungsschaltung eine zusätzliche Filterfunktion, durch die der größte Teil der niederfrequenten Störkomponenten des Netzes unterdrückt werden können.
Um die Unterdrückung der niederfrequenten Störkomponenten des Netzes zu verbessern, kann es wünschenswert sein, die Werte V1 und V2 durch Bildung eines gewichteten Mittelwerts aus den zugehörigen Abtastwerten zu errechnen. Zu diesem Zweck können die Rechteckfenster aus Fig. 4 durch Sinusfenster oder Fenster mit jeder anderen geeigneten Form ersetzt werden. Da zur Berechnung von V1 und V2 die gleiche Gewichtung verwendet wird, bildet die Differenz zwischen ihnen die zu messende Gleichspannungskomponente Vc ab.
Die Erfassung eines Fehlers kann durch direkten Vergleich der Veränderung von Vc mit einem festgelegten Schwellwert erfolgen. Selbstverständlich ist es möglich, zur Fehlererfassung den zu Vc proportionalen Wert des Leitungswiderstands RL zu berechnen und seine Veränderungen mit einem zugehörigen festgelegten Schwellwert zu vergleichen. Wird wie bei einigen in der Druckschrift EP-A-430.823 beschriebenen Ausführungsvarianten der Leitungswiderstand durch Bestimmung des Verhältnisses zwischen der Gleichspannungskomponente Vc und dem Gleichanteil der an den Klemmen des Widerstands R1 oder eines Meßwiderstands anliegenden Spannung ermittelt, kann das oben beschriebene Meßprinzip auch zur Messung dieser letztgenannten Spannung angewendet werden, die dabei gefiltert und während der Zeitfenster Tm1 bzw. Tm2 abgetastet wird, wobei ihr Gleichanteil der Differenz zwischen den, gegebenenfalls gewichteten Mittelwerten der innerhalb der Zeitfenster Tm2 bzw. Tm1 erfaßten Abtastwerte entspricht.
Gemäß der genannten Druckschrift erlaubt die Verwendung von Rückführmodulen die Überwachung eines zwischen dem Meßmodul und dem Rückführmodul angeordneten Netzabschnitts. Gemäß der Druckschrift kann das Rückführmodul bauartgleich mit dem Meßmodul aus Fig. 1 ausgeführt sein, wobei die Steuer- und Meßschaltung Mittel umfaßt, um die Gleichkomponente der an ihre Eingangsklemmen angelegten Spannung auf null auszuregeln.
Verwendet das Meßmodul das mit Bezug auf die Fig. 3 bis 5 oben beschriebene Meßprinzip, muß die Funktionsweise des gegebenenfalls eingesetzten Rückfühmoduls daher angepaßt werden. Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, mit der es möglich ist, die Stromleitung in einem Netzabschnitt zu überwachen, der zwischen den Punkten A und B, an die das Meßmodul 3 angeschlossen ist, und den, auf der Einspeiseseite der Punkte A und B in den Leitern 1 bzw. 2 angeordneten Punkten C und D verläuft, an die ein Rückführmodul 8 angeschlossen ist.
Das Rückführmodul 8 umfaßt Mittel zur Rückführung der vom Meßmodul 3 erzeugten Gleichstromkomponente. Gemäß Fig. 6 ist ein Thyristor Th2 in Reihe mit einem Widerstand R2 zwischen die Punkte C und D geschaltet, derart daß der Strom vom Leiter 2 zum Leiter 1, d. h. in Sperrichtung des Thyristors Th1 fließen kann. Das Modul umfaßt eine Steuer- und Meßschaltung 9, die beispielsweise über eine Synchronisierverbindung 10 mit der Steuer- und Meßschaltung des Meßmoduls 3 synchronisiert ist. Durch die Synchronisierung können die beiden Thyristoren während der Zeitspanne T1 gleichzeitig gesperrt und während der Zeitspanne T2 gleichzeitig gezündet werden. Die Gleichspannungskomponente Vc (CD) an den Klemmen des Rückführmoduls 8 wird auf die gleiche Weise gemessen wie die Gleichspannungskomponente Vc (AB) an den Klemmen des Meßmoduls 3, und die Differenz Vc (AB) - Vc (CD) zwischen ihnen bildet die an den Klemmen des Leitungswiderstands des betrachteten Netzabschnitts anliegende Gleichspannungskomponente ab.
Durch die zeitgleiche Abtastung der am Meßmodul und am Rückführmodul anliegenden Gleichspannungen können die niederfrequenten Reststörungen ausgeblendet werden. Die zwischen den Punkten A und B bzw. C und D innerhalb der Meßfenster Tm1 und Tm2 gemessenen Gleichanteile lassen sich nämlich wie folgt aufteilen:
V1(AB) = Vof1 + Vbf1
V1(CD) = Vof1 + Vbf1
V2(AB) = V(AB) + Vof1 + Vbf2
V2(AB) = V(CD) + Vof2 + Vbf2,
wobei V1(AB) und V1(CD) die innerhalb des Zeitfensters Tm1 gemessenen Gleichspannungskomponenten zwischen A und B bzw. C und D sind.
V2(AB) und V2(CD) stellen die innerhalb des Zeitfensters Tm2 gemessenen entsprechenden Komponenten dar.
Vof1 ist die Offsetspannung zwischen A und B, die über eine Zeitspanne T als konstant angesehen wird.
Vof2 ist die Offsetspannung zwischen C und D, die über eine Zeitspanne T als konstant angesehen wird.
Vbf1 sind die niederfrequenten Reststörungen während der Zeitspanne T1 und innerhalb des Zeitfensters Tm1.
Vbf2 sind die niederfrequenten Reststörungen während der Zeitspanne T2 und innerhalb des Zeitfensters Tm2.
V(AB) und V(CD) sind die von Störanteilen gesäuberten, an den Klemmen des Meßmoduls und des Rückführmoduls zu messenden Gleichspannungskomponenten.
Es läßt sich zeigen, daß die Offsetspannungen bei der Berechnung der Differenzen Vc(AB) = V2(AB) - V1(AB) bzw. Vc(CD) = V2(CD) - V1(CD) und die Reststörungen durch die Berechnung der für Stromleitungsüberwachung zugrunde gelegten Differenz Vc(AB) - Vc(CD) wegfallen.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen besonderen Ausgestaltungen beschränkt. Insbesondere können die Thyristoren durch jede andere Art von gesteuerten Gleichrichtern ersetzt werden, und anstatt des Widerstands R1 läßt sich eine, auf das Netz abgestimmte verlustfreie Schaltung verwenden. Die Tiefpaßfilter können analog oder digital ausführt sein. Die Steuer- und Meßschaltungen können Mikroprozessoren enthalten, und einige Komponenten können von mehreren Schaltungen gemeinsam genutzt werden.
Die Steuer- und Meßschaltungen 9 und 4 der Anordnung entsprechend Fig. 6 können an eine zentrale Verarbeitungsschaltung zur Bildung der Differenz Vc(AB) - Vc(CD) angeschlossen sein, und die Differenz kann auch in einem der Module gebildet werden, das einen gegebenenfalls vorhandenen Stromleitungsfehler anzeigt.
Enthält die Anordnung ein Rückführmodul, muß dieses mit dem Meßmodul synchronisiert werden, um jeglichen Stromfluß während der Zeitspanne T1 zu verhindern. Die Thyristoren Th1 und Th2 sind vorzugsweise auch während der Zeitspanne T2 synchronisiert. Es kann jedoch erwogen werden, die Gleichspannungskomponente an den Klemmen des Rückführmoduls während der Zeitspanne T2 auf null auszuregeln, so daß die Gleichspannungskomponente an den Klemmen des Meßmoduls den Leitungswiderstand direkt abbildet.
Die gleichen Meßprinzipien sind in einem Dreiphasennetz anwendbar, wobei in diesem Fall die Module zwischen zwei Phasenleiter geschaltet werden.

Claims

1. Anordnung zur kontinuierlichen Überwachung der Stromleitung in mindestens einem Abschnitt eines Wechselstromnetzes mit mindestens einem Modul (3), welches Mittel (Th1) zur Erzeugung einer Gleichstromkomponente zwischen einem ersten und einem zweiten Punkt (A, B), die jeweils in einem ersten und einem zweiten Leiter (1, 2) des Netzes angeordnet sind, Mittel (4, 7) zur Messung der zwischen diesem ersten und zweiten Punkt (A, B) angelegten Gleichspannungskomponente (Vc) sowie die genannte Gleichspannungskomponente (Vc) berücksichtigende Mittel (4, 7, F6) zur Erfassung eines Stromleitungsfehlers umfaßt, wobei die Mittel zur Erzeugung einer Gleichstromkomponente einen gesteuerten Gleichrichter (Th1) sowie Mittel (5) zur Ansteuerung des gesteuerten Gleichrichters umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (5) zur Ansteuerung des gesteuerten Gleichrichters (Th1) während einer ersten Zeitspanne (T1) festgelegter Dauer eines Meßzyklus' (T) ein Signal zum Sperren des gesteuerten Gleichrichters und während einer zweiten Zeitspanne (T2) festgelegter Dauer des Meßzyklus' Steuersignale zur Erzeugung der genannten Gleichstromkomponente liefern, wobei die Mittel (7) zur Messung der Gleichspannungskomponente Mittel (F1 bis F4) zur Messung eines ersten und eines zweiten Werts (V1, V2), welche die genannten Gleichspannungskomponenten der genannten ersten bzw. zweiten Zeitspanne abbilden, sowie Mittel (F5) zur Berechnung der Differenz (Vc) zwischen dem zweiten und dem ersten Wert umfassen und die genannte Differenz die zu messende Gleichspannungskomponente (Vc) abbildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer (T) des Meßzyklus' länger als eine Periodendauer des Netzes ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßzyklus eine Dauer von etwa 10 s aufweist.

4. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (F1, F2) zur Messung des ersten Werts (V1) Mittel (F1) zur Abtastung und Messung der Abtastwerte innerhalb eines ersten Meßfensters (Tm1) umfassen, das im Vergleich zur ersten Zeitspanne (T1) eine kürzere oder identische Dauer aufweist.

5. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (F3, F4) zur Messung des zweiten Werts (V2) Mittel (F3) zur Abtastung und Messung der Abtastwerte innerhalb eines zweiten Meßfensters (Tm2) umfassen, das im Vergleich zur zweiten Zeitspanne (T2) eine kürzere oder identische Dauer aufweist.

6. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel Mittel (F2, F4) zur Berechnung des Mittelwerts der innerhalb eines Meßfensters gemessenen Abtastwerte umfassen.

7. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel Mittel zur Berechnung eines gewichteten Mittelwerts der innerhalb eines Meßfensters gemessenen Abtastwerte umfassen.

8. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein Meßmodul (3) und ein Rückführmodul (8) umfaßt, die jeweils einen gegensinnig geschalteten, gesteuerten Gleichrichter (Th1, Th2) sowie Mittel (4, 9) zur Ansteuerung des genannten gesteuerten Gleichrichters umfassen, wobei die Ansteuermittel des Meßmoduls und des Rückführmoduls synchronisiert sind, derart daß die gesteuerten Gleichrichter (Th1, Th2) der genannten Module während der ersten Zeitspanne (T1) gesperrt sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Berechnung der Differenz zwischen den Gleichspannungskomponenten an den Klemmen des Meßmoduls und des Rückführmoduls umfassen, wobei die Meßmittel (4, 9) des Meßmoduls und des Rückführmoduls Mittel zur zeitgleichen Abtastung der zu messenden Spannung aufweisen.

10. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Gleichrichter als Thyristor (Th1, Th2) ausgebildet ist.