-
Verfahren und Anordnung zur Fehlerortsbestimmung auf elektrischen
Leitungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Fehlerortsbestimmung
auf elektrischen Leitungen aus der Frequenzlage von auf der Leitung angeregten stehenden
Wellen mittels einer Meßspannung, deren Frequenz sich stetig ändert und bei dem
die Frequenzlage der Extremwerte der Leitungsimp edanz aufgezeichnet wird.
-
Bei Leitungsanlagen, z. B. bei langen Freileitungen zur Übertragung
elektrischer Energie, ist mit Betriebsstörungen zufolge Leitungsunterbrechungen
oder Kurzschlüssen zu rechnen. Zur Erleichterung der Behebung solcher Störungen
sind Anordnungen zur Fehlerortsbestimmung bekannt, mit denen die Lage des Fehlerortes
bestimmt werden kann. Bei bekannten Verfahren werden Scheinwiderstandsmessungen
vorgenommen, aus denen sich der Fehlerort berechnen läßt. Diese Berechnungen sind
oft sehr umständlich und erschweren in starkem Maße die praktische Anwendbarkeit
dieser Methoden. Ferner sind Methoden bekannt, bei denen aus der Bestimmung der
Laufzeit reflektierter Impulse die Entfernung des Fehlerortes bestimmt wird. Solche
Messungen erfordern sehr umfangreiche Apparaturen, die denen der Radartechnik ähnlich
sind. Für ihre Bedienung wird speziell geschultes Personal erforderlich, welches
dauernd in Übung bleiben muß. Diese Voraussetzungen sind z. B. in Elektrizitätswerkbetrieben
schwer zu erfüllen. Die Meßmethoden nach dem Reflexions-
verfahren
können vereinfacht werden, indem die zu messende Leitung mit stehenden Wellen erregt
wird, wobei aus den sich ergebenden Resonanzfrequenzen und aus der an sich bekannten
Fortpflanzungsgeschwindigkeit die Entfernung des Fehlerortes direkt bestimmt werden
kann. Bei der Erregung stehender Wellen ist es wichtig zu wissen, ob die Erregung
der Grundwelle oder die einer Oberwelle vorliegt. Dies erfordert die Aufzeichnung
des Impedanzverlaufes iiber einen größeren Frequenzbereich hinweg.
-
Fig. I zeigt ein Beispiel eines Impedanzverlaufes gemessen am Anfang
einer homogenen, - aber gestörten, nämlich kurzgeschlossenen Freileitung. Mit steigender
Frequenz nimmt die Impedanz zunächst zu und erreicht z. B. bei 5 kHz den ersten
Extremwert, ein Maximum, und fällt dann auf ein Minimum und steigt bei 15 kHz wieder
auf ein Maximum usw.
-
Die Extremwerte folgen sich in Abständen der Grundfrequenz. Die Leitung
bildet ein Lechersystem. Die Erregung bei der tiefsten Frequenz bedeutet dieErregung
des Lechersystems auf seiner Grundfrequenz fo.
-
Für diese Frequenz ist bekanntlich der Abstand bis zum Kurzschluß
oder zur Unterbrechung gleich ein Viertel der Wellenlänge, also a auch 1/4 fo, Mit
der 4T Fortpflanzungsgeschwindigkeit c von 300 ooo km/Sek. ergibt sich im Beispiel
die Entfernung des Fehlers zu 300 000 km/Sek. a = ¼ . 5000¹/sek. = 15km.
-
Aus der Impedanzerhöhung bei der Grundfrequenz ergibt sich ferner,
daß am Fehlerort ein Kurzschluß oder jedenfalls eine Ableitung besteht, dessen Widerstandswert
kleiner ist als der Wellenwiderstand von 500 Ohm. Wäre beim Fehlerort eine Unterbrechung
vorhanden, so ergäbe sich eine Verringerung des Impedanzwertes, und der Verlauf
würde etwa der punktierten Kurve entsprechen. Wenn zufällig eine Ableitung gleich
dem Wellenwiderstand vorhanden ist, so treten keine Reflexionen und damit keine
Impedanzänderungen auf, und eine Ortsbestimmung ist nicht möglich.
-
Nachteilig bei solchen Messungen wirken sich die auf der Leitung
praktisch immer vorhandenen und meistens sehr hohen Störspannungen aus, die von
benachbarten stromführenden Leitungen induziert werden. Neben der Grundwelle von
z. B. 50 Hz und ihren Oberwellen sind vor allem Impulsspannungen vorhanden, herrührend
von den im Netz fast ständig irgendwo auftretenden Schaltvorgängen. Aufgabe vorliegender
Erfindung ist es, den Einfluß dieser Störungen auf die Messung wirkungslos zu machen.
-
Bei bekannten, mit periodisch stetig verändernder Frequenz arbeitenden
Fehlerbestimmungsmethoden wird aus der Zahl pro Zeiteinheit gemessenen Reflexionen
auf die Entfernung geschlossen. Diese Einrichtungen eignen sich nur für Fälle, wo
eine ganz eindeutige Reflexionsstelle vorhanden ist. Bei den in der Praxis stets
vorhandenen mehrfachen Reflexionsstellen ist eine einwandfreie Feststellung der
Zahl der pro Zeiteinheit auftretenden Reflexionen nicht mehr möglich und damit eine
Fehlerortsbestimmung ausgeschlossen. Ferner sind Geräte zur Fehlerortsbestimmung,
bei welchen der Einfluß dieser Störungen vermindert wird, von Suchgeräten her bekannt.
Diese Geräte, Empfänger mit einer bestimmten, nicht beliebig schmalen Selektivitätskurve,
müssen jedoch der zu prüfenden Leitung entlang geführt werden bis zum Ort des Fehlers
selber. Eine Ausnutzung der Reflexion findet dort nicht statt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß weitere Schalt-
und Registriermittel vorgesehen sind, die gleichzeitig die Nulldurchgänge des Phasenwinkels
der Leitungsimpedanz ebenfalls als Funktion der sich ändernden Frequenz aufzuzeichnen
gestatten, und daß eine störungsfreie Oszillatorspannung und eine 90° phasenverschobene
Spannung hierzu mit je der die Leitungsimpedanz abbildenden Meßspannung moduliert
werden, damit durch benachbarte Leitungen hervorgerufene Störströme und Spannungen
auf der Leitung die Aufzeichnung praktisch nicht beeinflussen, so daß aus dem Vergleich
der Aufzeichnung auf der fehlerfreien Leitung mit der Aufzeichnung an der fehlerhaften
Leitung der Fehlerort direkt bestimmbar ist.
-
Die Doppel aufzeichnung der Impedanz-Maxima und -Minima (Kurve Z)
sowie der Nulldurchgänge des Phasenwinkels (Kurve ), welche grundsätzlich eine Resonanzlage
anzeigen, ermöglichen eine gegenseitige Kontrolle der Ablesung.
-
Die Aufzeichnung erfolgt besonders vorteilhaft mit logarithmischem
Frequenzmaßstab, weil dann die charakteristische Form eines Impedanzverlaufes, bei
an sich gleicher Art des Fehlers, für ede Frequenz und somit für jeden Fehlerabstand
gleich aussieht.
-
Dadurch wird das Erkennen der Frequenzlage der durch den gesuchten
Fehler sich ergebenden Änderungen im Verlauf der Aufzeichnung erleichtert.
-
Der logarithmische Frequenzverlauf und die Doppelaufzeichnung der
Impedanz und des Phasenwinkels sind besonders vorteilhaft, wenn, was praktisch meistens
vorkommt, außer der Fehlerstelle noch andere Reflexionsstellen auch bei an sich
intakter Leitung z. B. an Abzweigungen, Transformatorstationen usw. vorhanden sind,
aus deren Aufzeichnungen die tatsächlich gesuchte Resonanz herauszulesen ist. Dieses
Herauslesen erfolgt zweckmäßig durch Vergleich mit einer voraus an der gesunden
Leitung gemachten Aufzeichnung. Diese vorgängigen Messungen müssen natürlich für
alle in Frage kommenden Leiterschleifen-Kombinationen, also z. B. der einzelnen
Leiter unter sich, der einzelnen Leiter mit der Erde oder mit einem allfälligen
Erdseil usw., durchgeführt werden.
-
Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß
die Leitung an den Ausgang eines Verstärkers mit hohem Innenwiderstand angeschaltet
ist, dessen Eingang mit einem Oszillator mit stetig veränderbarer Frequenzeinstellung
verbunden ist, und daß die Spannung der Leitung über Anpaßmittel an zwei Modulatoren
geschaltet ist, in deren Ausgänge je eine Registriervorrichtung für die Aufzeichnung
der Extremwerte der Impedanz und die Nulldurchgänge des Phasenwinkels eingeschaltet
ist, und daß den Modulatoren aus einer ebenfalls mit dem Oszillator verbundenen
Verstärkerstufe Hifsspannungen zuge-
führt werden, wobei in bezug
auf den Meßstrom die Hilfsspannung des Modulators für die Impedanz in Phase und
diejenige des Modulators für den Phasenwinkel über einen nachstellbaren Phasenschieber
um go" phasenverschoben zugeführt wird, und daß mit der Frequenzeinstellung des
Oszillators die Nachstellung des Phasenschiebers und der Papiervorschub der Schreibvorrichtung
gekuppelt ist, so daß in Abhän gigkeit der Frequenz eine laufende störungsfreie
Aufzeichnung der Extremwerte der Impedanz und der Nulldurchgänge des Phasenwinkels
erfolgt.
-
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles (Fig. 2) näher
erläutert. Ein Oszillator 0 mit stetig veränderbarer Frequenz steuert zwei unter
sich bezüglich Frequenz und Phasenverlauf ähnliche Verstärker V1 und V2. Die Frequenzeinstellung
des Oszillators erfolgt durch einen Antriebsmotor A T.
-
Die Frequenz des Oszillators ändert sich logarithmisch mit der Verstellung
in einem Frequenzbereich von etwa 500 Hz bis 100 kHz. Im Falle von Messungen von
Freileitungen entspricht dies einem Meßbereich der Fehlerortentfernung zwischen
I50 und 0,75 km.
-
An den Verstärker ist über den Trenn- und Schutztransformator T1 und
die Klemmen I und 2 die zu messende Leitung L angeschlossen. Der Verstärker V1 weist
einen hohen Innenwiderstand auf, so daß der auf der Leitung fließende Strom weitgehend
unabhängig ist von der an der Leitung liegenden Spannung.
-
Diese Spannung kann als Maß für die am Anfang der Leitung vorhandene
Impedanz angesehen werden.
-
Die Spannung U1 ist über eine Anpaßschaltung AP auf den Modulator
M1 geschaltet. Mit dem Modulatorausgang ist die Schreibspule S1 einer Registriervorrichtung
sowie über den Gleichrichter G1 das Meßgerät Gz verbunden. Gz zeigt den Momentanwert
der Leitungsimpedanz an, S1 schreibt diesen Wert als Kurve Z in Abhängigkeit der
Frequenz auf den Papierstreifen St. Dieser Papierstreifen wird durch die Zackenrollen
Zr des Papiervorschubes in Abhängigkeit der Oszillatoreinstellung durch den Antriebsmotor
A T gleichzeitig vorwärts bewegt. Die Aufzeichnung erfolgt mit logarithmischem Frequenzmaßstab.
- Parallel zum Eingang des Modulators M1 ist der Eingang eines weiteren Modulators
M2 geschaltet, dessen Ausgang mit der zweiten Schreibspule S2 der Registriervorrichtung
sowie über den Gleichrichter G2 mit dem Meßgerät G? verbunden ist.
-
G? hat seine Nullage in der Mitte und zeigt den jeweiligen Phasennulldurchgang
an. S2 schreibt den ungefähren Phasenverlauf und die genaue Frequenzlage der Phasennulldurchgänge
auf.
-
Die Modulatoren M1 und Ma erhalten vom Verstärker V2 ihre Hilfsspannung
U20 bzw. U30 mit der Frequenz der momentanen Meßspannungen U1 über den Transformator
T2 und die Anpaßschaltung AP2.
-
Der Frequenz- und Phasengang der Anpaßmittel, der Transformatoren
und der Verstärker sind unter sich gleich gewählt, so daß die Spannungen U1O und
U20 am Modulator M1 über den ganzen Frequenzbereich in der Phase übereinstimmen,
vorausgesetzt, daß an den Klemmen I und 2 die momentane Impedanz gerade rein ohmisch
ist, was immer im Moment einer Resonanz auf der Leitung der Fall ist. Der Modulator
M2 erhält die Hilfsspannung U30 über den PhasenschieberPS um 900 phasenverschoben.
Im Moment einer Resonanz auf der Leitung stehen die Spannungen U1O und U30 um go"
gegeneinander verschoben, so daß dann der Ausgangsstrom über die Schreibspule S2
gerade Null ist und der Kurvenschreiber gerade durch die Nulllinie der Phasenaufzeichnung
läuft. Die Phasenverschiebung von go" wird über den ganzen Meßfrequenzbereich ständig
nachgestellt. Zu diesem Zweck erfolgt eine stetige mechanische Nachstellung des
Phasenschiebers durch den Oszillatorverstellantrieb A T. Dem Phasenschieber ist
ein Trennverstärker TV nachgeschaltet, um den Phasenschieber nicht zu belasten.
-
Die Modulatoren lMl und Mg haben die Eigenschaft, daß sie den für
die Betätigung der Schreiber über die Spulen, und S2 fließenden Gleichstrom nur
auf Grund der tatsächlich vorhandenen Meßspannung auf der Leitung erzeugen. Störspannungen,
die infolge Induktionseinwirkens durch benachbarte Leitungen ebenfalls auf die Modulatoren
gelangen, erzeugen zwar in Verbindung mit den Hilfsspannungen ebenfalls Ausgangsströme.
Diese sind aber durchweg Wechselströme mit verhältnismäßig hoher Frequenz, auf welche
die Schreibsysteme infolge ihrer mechanischen Trägheit nicht ansprechen. Letztere
sprechen nur auf Gleichstrom an und schreiben somit nur den Wert derjenigen Spannungskomponente
auf, die in ihrer Frequenz mit der Frequenz des Verstärkers V2 übereinstimmt, also
nur die tatsächliche Meßspannung, da der Verstärker V2 frei ist von den auf der
Leitung vorhandenen Störungen. Die Modulatoren wirken somit als frequenzselektive
Gleichrichter.
-
Die Modulatoren sind Gegentaktmodulatoren, z. B.
-
Ringmodulatoren. Ihr Aufbau muß elektrisch genau symmetrisch sein,
damit keine Fehlgleichströme auf Grund der Störströme auftreten können. Sie müssen
ferner ausreichend hoch belastbar sein, damit sie die oft sehr großen Störströme
aufnehmen können, ohne daß die Demodulation gestört wird. Zur Entlastung dieser
Modulatoren sind Hochpaßfilter HP1 vorgesehen, welche die Meßströme über 500 Hz
in voller Höhe durchlassen und die Starkstromgrundwelle von 50 Hz und ihre Oberwellen
auf ein für die Modulatoren noch tragbares Maß reduzieren.
-
Zum Schutze der Apparatur gegen hohe Störspannungen sind ferner die
Schutztransformatoren T1, Tlo vorgesehen. Ferner sind Anpaßdämpfungsmittel D vorgesehen,
um Änderungen des Phasenganges bei sich ändernder Leitungsimpedanz klein zu halten.
Diese Anpaßmittel A P1 im gesamten erfordern eine entsprechende Nachbildung AP2
im Ausgang des Verstärkers Vg, damit die Phasen der Spannungen. U20 und U1O über
den ganzen Meßfrequenzbereich übereinstimmen.
-
Durch einen Umschalter U kann die Meßeinrichtung entweder auf die
Leitung oder auf einen für Prüfzwecke vorgesehenen Ersatzwiderstand E eingeschaltet
-werden.
-
Die Wirkungsweise ist folgende: Die zu prüfende Leitung, welche eine
Freileitung sei, wird an die Klemmen I und 2 angeschlossen. Bei Einschalten der
Meßeinrichtung wird zunächst eine tiefe Frequenz,
z. B. 500 Hz,
am Oszillator 0 erzeugt. Diese Frequenz wird über den Verstärker V1 und den Schutztransformator
T1 auf die Leitung gegeben. Die sich einstellende Spannung U, gelangt über die Dämpfungsglieder
und den Trenntransformator T10 und das Hochpaßfilter HP1 auf die Modulatoren M1
und alk22.
-
Das Hochpaßfilter BP1 dämpft zunächst die auf der Leitung durch Übersprechen
von anderen Leitungen hervorgerufenen Störspannungen auf einen für die Modulatoren
zulässigen Wert, ohne diese zu übersteuern. Aus dem Gemisch von Meßspannungen und
Störspannungen wird von den Modulatoren eine nur der Meßspannung entsprechende Gleichstromkomponente
durchgelassen. Zu diesem Zweck erhalten die Modulatoren gleichfrequente Hilfsspannungen,
die frei sind von irgendwelchen Störspannungen, direkt vom Oszillator O über V2,
T2 und AP2. Bei den auf der Leitung entstehenden Resonanzen liegen die Spannungen
U20 und U1O in Phase, und es gelangt auf die Schreibspule S1 ein der Spannung U1O
proportionaler Strom. Der Modulator M2 erhält ebenfalls eine störspannungsfreie
Hilfsspannung UsO, welche aber um 90° gegenüber U20 phasenverschoben ist. Infolgedessen
fließt im Ausgang über die Schreibspule S2 ein Gleichstrom, welcher, wenigstens
in der Umgebung des Nulldurchganges des Phasenwinkels, proportional dem Phasenwinkel
ist und nicht beeinflußt ist durch meßfrequenzfremde Störspannungen.
-
Der Antrieb A T verstellt den Oszillator, so daß die Meßspannung
mit stetig zunehmender Frequenz auf die Leitung gelangt. Es sei angenommen, daß
nun die Impedanz der Leitung gemäß der Fig. 1 mit steigender Frequenz zunimmt. Da
der Verstärker unabhängig von der Ausgangsspannung einen konstanten Strom liefert,
steigt die Spannung U,, und damit die vom Schreiber durch S, gezeichnete Kurve an
und erreicht bei 5 kHz die erste Resonanzstelle.
-
Gleichzeitig ist der Phasenwinkelgl gleich Null geworden. Bei dieser
Resonanzfrequenz sind U,, und U20 genau in Phase, während U,, und U30 eine Phasenverschiebung
von 90" aufweisen. Die Spannungsaufzeichnung von S, entspricht hier dem bestehenden
Impedanzwert. Mit weitersteigender Frequenz fällt Z wieder ab, und der Winkel f
nimmt negativ zu. Bei 10 kHz wird die zweite Resonanzstelle erreicht, wo Z ein Minimum
wird. f ist nach Durchlauf eines negativen Maximums wieder Null geworden Mit weitersteigender
Frequenz erscheinen abwechselnd weiter Minima und Maxima mit jeweils 5 kHz Abstand.
Die Aufzeichnung auf dem Papier wird infolge des logarithmischen Frequenzmaßstabes
immer enger und rascher. Der Frequenz der ersten Resonanzstelle von 5 kHz entspricht
zufolge der hier vorhandenen Erregung eine Entfernung der reflektierenden Fehlerstelle
von I5 km bei Freileitungen.
-
Für die Modulatoren M1 und M2 können Ringsperrschichtmodulatoren
verwendet werden. Für den Modulator M1 eignet sich auch ein Gegentaktröhrenmodulator,
wobei die Gittersteuerung durch die Hilfsspannung erfolgt. Die Vorspannung der Gitter
ist so gewählt, daß bei Fehlen der Hilfsspannung oder der Meßspannung der Gleichrichter
gesperrt ist. Erst wenn Meßspannung und Hilfsspannung gleichzeitig vorhanden sind,
entsteht bei Frequenz- und Phasenübereinstimmung der Strom für S, und Gz.
-
Für die genaue Aufzeichnung des Nulldurchganges des Phasenwinkels
ist es wesentlich, daß der Phasenschieber PS genau arbeitet. Der an sich bekannte
Phasenschieber besteht zweckmäßig aus verstellbaren Kondensatoren und verstellbaren
Widerständen, deren Werte stetig mit der Verstellung des Oszillators geändert werden.
Der Aufwand hierfür kann wegen der erforderlichen Genauigkeit groß werden. Um dies
zu vermeiden, kann auch ein nur angenäherter Vor abgleich bei Verstellen des Oszillators
vorgenommen werden, wobei der genaue Abgleich durch eine zu sätzliche Phasenkorrektur
auf elektrischem Wege erfolgt.
-
Zu diesem Zwecke werden die Spannungen U20 und U30 einem weiteren
Modulator M2 zugeführt. Der Modulatorausgang ist auf die Spule S3 eines elektromechanischen
Verstellwerkes geschaltet. Dieses Verstellwerk korrigiert zusätzlich den Phasenabgleicher
so, daß ständig eine genaue Phasenverschiebung von 90° erreicht wird.
-
Für die Auswertung von Z und 9: ist vor allem die Aufzeichnung im
Gebiete der Grundresonanz von Wichtigkeit, während die der höheren Harmonischen
eher unerwünscht ist. Bei logarithmischem Frequenz. maßstab ist die Periode der
Schreibbewegung für die Grundfrequenz über den ganzen Frequenzbereich konstant,
während sie mit zunehmender Ordnungszahl der Harmonischen rasch zunimmt. Durch geeignete
Wahl der bewegten Masse des Schreibers kann erreicht werden, daß die Schreib amplitude
für die Aufzeichnung der Grundfrequenz maximal ist und daß sie mit zunehmender Ordnungszahl
der Harmonischen rasch abnimmt. Eine so korrigierte Kurve ist für die Auswertung
von Vorteil. Diese Bewegungskorrektur des Schreibers ist mit einer entsprechenden,
aber konstanten Phasennacheilung der Aufzeichnung verbunden, welche durch entsprechende
Korrektur des Papiervorschubes kompensiert werden kann.