EP1131642A1 - Verfahren zur bestimmung des erdschlussbehafteten abzweiges - Google Patents

Verfahren zur bestimmung des erdschlussbehafteten abzweiges

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Publication number
EP1131642A1
EP1131642A1 EP99963307A EP99963307A EP1131642A1 EP 1131642 A1 EP1131642 A1 EP 1131642A1 EP 99963307 A EP99963307 A EP 99963307A EP 99963307 A EP99963307 A EP 99963307A EP 1131642 A1 EP1131642 A1 EP 1131642A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fulfillment
branch
degree
earth fault
earth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99963307A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Albert Leikermoser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Adaptive Regelsysteme GmbH
Original Assignee
Adaptive Regelsysteme GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Adaptive Regelsysteme GmbH filed Critical Adaptive Regelsysteme GmbH
Priority to EP04004802A priority Critical patent/EP1443336B1/de
Priority to EP05100754A priority patent/EP1533623A3/de
Publication of EP1131642A1 publication Critical patent/EP1131642A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
    • G01R31/081—Locating faults in cables, transmission lines, or networks according to type of conductors
    • G01R31/086—Locating faults in cables, transmission lines, or networks according to type of conductors in power transmission or distribution networks, i.e. with interconnected conductors
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/38—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to both voltage and current; responsive to phase angle between voltage and current
    • H02H3/385—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to both voltage and current; responsive to phase angle between voltage and current using at least one homopolar quantity

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for determining an earth fault in a quenched electrical power supply network, the method comprising the following method steps: a) selecting physical measured variables and measuring these variables, b) determining a degree of satisfaction for the presence of an earth fault from selected measured variables and a line model for each feeder with the aid of a first evaluation method, c) determining a degree of satisfaction for the presence of an earth fault from selected measured variables and a line model for each feeder with the aid of at least a second evaluation method, which can be used at least with regard to the evaluated measured variables and / or the management model and / or the evaluation differs from the first method.
  • a number of different methods are known for determining a branch which is subject to earth faults in a deleted electrical power supply network, e.g. in WO92 / 18872, EP 82103, DE 27 11 629 or WO96 / 27138, but also in the specialist literature, e.g. Protection technology in electrical networks, VDE Verlag, ISBN 3-8007- 1498-1, are described in detail.
  • each of these methods has certain disadvantages, e.g. short-term earth faults cannot be detected with some methods, whereas with other methods, for example, no high-resistance earth faults can be detected.
  • EP 267 500 A1 describes a simple earth fault detection by means of a transient evaluation method, in which two sub-methods are used, a measurement signal being obtained in each method. When a specified threshold value is exceeded, each measurement signal generates a signal (see e.g. column 4, line 5ff), which can be regarded as a degree of fulfillment in the sense of a two-value logic. The phase relationship between the transients of the two signal signals and the direction of the earth fault are then determined.
  • No. 5,839,093 A describes two numerical methods, taking into account the load currents for determining the location of the fault in a distribution network. Like the aforementioned method, this method serves to determine the distance and not to determine a branch which is subject to earth faults.
  • US Pat. No. 4,351,011 A describes a method for recognizing the direction of an earth fault relative to the measurement location, in which the sign of the product of voltage and current is used for identification.
  • US Pat. No. 5,568,399 describes the use of a fuzzy logic for monitoring the functionality of protective devices in electrical networks in order to determine the probable location of the fault in the event of a supply failure in a meshed energy distribution network by using multivalued methods of the fuzzy logic. The determination of the presence of an earth fault is also not discussed here.
  • This novel logical combination of at least two different methods enables a larger area of application and greater procedural security to be achieved according to the invention, the at least two methods being able to be implemented by a single device, since essentially the same measured variables are used and / or a similar processing of these measured variables is possible, so that synergies occur between these methods, which lead to an inexpensive and rapid detection of a ground fault branch.
  • the inclusion of the prerequisites for the applicability of the individual methods ensures that there is no incorrect interpretation of evaluated measured values, which could falsify the overall result.
  • the degree of fulfillment for the presence of an earth fault on a single branch, as well as, if applicable The overall degree of fulfillment is expediently standardized to one in order to ensure easy handling of the data.
  • the number of branches and the number of methods used are arbitrary.
  • the logical combination of the first and the second method is by using a two or more-valued logic, e.g. by von Fuzzy Logic.
  • a two or more-valued logic e.g. by von Fuzzy Logic.
  • At least the star point earth voltage or the sum of the earth voltages of the individual phases and the zero currents or the sum of the individual phase currents of all branches or equivalent measured variables are of particular advantage as measured variables, which are evaluated by the methods, since these measured variables for a plurality of different Line models or evaluation methods can be used.
  • the degrees of fulfillment to an overall degree of fulfillment, it is advantageous to additionally include the requirements for the use of the first and the at least second method. It follows from this that, in addition to the degree of fulfillment determined by the first or the second method or possibly further methods, which represents the degree of fulfillment for the presence of an earth fault at a specific branch using a specific method, a degree of fulfillment for the existence of the requirements for the application of these Method is determined. The degree of fulfillment for the existence of the
  • a first advantageous method for determining a feeder with a ground fault results from the fact that, using a line model for each feeder, the transient recharging process after the occurrence of the ground fault is evaluated, possibly including measured variables that are determined before the ground fault occurs.
  • this method in which the voltage-related charges of the phase earth capacitances of the individual conductors of the entire network are evaluated, short-term earth faults, so-called earth fault wipers, can be recognized and evaluated.
  • the evaluation of the transient recharging process is carried out by evaluating the neutral point earth voltage or the phase earth voltages and the zero currents or the sum of the individual phase currents of all branches and including significant branch parameters, e.g.
  • the significant branching parameters can be in the case of a non-earth fault with two different displacement voltages, e.g. at two different positions of the quenching coil can be determined, the sum of the ohmic and / or the capacitive derivatives being calculated by Fourier series expansion of the fundamental wave components of the above measured variables, and possibly one
  • Line transfer function can be determined from the Fourier series development of the fundamental wave and at least one harmonic wave of the measured variables.
  • a simplification of this method results from the fact that the residual current integrals are calculated at points in time after the fault has occurred at which the neutral point earth voltage is zero, and the DC component of the residual current integral is formed from a residual current integral value pair determined at these points in time and is determined the degree of satisfaction is used for the presence of an earth fault.
  • the pairs of points in time are separated from each other by half a period of the neutral point earth voltage and are preferably determined at the end of the transient recharging process.
  • the advantage of this method variant is, among other things, that no information about the capacitive leads is required, but only that about the ohmic leads.
  • the degree of fulfillment for the presence of an earth fault is preferably determined by means of a relative error function, e.g. defines the DC component of the residual current integral based on the sum of the DC components of all branches, so that the degree of fulfillment in the sense of fuzzy logic is already standardized between 0 and 1 and can be further processed in this form.
  • an evaluation of differential zero admittances is carried out on the basis of a line model, that is the quotient of the difference between chronologically successive measured variables for the branch zero-sequence current and the neutral point earth voltage.
  • a line model that is the quotient of the difference between chronologically successive measured variables for the branch zero-sequence current and the neutral point earth voltage.
  • the determination of the differential zero admittance can be carried out by measuring the neutral point earth voltage or the complex arithmetic mean values of the phase earth voltages and the zero currents of all branches before an earth fault occurs and afterwards and by forming a differential zero admittance, which determines the degree of fulfillment for the presence of an earth fault is used. From the difference of the real part of the difference zero admittance for the fundamental wave and a threshold value, which by the sum of the real parts of the difference zero admittance over those branches whose real part of the difference zero admittance is positive, possibly including the iron and / or copper losses of
  • Plunger core coil is formed can be used to determine the degree of satisfaction for the presence of an earth fault. Furthermore, with this method, the degree of fulfillment for the presence of an earth fault can be determined by a relative distance of the zero difference admittance from this threshold value, for example 1 minus the distance normalized to 1.
  • differential zero admittances are used to evaluate the measured variables
  • the evaluation of the differential zero admittances is carried out by measuring the neutral point earth voltage or the complex arithmetic mean values of the phase earth voltages and the zero currents of all branches, the difference being used the measured variables of temporally successive measurements, namely a first measurement before an earth fault occurs, a second and a third measurement afterwards, the star point impedance being changed between the second and the third measurement, for example by adjusting the quenching coil, for each branch two differential zero admittances, namely formed from the measured variables before the earth fault occurs and the measured variables before or after the change in impedance, and the difference between these two differential zero admittances is used to determine the degree of fulfillment for the presence of an earth fault n will.
  • the degree of fulfillment for the presence of an earth fault can be determined from the relative absolute amounts of the admittance differences for the fundamental wave, for example based on the sum of the amounts of the admittance differences.
  • the application of this method results from the knowledge that when the detuning of the deleted overall network changes, for example by adjusting the plunger coil, the current at the earth fault changes.
  • Another method for determining a branch which is subject to earth faults can be determined by branching a computation variable called a fault current
  • the fault currents of the predetermined harmonics can be combined to form an error function, the error function being formed by the sum of the squares of the amounts of the fault currents of individual harmonics, and using a relative error function, e.g. the error function based on the sum of the error functions of all branches, the degree of fulfillment for the presence of an earth fault is determined.
  • This method takes advantage of the dependence of the zero-sequence current on the frequency, namely that the capacitive leakage currents caused by the phase-earth capacitances with respect to the fundamental wave are largely compensated for by the plunger coil (quenching coil), while the higher-frequency capacitive leakage currents caused by the harmonic components of the phase-earth voltages are largely compensated must flow back through the earth fault, since the plunger coil, due to the coordination to the fundamental wave, represents an excessive inductive resistance at the harmonic frequencies.
  • a device for determining an earth fault in a quenched electrical current Supply network with a device for measuring physical measured quantities and an evaluation unit for evaluating these measured quantities, the evaluation unit having at least two processing units for evaluating the measured quantities by means of at least two different evaluation methods, each evaluation unit being set up for each branch a degree of fulfillment for the presence of a To determine earth fault, and wherein the evaluation unit further has a logic unit for logically linking the degrees of fulfillment delivered from the first and the second processing unit to an overall degree of fulfillment, which can be displayed by a display unit.
  • FIG. 1 shows the structure of a deleted electrical supply network
  • FIG. 2 shows a line model for emulating this network
  • FIG. 3 shows a block diagram for a device according to the invention.
  • the supply network 1 shown in FIG. 1 has a three-phase busbar 2, which is fed by a transformer 3, the star point of which is grounded via an inductor 4, for example a plunger coil, the inductance of which can generally be matched to the resonance point of the displacement voltage.
  • a transformer 3 the star point of which is grounded via an inductor 4, for example a plunger coil, the inductance of which can generally be matched to the resonance point of the displacement voltage.
  • two or more branches 1, 2,... N are connected to the busbar, each of which has ohmic and capacitive derivatives, as well as series resistances and inductances.
  • an earth fault with the ohmic conductance g k is indicated at location x, via which the fault current l F flows.
  • the line model on which the calculations are based is shown in more detail in FIG.
  • a suitable model equivalent circuit diagram
  • the structure of the model depends heavily on the frequency spectrum under consideration. Basically, a line in the entire frequency spectrum can only be described by a system with distributed parameters.
  • the methods described below serve on the one hand to determine the faulty earth fault (earth fault of a phase) and on the other hand provide information about the presence of an earth fault in the deleted overall network.
  • the methods described set as variables, the three-phase earth voltages U ⁇ e, U 2e, U 3e, the star-point ground voltage (or voltage shift) U ne and the measurement of the zero currents of all feeders (l 0 ⁇ . I 02. ••• ⁇ On ) ahead, possibly in a slightly modified form, for example the scanning of a measured variable at equidistant intervals, the measurement of a fundamental wave and / or one or more harmonics of these measured variables in magnitude and phase.
  • phase earth voltage U ne instead of the phase earth voltage U ne , the arithmetic mean of the three phase earth voltages ((U 1 e + U 2e + U 3e ) / 3) can alternatively be used.
  • All measured variables are to be determined with respect to a temporal reference variable in amount and phase or in the form of real and imaginary parts.
  • the method described below is suitable for evaluating particularly short-term earth faults (earth fault wipers) and is therefore referred to as the wiper method.
  • the Laplace transform of the branch zero current l 0 (p) depending on the Laplace transform of the zero sequence voltage U ne (p) or the arithmetic mean (equivalent to the zero sequence voltage) of the phase earth voltages ((U ⁇ e + U 2 e + U 3 e) / 3) (p), as well as the Laplace transform of the current at the fault location l f (p) for each branch using the following equation:
  • F ⁇ (p) a broken rational transfer function of the healthy branch specific for each branch, which can be determined from measurements in the healthy network by means of Fourier transformation or Fourier series development, and
  • F 2 (p) a transfer function dependent on the fault location x, which describes the effect of the fault current on the branch zero current.
  • F ⁇ p can be seen as a broken rational function, i.e. are represented as a fraction of two polynomials of the complex frequency variable p. Accordingly, the inverse function H (p) of F ⁇ (p) can be determined by swapping the numerator and denominator of this fraction. It follows:
  • l yes (t) is the integral of the current l oa (t) in the time domain as the output variable of the input variable l i0 (t) passing through the linear transmission element H (p), but which is the integral of the branch zero current l Corresponds to 0 (t). If both the zero sequence voltage U ne (t) and the branch zero currents l 0 (t) are measured for each branch at equidistant times (eg sampled), their respective integrals can be calculated numerically.
  • the z-transform of the transfer function H (z) can be determined by bilinear transformation. Accordingly, the variable l ia (t) can be calculated by recursively filtering the branch zero-current integrals with the digital recursive filter defined by the function H (z) By knowing l ia (z), the values for l ia (t) are fixed for equidistant times.
  • the fault current integral lj f (t) can be clearly determined in this case even without knowledge of C if sample value sequences occur in the period of at least 10 ms
  • the processing of the model for the transient settling process yields important findings: There is no DC component in the fault current integral of healthy feeders.
  • the fault current integral of the feeder which is subject to earth faults, also has a direct component, which results from the recharging of the earth's capacities Total network over the fault location results.
  • the AC component of the residual current integral consists of a fundamental wave component, the odd-numbered harmonic components of the network and aperiodically decaying higher-frequency components caused by the leakage inductances of the supply transformer and the line capacities. Since the higher-frequency component decays rapidly, it can be assumed that towards the end of the recording interval there is only one equal component, as well as the fundamental wave and the harmonics, ie that the alternating component of the fault current is periodic.
  • Method 1 requires two measurements - before and after a change in the zero sequence voltage, e.g. by feeding current into the star point or by moving the quenching coil - in a healthy, non-earthed network. From these two measurements, the significant line parameters G, CF t (t) describing the branch are calculated for the respective line outlet. These parameters are then required to determine the feeder in the event of an earth fault.
  • Branches not subject to earth faults have no DC component, whereas branches subject to earth faults have a DC component due to the reloading process of the line earth capacities of the entire network via the earth fault point.
  • the nominal voltage and the total capacity of the network can also be determined, which describes the intensity of the reloading process and can be used as a reference for determining the degree of fulfillment for the fulfillment of the process requirements. These variables become at least one other when analog variables are combined
  • the method according to the invention explained above is to be regarded as inventive per se and has, among other things, the following advantages.
  • the method is suitable for the evaluation of earth fault wipers as well as for the rapid location of stationary earth faults.
  • the process evaluates the transient recharging process and also detects earth faults if they persist for approx. 1 to 2 milliseconds (due to the Residual current integrals). It is not necessary for the earth fault to persist for the entire first period.
  • the residual current integral over the second period indicates whether the transient recharging process has already been completed.
  • the current integral per period and branch can be continuously determined in the healthy network in order to minimize hardware offset errors
  • the methods described below which are also to be regarded as inventive, are only applicable to steady-state systems.
  • the Fourier series decomposition of the measured currents and voltages results in addition to the fundamental wave component (50 Hz or possibly 60 Hz) harmonic components with an odd multiple of the fundamental wave frequency.
  • These odd-numbered harmonics are determined for the order 3, 5 and 7 (possibly 9) like the fundamental wave for all measured variables in magnitude and phase or in real and imaginary part with respect to a temporal reference signal.
  • the fundamental and odd-numbered components of all measured variables are expediently carried out with the aid of a discrete Fourier transformation over an integer multiple of the period of the basic wave.
  • the sampling frequency used for the sampling of the measured values should ideally also be an integer multiple of the fundamental and harmonic frequencies and should be in the kilohertz range.
  • the fundamental waves - as well as the harmonic components for the 3rd to preferably 7th harmonic of subsequent measured variables in magnitude and phase - are determined with the aid of the discrete Fourier transformation or Fourier series development With regard to a temporal reference variable or as complex variables, measured and determined continuously or periodically:
  • the fundamental waves - as well as the harmonic components for the 3rd to 7th harmonic of subsequent measured variables in amount and phase with respect to a temporal reference variable or as complex variables are measured or determined continuously or periodically:
  • Yd (i.) (Lo (2) (i, k) - l 0 (1) (i, k)) / (Uêt ⁇ (2) (k) - U ne (1) (k)) ( 5) with: l 0 (1) (i, k) zero current i-th branch and k-th harmonic before earth fault occurs l 0 (2) (i, k) zero current i-th branch and k-th harmonic after earth fault
  • the absolute amount of g can be compared with a positive value g e which results from the iron and / or copper losses of the plunger core coil and is parameterized in the earth fault location system and which may depend on U ne . If gj is positive, the earth fault presumption is rejected (there is no earth fault).
  • Ring connection or meshing of these branches in front and the branches involved can be shown together as having a ground fault.
  • the so-called harmonic analysis method starting from the second method described above, a number of parameters are expediently ascertained and updated for the healthy (not ground faulty) branches.
  • the difference zero admittances of the harmonics of all branches Y d (i, k) are buffered for use in the harmonic analysis method.
  • the frequency-dependent transmission behavior from zero current to neutral point earth voltage (displacement voltage) for the healthy branches can be determined well due to the high harmonic content and can be used for harmonic analysis and for determining branch-specific parameters in the future.
  • the feeder with the largest fault F (i) is generally shown to be earth fault.
  • the quotient of F (i) divided by the sum over the F (i) of all branches can be used, for example, as the degree of fulfillment p (i) of the statement that the i-th branch has a ground fault.
  • a further, fourth method for determining a branch with a ground fault is described in detail below.
  • the quenching coil (plunger core coil), e.g. to minimize the fault current at the earth fault.
  • the original coil detuning v thus changes by the detuning change dv.
  • the fundamental waves and the harmonic components for the 3rd to preferably the 7th harmonic become more subsequent Measured variables in amount and phase with respect to a temporal reference variable or as complex variables measured and determined continuously or periodically:
  • the neutral point earth voltage U ne (3) (k) or alternatively the complex arithmetic mean ((U 1e (3) (k) + U 2e (3) (k) + U 3 ⁇ (3) (k)) / 3) is being measured.
  • Branches result in zero and deliver a non-zero admittance difference for faulty branches.
  • it makes sense to represent the complex admittance difference, for example, by its amount as a measure (error function) for the deviation from zero. This is done for all branches using the error function F (i) (i-th branch) according to the following formula:
  • the feeder with the largest fault F (i) is generally shown to be earth fault.
  • the quotient of F (i) divided by the sum over the F (i) of all can be used as the degree of fulfillment p (i) of the statement that the i-th branch has a ground fault
  • This method evaluates transient system states as intended and cannot be used in the case of a stationary earth fault.
  • the execution of the method delivers as
  • the result is a standardized degree of fulfillment between 0 and 1
  • Method two (Wattmetric sum admittance method) This method only considers the fundamental wave components (50 Hz, 60 Hz) of the measured variables and assumes the steady (steady) system state.
  • the branch which is subject to earth faults is determined by determining the differential zero admittances as the quotient of zero current and Voltage differences with subsequent verification of your real parts.
  • the execution of the method delivers a normalized, between 0 and 1, degree of fulfillment of the earth fault presumption p (2, n) for all N branches with n equal to 1 to N.
  • Method three (harmonic analysis method) When performing this method, only the odd-numbered harmonic components in the steady state of the system are considered. The method is ultimately based on the fact that the capacitive leakage currents caused by the phase earth capacitances with respect to the fundamental wave are largely compensated for by the plunger coil (quenching coil), while the higher frequency capacitive leakage currents caused by the harmonic components of the phase earth voltages flow back largely through the earth fault must, because the plunger coil represents an excessive inductive resistance due to the adjustment to the fundamental wave. The behavior of the residual current contained in the zero-sequence current at the earth fault point therefore depends strongly on its frequency.
  • the execution of the method delivers a normalized degree of fulfillment of the earth fault presumption p (3, n) between 0 and 1 for all N branches with n equal to 1 to N.
  • Method four (zero admittance method with coil detuning) The method is based on the fact that the difference zero admittances of the fundamental wave components described in the wattmetric sum admittance method before and after an adjustment of the
  • the plunger coil is subject to change in branches subject to earth faults, while the healthy position of the branches does not affect the coil adjustment.
  • By comparing these differential zero admittances before and after a coil adjustment it is possible to make a statement about the presence of an earth fault on the branch under consideration.
  • the process requires a steady (steady) system state.
  • the execution of the method delivers a normalized, between 0 and 1, degree of fulfillment of the earth fault presumption p (4, n) for all N branches with n equal to 1 to N.
  • the degree of fulfillment pv (1) for the wiper method can e.g. with the help of the residual current integral determined over a defined observation period.
  • the absolute amount of the DC component of this residual current integral after the end of the observation period, weighted with a variable dependent on the nominal phase voltage of the network and the sum of the branch capacities, and standardized (limited) between zero and one, is a good measure of the intensity of the
  • Method two In the wattmetric total admittance method, the level of the ground point earth voltage (displacement voltage) U ne after the earth fault occurs is a measure of the low resistance of the earth fault. With the height of the U ne , however, the difference between the current and voltage differences to be calculated also increases, and thus the numerical conditioning of the method. Therefore, for example, the absolute value of the relative displacement voltage U ne after the earth fault occurs, based on the nominal voltage of the network, can be used as the measure of fulfillment pv (2) of the process requirements. This measure should be set to zero if the earth fault was only transient.
  • Method three With the harmonic analysis method, for example, the sum of the rms squares of the harmonic components of all frequencies and branches, based on a size based on the evaluability requirements of the hardware, can be used as the standardized measure of fulfillment pv (3) of the method requirements. This measure should be set to zero if the earth fault was only transient.
  • Method four In the zero admittance method with coil detuning, analogous to the wattmetric total admittance method, for example, the displacement voltage U ne standardized after the earth fault occurs, optionally weighted with the extent of the plunger coil detuning, as a measure of the compliance pv (4) of the process requirements. This measure should be set to zero if the earth fault was only transient.
  • the fulfillment measures p (j, n) defined above for the earth fault presumption of the j-th method and n-th branch can, in the sense of fuzzy logic, as membership functions of the fuzzy set representing the linguistic variable "branch n is subject to earth fault according to method j" be understood.
  • the fulfillment measures pv (j) defined above for the j-th method in the sense of fuzzy logic can be understood as membership functions of the fuzzy set representing the linguistic variable "procedural requirements for the method are fulfilled".
  • the membership function corresponding to the fuzzy set "NOT A" becomes, for example set as follows:
  • decision criteria according to which the branch affected by ground faults is to be determined can be formulated differently. Two non-limiting examples of how decision logic can be implemented are presented below. The formulation of the requirements for the decision logic also depends on the experience gained in practice.
  • Version 1 Based on the consideration that each process must provide a representative statement about the faulty branch from a certain degree of fulfillment, the logical "rounding" can be carried out as the overall degree of fulfillment of a branch over all those process-specific degrees of fulfillment of the same branch, the degree of fulfillment of the process requirements above a threshold value are in p ⁇ . If the algebraic product is used as T - NORM, then for the branch-specific overall degree of fulfillment pg (i) with i equals 1 to N for branches 1 to N:
  • the branch whose pg (i) is the largest (maximum) of all N branches is shown as having a ground fault.
  • FIG. 3 shows a block diagram for a non-restrictive exemplary embodiment for realizing the device according to the invention.
  • the device comprises a scanning unit 10 with which the measurement variables described above, supplied by corresponding known measuring devices and transducers can be sampled, namely the signals supplied by the branch current transformers for the zero currents of all branches, the signals coming from the voltage measuring transformers for the phase earth voltages U- ⁇ e , U 2e , U 3e , and that from the voltage measuring winding of the plunger core coil or an additional voltage transformer supplied signal for the neutral point earth voltage U ne (zero sequence voltage).
  • a synchronization unit 11 is provided which is connected to at least two signals for the phase earth voltage and which is set up to form a phase reference for the scanning unit 10.
  • This phase reference is supplied to a PLL unit 12 (phase locked loop), which is used for the phase-synchronous multiplication of the mains frequency and on the one hand an output signal for sampling the measurement signals to the scanning unit 10, and on the other hand an output signal to a DFT unit 14 (digital fourier transformation) for Fourier series development of the sampled measured values.
  • PLL unit 12 phase locked loop
  • DFT unit 14 digital fourier transformation
  • the sampled measured values are initially transmitted to a trigger unit 13, in which the measured zero currents and the zero sequence voltage, or the phase earth voltages, are monitored for sudden changes.
  • This trigger unit 13 triggers one or more measured value recording cycles provided by one of the measured values, provided that predefined threshold values are exceeded by one of these measured variables.
  • the recorded measuring cycles are stored in a memory (not shown).
  • each unit 15, 16, 17, 18 provides a result for each branch regarding the degree of fulfillment for the presence of an earth fault at a specific branch and a further result for the degree of fulfillment for the fulfillment of the requirements Application of the respective procedure.
  • levels of fulfillment are subsequently determined in a unit 19 by multi-valued logic, e.g. a fuzzy logic, processed to a meaningful result (overall degree of fulfillment) for each branch and forwarded to an output unit 20, which e.g. triggers a display, an alarm, an emergency operation, a shutdown or the like.
  • multi-valued logic e.g. a fuzzy logic

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Description

Verfahren zur Bestimmung des erdschlußbehafteten Abzweiges
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines erdschlußbehafteten Abzweiges in einem gelöschten elektrischen Stromversorgungsnetz, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: a) Auswählen physikalischer Meßgrößen und Messen dieser Größen, b) Ermitteln eines Erfulltheitsgrades für das Vorliegen eines Erdschlusses aus ausgewählten Meßgrößen und einem Leitungsmodell für jeden Abzweig mit Hilfe einer ersten Auswertemethode, c) Ermitteln eines Erfulltheitsgrades für das Vorliegen eines Erdschlusses aus ausgewählten Meßgrößen und einem Leitungsmodell für jeden Abzweig mit Hilfe zumindest einer zweiten Auswertemethode, welche sich zumindest hinsichtlich der ausgewerteten Meßgrößen und/oder dem Leitungsmodell und/oder der Auswertung von der ersten Methode unterscheidet.
Zur Bestimmung eines erdschlußbehafteten Abzweiges in einem gelöschten elektrischen Stromversorgungsnetz ist eine Anzahl von unterschiedlichen Verfahren bekannt, die z.B. in der WO92/18872, der EP 82103, der DE 27 11 629 oder der WO96/27138, aber auch in der Fachliteratur, z.B. Schutztechnik in elektrischen Netzen, VDE Verlag, ISBN 3-8007- 1498-1 , ausführlich beschrieben sind. Jedes dieser Verfahren hat jedoch bestimmte Nachteile, z.B. können mit einigen Verfahren keine kurzzeitigen Erdschlüsse erkannt werden, wogegen bei anderen Verfahren beispielsweise keine hochohmigen Erdschlüsse erkannt werden können.
Die EP 267 500 A1 beschreibt eine einfache Erdschlußerkennung mittels eines transienten Auswerteverfahrens, bei welchem zwei Teilverfahren angewendet werden, wobei bei jedem Verfahren ein Meßsignal gewonnen wird. Jedes Meßsignal erzeugt bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes ein Meldesignal (siehe z.B. Spalte 4, Zeile 5ff), das als Erfülltheitsgrad im Sinne einer zweiwertigen Logik betrachtet werden kann. Es wird in der Folge die Phasenbeziehung zwischen den Transienten der beiden Meldesignale und daraus die Richtung des Erdschlusses bestimmt.
In der US 5 839 093 A sind zwei numerische Verfahren unter Berücksichtigung der Lastströme zur Bestimmung des Fehlerortes in einem Verteilernetz beschrieben. Dieses Verfahren dient wie das vorgenannte Verfahren zur Entfernungsbestimmung und nicht zur Bestimmung eines erdschlußbehafteten Abzweigs. In der US 4 351 011 A ist ein Verfahren zur Erkennung der Richtung eines Erdschlusses relativ zum Meßort beschrieben, bei welchem das Vorzeichen des Produktes aus Spannung und Strom zur Erkennung herangezogen wird.
In der US 5 568 399 A ist die Anwendung einer Fuzzy Logic zur Überwachung der Funktionalität von Schutzeinrichtungen in elektrischen Netzen beschrieben, um bei einem Versorgungsausfall in einem vermaschten Energieverteilungsnetz durch Verwendung von mehrwertigen Methoden der Fuzzy Logic den wahrscheinlichen Fehlerort zu ermitteln. Hier wird ebenfalls nicht auf die Ermittlung des Vorliegens eines Erdschlusses eingegangen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren zu schaffen, bei welchem die Nachteile bekannter Verfahren vermieden werden und welches sich insbesondere durch einen besonders breiten Anwendungsbereich und eine hohe Verfahrenssicherheit auszeichnet, bei welchem jedoch kein wesentlicher zusätzlicher gerätetechnischer Aufwand entsteht und folglich keine Mehrkosten verursacht werden.
Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches besonders kurzzeitige Erdschlüsse und zugleich auch besonders hochohmige Erdschlüsse mit großer Zuverlässigkeit erfassen und anzeigen kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches sich durch die nachstehend angeführten Verfahrensschritte auszeichnet: d) logische Verknüpfung der aus der ersten und der zumindest einen zweiten
Methode ermittelten Erfülltheitsgraden für das Vorliegen eines Erdschlusses zu einem
Gesamterfülltheitsgrad für jeden Abzweig, e) Anzeigen eines Erdschlusses für einen Abzweig, falls der Gesamterfülltheitsgrad für diesen Abzweig einen bestimmten Wert überschreitet.
Durch diese neuartige logische Verknüpfung zumindest zweier unterschiedlicher Verfahren kann erfindungsgemäß ein größerer Anwendungsbereich und über diesen Anwendungs- bereich eine größere Verfahrenssicherheit realisiert werden, wobei die zumindest zwei Verfahren durch eine einzelne Einrichtung realisiert werden können, da im wesentlichen von denselben Meßgrößen ausgegangen wird und/oder eine ähnliche Verarbeitung dieser Meßgrößen möglich ist, so daß Synergien zwischen diesen Verfahren auftreten, die zu einer kostengünstigen und raschen Erkennung eines erdschlußbehafteten Abzweiges führen. Die Einbeziehung der Voraussetzungen für die Anwendbarkeit der einzelnen Methoden stellt sicher, daß keine falsche Interpretation von ausgewerteten Meßwerten erfolgt, die das Gesamtergebnis verfälschen könnten. Die Erfülltheitsgrade für das Vorliegen eines Erdschlusses an einem einzelnen Abzweig, sowie gegebenenfalls der Gesamterfülltheitsgrad werden zweckmäßigerweise auf eins normiert um eine einfache Handhabung der Daten zu gewährleisten. Die Anzahl der Abzweige, sowie die Anzahl der benutzten Methoden ist dabei beliebig.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die logische Verknüpfung der ersten und der zweiten Methode durch Anwendung einer zwei oder mehrwertigen Logik, z.B. von von Fuzzy Logic, realisiert. Durch den Einsatz dieser Logik zur Verknüpfung der Ergebnisse einzelner Verfahren kann gegenüber konventionellen Lösungen eine Verbesserung der Erkennung eines Erdschlusses und der sichereren Identifizierung des erdschlußbehafteten Abzweiges erreicht werden.
Als Meßgrößen, welche durch die Methoden ausgewertet werden, sind zumindest die Sternpunkt-Erdspannung oder die Summe der Erdspannungen der einzelnen Phasen und die Nullströme oder die Summe der einzelnen Phasenströme aller Abzweige oder gleichwertiger Meßgrößen von besonderem Vorteil, da diese Meßgrößen für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Leitungsmodellen oder Auswertemethoden genutzt werden können.
Zur logischen Verknüpfung der Erfülltheitsgrade zu einem Gesamterfülltheitsgrad ist es vorteilhaft, zusätzlich das Vorliegen der Voraussetzungen für die Anwendung der ersten und der zumindest zweiten Methode einzubeziehen. Daraus ergibt sich, daß zu dem durch die erste oder die zweite Methode oder gegebenenfalls weiterer Methoden ermittelten Erfülltheitsgrad, welche den Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses an einem bestimmten Abzweig anhand einer bestimmten Methode darstellt, auch ein Erfülltheitsgrad für das Vorliegen der Voraussetzungen zur Anwendung dieser Methode ermittelt wird. Zweckmäßigerweise werden auch die Erfülltheitsgrade für das Vorliegen der
Verfahrensvoraussetzungen für die einzelnen Methoden auf eins normiert, um eine einfache Handhabung der Daten, insbesondere bei einer großen Anzahl von unterschiedlichen Methoden zu gewährleisten.
Bei einem Einsatz von Fuzzy Logic hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der
Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses, ermittelt anhand einer bestimmten Methode für einen bestimmten Abzweig, als eine durch eine erste Fuzzymenge repräsentierte linguistische Variable, z.B. "Abzweig n ist nach Methode j erdschlußbehaftet" und der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen der Verfahrensvoraussetzungen für jede Methode als eine durch eine zweite Fuzzymenge repräsentierte linguistische Variable, z.B.
"Verfahrensvoraussetzungen für Verfahren j sind erfüllt" definiert werden, und wenn die Entscheidung über das Vorliegen eines Erdschlusses durch eine Verknüpfung dieser Fuzzymenge mittels Fuzzy Logic getroffen wird. Eine besonders scharfe Aussage über den Gesamterfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses an einem bestimmten Abzweig kann durch das algebraische Produkt der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses mit den über einem vorbestimmten Schwellwert liegenden Erfülltheitsgrade der einzelnen Methoden ermittelt werden. Eine vergleichsweise weichere Aussage über den Gesamterfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses an einem bestimmten Abzweig kann durch das algebraische Mittel der mit den Verfahrenserfülltheitsgraden gewichteten Erfülltheitsgrade für das Vorliegen eines Erdschlusses der einzelnen Methoden ermittelt werden.
Für den Fall, daß die Annahme getroffen werden kann, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein erdschlußbehafteter Abzweig vorliegt, kann das Ergebnis dadurch verbessert werden, daß jener Abzweig als erdschlußbehaftet angezeigt wird, für welchen der Gesamterfülltheitsgrad aller Abzweige am größten ist. Für den Fall, daß ein Ring oder ein vermaschtes Netz erdschlußbehaftet sind, können diese ebenso in obiger Weise als ein einzelner Abzweig behandelt werden.
Eine erste vorteilhafte Methode zur Bestimmung eines erdschlußbehafteten Abzweiges ergibt sich dadurch, daß anhand eines Leitungsmodells für jeden Abzweig der transiente Umladevorgang nach Eintritt des Erdschlusses, gegebenenfalls unter Einbeziehung von Meßgrößen, die vor Eintritt des Erdschlusses ermittelt werden, ausgewertet wird. Mit dieser Methode, bei welcher die spannungsmäßige Umladungen der Phasen-Erdkapazitäten der einzelnen Leiter des Gesamtnetzes ausgewertet werden, lassen sich insbesondere kurzzeitige Erdschlüsse, sogenannte Erdschluß-Wischer erkennen und auswerten. Bei dieser Methode hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Auswertung des transienten Umladevorganges durch Auswertung der Sternpunkt-Erdspannung oder der Phasen- Erdspannungen und der Nullströme oder der Summe der einzelnen Phasenströme aller Abzweige durchgeführt und unter Einbeziehung signifikanter Abzweigparameter, z.B. der Summe der ohmschen und/oder kapazitiven Ableitungen, sowie allenfalls einer im störungsfreien Netzbetrieb ermittelten Leitungsübertragungsfunktion, der Gleichanteil eines Fehlerstromintegrates für jeden Abzweig berechnet und daraus der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses ermittelt wird. Die signifikanten Abzweigparameter können im erdschlußfreien Fall bei zwei unterschiedlichen Verlagerungsspannungen, z.B. bei zwei verschiedenen Stellungen der Löschspule, bestimmt werden, wobei die Summe der ohmschen und/oder der kapazitiven Ableitungen durch Fourierreihenentwicklung der Grundwellenanteile obiger Meßgrößen berechnet werden, und allenfalls einer
Leitungsübertragungsfunktion aus der Fourierreihenentwicklung der Grundwelle, sowie zumindest einer Oberwelle der Meßgrößen ermittelt werden. o
Eine Vereinfachung dieses Verfahrens ergibt sich dadurch, daß die Fehlerstromintegrale zu paarweisen, nach dem Fehlereintritt gelegenen Zeitpunkten berechnet werden, bei welchen die Sternpunkt-Erdspannung gleich Null ist, und der Gleichanteil des Fehlerstromintegrales aus einem zu diesen Zeitpunkten ermittelten Fehlerstromintegral - Wertepaar gebildet und zur Festlegung des Erfulltheitsgrades für das Vorliegen eines Erdschlusses herangezogen wird. Die Zeitpunktpaare sind zeitlich um eine halbe Periode der Sternpunkt-Erdspannung voneinander getrennt und werden vorzugsweise zum Ende des transienten Umladevorganges bestimmt. Der Vorteil bei dieser Verfahrensvariante liegt unter anderem darin, daß keine Information über die kapazitiven Ableitungen erforderlich ist, sondern lediglich jene über die ohmschen Ableitungen. Der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses wird vorzugsweise mittels einer relativen Fehlerfunktion, z.B. der Gleichanteil des Fehlerstromintegrales bezogen auf die Summe der Gleichanteile aller Abzweige, festlegt, so daß die Erfülltheitsgrade im Sinne der Fuzzy Logic bereits zwischen 0 und 1 normiert sind und in dieser Form weiterverarbeitet werden können.
Bei einem weiteren, vorteilhaften Verfahren wird anhand eines Leitungsmodells eine Auswertung von Differenznulladmittanzen, das ist der Quotient der Differenz zeitlich aufeinanderfolgender Meßgrößen für den Abzweig-Nullstrom und der Sternpunkt- Erdspannung durchgeführt. Bei dieser Anwendung können besonders hochohmige Erdschlüsse erkannt und einem bestimmten Abzweig zugeordnet werden.
Die Bestimmung der Differenznulladmittanz kann bei einer ersten Ausführungsvariante durch Messung der Sternpunkt-Erdspannung oder der komplexen arithmetischen Mittelwerte der Phasen-Erdspannungen und der Nullströme aller Abzweige vor Eintritt eines Erdschlusses und danach und durch Bildung je einer Differenznulladmittanz durchgeführt werden, die zur Festlegung des Erfulltheitsgrades für das Vorliegen eines Erdschlusses herangezogen wird. Aus der Differenz des Realteils der Differenznulladmittanz für die Grundwelle und einem Schwellwert, welcher durch die Summe der Realteile der Differenznulladmittanzen über jene Abzweige, deren Realteil der Differenznulladmittanz positiv ist, gegebenenfalls unter Einbeziehung der Eisen- und/oder Kupferverluste der
Tauchkernspule gebildet wird, kann zur Festlegung des Erfulltheitsgrades für das Vorliegen eines Erdschlusses herangezogen werden. Ferner kann bei dieser Methode der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses durch einen relativen Abstand der Differenznulladmittanz von diesem Schwellwert, z.B. 1 minus den auf 1 normierten Abstand, festgelegt werden. Bei einer weiteren Ausführungsvariante, bei welcher zur Auswertung der Meßgrößen Differenznulladmittanzen herangezogen werden, ist vorgesehen, daß die Auswertung der Differenznulladmittanzen durch Messung der Sternpunkt-Erdspannung oder der komplexen arithmetischen Mittelwerte der Phasen-Erdspannungen und der Nullströme aller Abzweige durchgeführt wird, wobei aus der Differenz der Meßgrößen von zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen, nämlich einer ersten Messung vor Eintritt eines Erdschlusses, einer zweiten und einer dritten Messung danach, wobei zwischen der zweiten und der dritten Messung die Sternpunkt-Impedanz, z.B. durch Verstellung der Löschspule, geändert wird, für jeden Abzweig je zwei Differenznulladmittanzen, nämlich aus den Meßgrößen vor Erdschlußeintritt und den Meßgrößen vor bzw. nach Impedanzänderung gebildet und die Differenz dieser zwei Differenznulladmittanzen zur Festlegung des Erfulltheitsgrades für das Vorliegen eines Erdschlusses herangezogen wird. Der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses kann aus den relativen Absolutbeträgen der Admittanzdifferenzen für die Grundwelle, z.B. bezogen auf die Summe der Beträge der Admittanzdifferenzen, ermittelt werden. Die Anwendung dieser Methode resultiert aus der Erkenntnis, daß sich bei einer Änderung der Verstimmung des gelöschten Gesamtnetzes , z.B. durch eine Verstellung der Tauchkernspule , der Strom an der Erdschlußstelle ändert.
Eine weitere Methode zur Bestimmung eines erdschlußbehafteten Abzweiges kann durch abzweigweise Ermittlung einer als Fehlerstrom bezeichneten Rechengröße durch
Auswertung der Grundwelle, sowie vorbestimmter Oberwellen durchgeführt werden. Die Fehlerströme der vorbestimmten Oberwellen können bei dieser Methode zu einer Fehlerfunktion zusammengefaßt werden, wobei die Fehlerfunktion durch die Summe der Quadrate der Beträge der Fehlerströme einzelner Oberwellen gebildet wird, und wobei mittels einer relativen Fehlerfunktion, z.B. die Fehlerfunktion bezogen auf die Summe der Fehlerfunktionen aller Abzweige, der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses festlegt wird. Dieses Verfahren nützt die Abhängigkeit des Nullstromes von der Frequenz, nämlich daß die von den Phasen - Erdkapazitäten verursachten kapazitiven Ableitströme bezüglich der Grundwelle weitgehend von der Tauchkernspule (Löschspule) kompensiert werden, während die von den Oberwellenanteilen der Phasen - Erdspannungen verursachten höherfrequenten kapazitiven Ableitströme zum Großteil über die Erdschlußstelle zurückfließen müssen, da die Tauchkernspule, bedingt durch die Abstimmung auf die Grundwelle, bei den Oberwellenfrequenzen einen zu hohen induktiven Widerstand darstellt.
Weiters werden die eingangs genannten Aufgaben durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines erdschlußbehafteten Abzweiges in einem gelöschten elektrischen Strom- Versorgungsnetz mit einer Einrichtung zum Messen physikalischer Meßgrößen und einer Auswerteeinheit zur Auswertung dieser Meßgrößen gelöst, wobei die Auswerteeinheit zumindest zwei Verarbeitungseinheiten zur Auswertung der Meßgrößen mittels zumindest zweier unterschiedlichen Auswertemethoden aufweist, wobei jede Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, für jeden Abzweig einen Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses zu ermitteln, und wobei die Auswerteeinheit weiters eine Verknüpfungseinheit zur logischen Verknüpfung der aus der ersten und der zweiten Verarbeitungseinheit gelieferten Erfülltheitsgrade zu einem Gesamterfülltheitsgrad aufweist, welche durch eine Anzeigeeinheit anzeigbar ist.
Nachfolgend werden ohne Einschränkung der vorliegenden Erfindung mehrere besonders vorteilhafte und erfinderische Methoden zur Bestimmung eines erdschlußbehafteten Abzweiges, sowie besonders vorteilhafte Beispiele zu deren logischen Verknüpfung und eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Detail beschrieben, wobei auf die beiliegenden Figuren 1 , 2 und 3 Bezug genommen wird, von welchen Figur 1 den Aufbau eines gelöschten elektrischen Versorgungsnetzes, Figur 2 ein Leitungsmodell zur Nachbildung dieses Netzes und Figur 3 ein Blockschaltbild für eine erfindungsgemäße Einrichtung zeigen.
Das in Figur 1 dargestellte Versorgungsnetz 1 weist eine dreiphasige Sammelschiene 2 auf, welche von einem Transformator 3 gespeist wird, dessen Sternpunkt über eine Löschdrossel 4, z.B. eine Tauchkernspule, deren Induktivität i.a. auf den Resonanzpunkt der Verlagerungsspannung abgestimmt werden kann, geerdet ist. Verbraucherseitig sind an der Sammelschiene 2 oder mehrere Abzweige 1 , 2, ...n angeschlossen, welche jeweils ohmsche und kapazitive Ableitungen, sowie Längswiderstände und -Induktivitäten aufweisen. An der Phase L3 des Abzweiges 1 ist am Ort x ein Erdschluß mit dem ohmschen Leitwert gk angedeutet, über welchen der Fehlerstrom lF fließt.
In Figur 2 ist das den Berechnungen zugrunde gelegte Leitungsmodell näher dargestellt. Zur Behandlung von einpoligen Erdschlüssen in gelöschten Mittel- und Hochspannungsleitungen ist es grundsätzlich notwendig, für die weiteren Betrachtungen ein geeignetes Modell (Ersatzschaltbild) der Leitung zu entwerfen. Die Struktur des Modells hängt stark vom betrachteten Frequenzspektrum ab. Grundsätzlich ist eine Leitung im gesamten Frequenzspektrum nur durch ein System mit verteilten Parametern beschreibbar.
Bei Einschränkung des Frequenzbereiches von 0 Hz bis ca. 400 Hz kann das Ersatzschaltbild gemäß Figur 2 als gute Näherung verwendet werden. Dieses Leitungsmodell enthält keine verteilten, sondern nur konzentrierte Parameter, die unabhängig von den fließenden Strömen bzw. Spannungen sind. Daher ist dieses Leitungsmodell auch linear. Diese Eigenschaft ist von grundlegender Bedeutung für die nachfolgenden Betrachtungen.
Zwecks Vereinfachung werden die Unsymmetrien der Leitungsgrößen auf den Leitungs- anfang konzentriert. Ferner werden aufgrund der besseren Übersichtlichkeit die Lastwiderstände gleich und Ohmsch (also ohne induktive Komponente) angenommen. Diese beiden Vereinfachungen haben jedoch keinen großen Einfluß auf das Ergebnis.
Die nachstehend beschriebenen Verfahren dienen einerseits zur Bestimmung des erdschlußbehafteten Abzweiges (Erdfehler einer Phase) und liefern andererseits Aussagen über das Vorhandensein eines Erdschlusses im gelöschten Gesamtnetz.
Die beschriebenen Verfahren setzen als Meßgrößen die drei Phasen-Erdspannungen Uιe, U2e, U3e, die Sternpunkt-Erdspannung (oder Verlagerungsspannung) Une und die Messung der Nullströme aller Abzweige (l0ι . I02. •••■ On) voraus, gegebenenfalls in leicht abgewandelter Form, z.B. die Abtastung einer Meßgröße in äquidistanten Abständen, die Messung einer Grundwelle und/oder einer oder mehrerer Oberwellen dieser Meßgrößen in Betrag und Phase.
Statt der Phasen-Erdspannung Une kann alternativ das arithmetische Mittel der drei Phasen- Erdspannungen ((U1 e + U2e + U3e)/3) verwendet werden.
Sämtliche Meßgrößen sind bezüglich einer zeitlichen Referenzgröße in Betrag und Phase oder in Form von Real - und Imaginärteil zu ermitteln.
Das nachstehend beschriebene Verfahren ist zur Auswertung besonders kurz andauernder Erdschlüsse (Erdschluß-Wischer) geeignet und wird daher als Wischer-Verfahren bezeichnet.
Aus theoretischen Überlegungen läßt sich die Laplace Transformierte des Abzweignullstromes l0(p) in Abhängigkeit von der Laplace Transformierten der Verlagerungsspannung Une(p) bzw. dem (der Verlagerungsspannung gleichwertigen) arithmetischen Mittel der Phasen-Erdspannungen ((Uιe +U2e+U3e)/3)(p), sowie der Laplace Transformierten des Stromes an der Fehlerstelle lf(p) für jeden Abzweig durch nachfolgende Gleichung beschreiben:
IM = ( ne(P) - (G + p - C) - F (p))+ (lf(p) - F2(p,x)) (1) wobei: l0(p) Laplace Transformierte des Nullstromes,
Une(p) Laplace Transformierte der Verlagerungsspannung, lf(p) Laplace Transformierte des Stromes an der Erdschlußstelle (Fehlerstrom),
G Summe der Ohmschen Ableitungen des Abzweiges, C Summe der Phasen-Erdkapazitäten des Abzweiges,
Fι(p) eine für jeden Abzweig spezifische, gebrochen rationale Übertragungsfunktion des gesunden Abzweiges, die aus Messungen im gesunden Netz mittels Fouriertransformation bzw. Fourierreihenentwicklung bestimmbar ist, und
F2(p) eine vom Fehlerort x abhängige Übertragungsfunktion, welche die Auswirkung des Fehlerstromes auf den Abzweignullstrom beschreibt.
Setzt man für x die halbe Leitungslänge 1/2 ein, ergibt dies in guter Näherung:
iP) * l(UM - (G + p - C))+ Fx(p) (2)
F^p) kann als eine gebrochen rationale Funktion, d.h. als Bruch zweier Polynome der komplexen Frequenzvaraiablen p dargestellt werden. Demnach kann die Umkehrfunktion H(p) von Fι(p) als Vertauschung von Zähler und Nenner dieses Bruchs ermittelt werden. Daraus folgt:
[l0(p) - H(p)} = Iϋa(p) (Une(p) - (G + p - C)) + If(p)}
wobei l0a(p) als das Ergebnis einer das Übertragungsglied H(p) durchlaufenden Eingangsgröße l0(p) interpretiert werden kann. Bei Rücktransformation in den Zeitbereich, bei welcher eine durch p geteilte Größe dem Integral der Rücktransformierten der ursprünglichen Größe entspricht, folgt daraus:
4(0 - ϊ (t) ■ G + dUne(t) ■ C)+ (l,f(t))} (3)
wobei: lia(t) Integral von 0 bis t des Stromes loa(t), lif(t) Integral von 0 bis t des Fehlerstromes lf(t), lj0(t) Integral von 0 bis t des Stromes l0(t) lu(t) Integral von 0 bis t der Verlagerungsspannung Une(t) und dUne(t) = Une(t)-Une(0) ist. Die obige Gleichung gibt an, daß sich lja(t) als Integral des Stromes loa(t) im Zeitbereich als Ausgangsgröße der das lineare Üertragungsglied H(p) durchlaufenden Eingangsgröße li0(t) ergibt, welche jedoch dem Integral des Abzweignullstromes l0(t) entspricht. Werden sowohl die Verlagerungsspannung Une(t) als auch die Abzweignullströme l0(t) für jeden Abzweig zu äquidistanten Zeitpunkten gemessen (z.B. abgetastet), so können deren jeweilige Integrale numerisch berechnet werden.
Durch Bilineartransformation kann die z-Transformierte der Übertragungsfunktion H(z) ermittelt werden. Demnach kann die Größe lia(t) durch rekursive Filterung der Abzweignullstromintegrale mit dem durch die Funktion H(z) definierten digitalen rekursiven Filter berechnet werden Durch Kenntnis von lia(z) sind die Werte für lia(t) für äquidistante Zeitpunkte festgelegt.
Von den in Gleichung (3) angeführten Größen sind nun lediglich G, C und lτ(t) unbekannt. Ein Vergleich von G mit C zeigt, daß die durch C verursachten Nullstromintegralanteile wesentlich dominieren. G kann aus dem Betrieb des Netzes im erdschlußfreien Fall ausreichend genau bestimmt werden.
Bei Anwendung des Verfahrens wird vor Eintritt eines Erdschlusses ein Abtastzeitpunkt tsO gefunden, bei welchem die Spannung Une = 0 ist, und zum Referenzzeitpunkt t=0 erklärt.
Nach Eintritt eines Erdschlusses sind ebenso jene Abtastzeitpunkte tsj (j=1 , 2,..m) zu finden, bei welchen die Spannung Une = 0 ist. Falls die Abtastfrequenz zu gering ist, können die gewünschten Größen durch Interpolation ermittelt werden. Demnach ergibt sich für diese Abtastzeitpunkte aus Gleichung (3)
Iia(tsj) - Iu(tsj) - G * Ilf (tsj) (4) für j = 1 , 2, 3 m.
Daher ist das Fehlerstromintegral ljf(t) in diesem Fall auch ohne Kenntnis von C eindeutig bestimmbar, wenn Abtastwertefolgen im Zeitraum von mindestens 10ms vor
Erdschlußeintritt bis einige hundert ms nach Erdschlußeintritt bekannt sind und die Übertragungsfunktion Fτ(p) und die Summe der Ohmschen Ableitungen G im gesunden Netz bestimmt wurde.
Die Verarbeitung des Modells für den transienten Einschwingvorgang ergibt wesentliche Erkenntisse: Im Fehlerstromintegral gesunder Abzweige ist kein Gleichanteil enthalten. Das Fehlerstromintegral des erdschlußbehafteten Abzweiges besitzt neben einem Wechselanteil auch einen Gleichanteil, der sich aus Umladung der Erdkapazitäten des Gesamtnetzes über die Fehlerstelle ergibt. Der Wechselanteil des Fehlerstromintegrales setzt sich aus einem Grundwellenanteil, den ungeradzahligen Oberwellenanteilen des Netzes und aperiodisch abklingenden höherfrequenten Anteilen, die von den Streuinduktivitäten des Speisetransformators und den Leitungskapazitäten verursacht werden, zusammen. Da der höherfrequente Anteil rasch abklingt, kann davon ausgegangen werden, daß gegen Ende des Aufzeichnungsintervalles nur noch ein Geichanteil, sowie die Grundwelle und die Oberwellen vorhanden sind, d.h., daß der Wechselanteil des Fehlerstromes periodisch ist.
Gegen Ende des Aufzeichnungsintervalles gibt es demnach zwei Zeitpunkte, zu welchen Une(t) gleich null ist und deren Abstand gleich einer halben Periodendauer der Grundwelle entspricht. Zu diesen Zeitpunkten werden die Fehlerstromintegrale berechnet. Aufgrund der Periodizität des Fehlerstromintegrales kann geschlossen werden, daß das arithmetische Mittel des Wertepaares genau dem Gleichanteil des Fehlerstromintegrales entspricht. Als erdschlußbehaftet wird grundsätzlich jener Abzweig ausgewiesen, dessen Gleichanteil des Fehlerstromintegrals maximal ist.
Das oben anhand des Modells beschriebene Verfahren wird nachfolgend anhand konkreter Verfahrensschritte erläutert.
Die Methode 1 benötigt jeweils zwei - vor und nach einer Änderung der Verlagerungsspannung, z.B. durch Stromeinspeisung in den Sternpunkt oder durch Verstellung der Löschspule - durchgeführte Messungen in einem nicht erdschlußbehafteten (gesunden) Netz. Aus diesen beiden Messungen werden für den jeweiligen Leitungsabgang die den Abzweig beschreibenden signifikanten Leitungsparameter G, C Ft(t) berechnet. Diese Parameter werden dann im Erdschlußfall zur Abzweigbestimmung benötigt.
Im gesunden (erdschlußfreien) Netz werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
1.1) Messung, Berechnung der Fourierreihenentwicklung und Speicherung eines ersten Meßwertsatzes, bestehend aus der Grundwelle der Verlagerungsspannung Une(1) oder der Phasen-Erdspannungen U1 e(1)+U2e(1)+U3e(1) und der Nullströme l0j(1) aller Abgänge in Betrag und Phase, gemessen mit einer Abtastfrequenz im Kilohertzbereich, die einem ganzzahligen Vielfachen der Grundwelle der Netzfrequenz entspricht, über ein Meßzeit, die sich aus einem ganzzahligen
Vielfachen der Periodendauer der Netzfrequenz ergibt. 2) Änderung der Verlagerungsspannung, z B durch Veränderung der Sternpunktimpedanz, oder Stromeinspeisung, beispielsweise mit Hilfe eines Transduktors, über die Leistungshilfswicklung der Tauchkernspule
3) Messung, Berechnung der Fourierreihenentwicklung und Speicherung eines zweiten Meßwertesatzes bestehend aus der Grundwelle der Verlagerungsspannung Une(2) oder der Phasen-Erdspannungen U1e(2)+U2e(2)+U3e(2) und der Nullstrome l0l(2) aller Abgange in Betrag und Phase, gemessen mit einer Abtastfrequenz im Kilohertzbereich, die einem ganzzahligen Vielfachen der Grundwelle der Netzfrequenz entspricht, über ein Meßzeit, die sich aus einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer der Netzfrequenz ergibt
1 4) Bestimmen der Summe der Ohmschen Ableitungen G,, welche dem Realteil der sogenannten Nulladmittanz Y, entspricht, welche aus der Differenz der Grundwellenanteile der Verlagerungsspannungen DUne=(Une(2)-Une(1)), sowie der
Grundwellenanteile der Nullstromdifferenzen Dloι=(loι(2)-l0ι(1)) berechnet wird Yι=DI0l/DUne
1 5) Im störungsfreien Betrieb werden diese Messungen und die Bestimmung von G, zyklisch wiederholt, sowie nach einem vorgegebenen Algorithmus die Leitungs- ubertragungsfunktionen Fι(p) bzw H(z) bestimmt
Im Erdschlußfall, welcher durch eine plötzliche Änderung der Verlagerungsspannung oder eines Abzweignullstromes vermutet werden kann, werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt
1 6) Ab diesem Zeitpunkt wird eine definierte Anzahl von Abtastungen weiter gemessen und aufgezeichnet, ohne daß die zuvor wahrend eines Zeitraumes von mindestens einer halben Periode (z B 10ms) gemessenen Werte überschrieben werden
1 7) Nach Durchfuhrung der Meßwertaufzeichnung wird (z B durch Interpolation) ein vor Erdschlußeintritt liegender Zeitpunkt tsO ermittelt, bei welchem Une(ts0) = 0 ist und als Referenzzeitpunkt t=0 erklart
1 8) Anschließend werden die Integrale der Verlagerungsspannung und aller Nullstrome beginnend bei tsO berechnet Das Integral der Nullstrome wird gegebenenfalls mit seiner spezifischen Korrekturfuktion H(z) korrekturgerechnet 1.9) Es werden die Menge der Abtastzeitpunkte tsj bestimmt, gegebenenfalls durch Interpolation, bei welchen Une(tsj) = 0 ist.
1.10) Für alle Abzweige ist nun gemäß Gleichung (4) die Differenz der korrektur- gerechneten Nullstromintegrale l|0 mit dem Produkt des Verlagerungsspannungs- integrales lu mal der Summe der ohmschen Ableitungen Gj zu bilden. Die Resultate der Berechnungen werden entsprechend den Zeitpunkten tsO, ....tsj in einer Tabelle hinterlegt. Es werden nun jene am Ende der Aufzeichnungsperiode liegende Zeitpunktpaare festgelegt, zu welchen Une = 0 ist und deren Zeitdifferenz bezogen auf die Netzfrequenz genau eine halbe Periodendauer beträgt, so daß sich die Wechselanteile der Nullstromintegrale kompensieren und als Ergebnis nur die Gleichanteile übrig bleiben.
1.11) Für die obigen Zeitpunktpaare wird das arithmetische Mittel der zugehörigen Fehlerstromintegrale für jeden Abzweig ermittelt und in einer Tabelle hinterlegt.
Nicht erdschlußbehaftete Abzweige weisen keinen Gleichanteil auf, wogegen erdschlußbehaftete Abzweige, bedingt durch den Umladevorgang der Leitungs- Erdkapazitäten des gesamten Netzes über die Erdschlußstelle einen Gleichanteil aufweisen.
1.12) Falls Fehlerstromintegrale für mehrere Abzweige einen Gleichanteil aufweisen, kann das Ergebnis durch Bestimmung eines Erfulltheitsgrades (Wahrscheinlichkeit) für das Vorliegen eines Erdschlusses an einem bestimmten Abgang verifiziert werden, indem der Quotient aus dem Absolutbetrag des Gleichanteiles und der Summe der Absolutbeträge der Gleichanteile aller Abzweige gebildet wird. Aus der
Nennspannung und der Summenkapazität des Netzes kann weiters eine Größe ermittelt werden, welche die Intensität des Umladevorganges beschreibt und als Bezugsgröße für die Bestimmung für den Erfülltheitsgrad für das Vorliegen der Verfahrensvoraussetzungen genutzt werden kann. Diese Größen werden bei der erfindungsgemäßen Verknüpfung mit analogen Größen zumindest einer anderen
Methode zu einem Gesamtergebnis (Wahrscheinlichkeit) für das Vorliegen eines Erdschlusses an einem bestimmten Abzweig genutzt.
Das oben erläuterte erfindungsgemäße Verfahren ist für sich als erfinderisch anzusehen und weist unter anderem die folgenden Vorteile auf. Das Verfahren ist sowohl für die Auswertung von Erdschlußwischern als auch für die rasche Ortung von stationären Erdschlüssen geeignet. Das Verfahren wertet den transienten Umladevorgang aus und erkennt Erdschlüsse auch, wenn diese ca. 1 bis 2 Millisekunden bestehen (wegen des Fehlerstromintegrals). Es ist nicht notwendig, daß der Erdschlußfall für die ganze erste Periode aufrecht bleibt. Das Fehlerstromintegral über die zweite Periode sagt aus, ob der transiente Umladevorgang schon abgeschlossen ist. Zwecks Erhöhung der Genauigkeit kann im gesunden Netz kontinuierlich das Stromintegral pro Periode und Abzweig bestimmt werden, um Offsetfehler der Hardware zu minimieren
Das Verfahren funktioniert hingegen nicht im eingeschwungenen Zustand des Erdschlusses, da in diesem Fall das Fehlerstromintegral über eine Periode (Gleichanteil) verschwindet.
Die nachstehend beschriebenen, ebenso als erfinderisch anzusehenden Verfahren, sind im Gegensatz zu dem obigen Wischer-Verfahren nur auf eingeschwungene Systemzustände anwendbar. Die Fourierreihenzerlegung der gemessenen Ströme und Spannungen ergibt neben dem Grundwellenanteil (50 Hz oder eventuell 60 Hz) Oberwellenanteile mit einem ungeradzahligen Vielfachen der Grundwellenfrequenz. Diese ungeradzahligen Oberwellen werden für die Ordnung 3, 5 und 7 (ev.9) wie die Grundwelle für alle Meßgrößen in Betrag und Phase bzw. in Real- und Imaginärteil bezüglich eines zeitlichen Referenzsignales bestimmt.
Zweckmäßigerweise werden die Grundwellen - sowie ungeradzahligen Obwellenanteile aller Meßgrößen mit Hilfe einer diskreten Fouriertransformation über ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Grundwelle durchgeführt. Die verwendete Abtastfrequenz zur Meßwertabtastung sollte idealerweise ebenfalls ein ganzzahliges Vielfaches der Grundwellenfrequenz sowie der Oberwellenfrequenzen sein und im Kilohertzbereich liegen.
Die Rechenoperationen sind, sofern es sich um komplexe Größen handelt, auch komplex durchzuführen.
Im folgenden wird eine zweite Methode für das erfindungsgemäße Verfahren an Hand konkreter Verfahrensschritte im Detail beschrieben, wobei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hinzuweisen ist, daß die Bezeichnungen eins, zwei, drei, ... für die Methoden nur beispielhaft sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die erste, zweite oder jede weitere Methode beliebig aus allen bekannten Methoden ausgewählt werden und in jeder Kombination verwendet werden, soferne die erfindungswesentliche Wirkung vorliegt.
2.1. Vor dem Erdschlußeintritt werden mit Hilfe der diskreten Fouriertransformation bzw. Fourierreihenentwicklung die Grundwellen - sowie die Oberwellenanteile für die 3. bis vorzugsweise 7. Oberwelle nachfolgender Meßgrößen in Betrag und Phase bezüglich einer zeitlichen Referenzgröße bzw. als komplexe Größen kontinuierlich oder periodisch gemessen und bestimmt:
Die Sternpunkt - Erdspannung Une(1)(k) oder alternativ das komplexe arithmetische Mittel ((U1 e(1)(k) + U2e(1)(k) + U3e(1)(k)) / 3) (Phasen - Erdspannung
Grundwelle, sowie der k-ten Oberwelle)
Die Nullströme aller Abzweige l0(1)(1 ,k) bis l0(1)(n,k) (n-ter Abzweig und k-te
Oberwelle) (die vor Erdschlußeintritt gemessenen Größen werden mit Index (1) gekennzeichnet).
2.2. Nach einer starken Änderung von Une oder eines der Abzweignullströme wird eine Erdschlußvermutung ausgesprochen und mit dem nächsten Verfahrensschritt fortgesetzt, ansonsten wird der zuvor angeführte Verfahrensschritt wiederholt.
2.3. Nach der Erdschlußvermutung werden mit Hilfe der diskreten Fouriertransformation bzw. Forierreihenentwicklung die Grundwellen - sowie die Oberwellenanteile für die 3. bis vorzugsweise 7. Oberwelle nachfolgender Meßgrößen in Betrag und Phase bezüglich einer zeitlichen Referenzgröße bzw. als komplexe Größen kontinuierlich oder periodisch gemessen und bestimmt:
Die Sternpunkt - Erdspannung Une(2)(k) oder alternativ das komplexe arithmetische Mittel ((U1e(2)(k) + U2e(2)(k) + U3e(2)(k))/3) Die Nullströme aller Abzweige l0(2)(1 ,k) bis l0(2)(n,k) (die nach Erdschlußeintritt gemessenen Größen werden mit Index (2) gekennzeichnet).
2.4. Berechnung der "Differenznulladmittanzen" Yd(i,k) als Quotient des einem Abzweig zugeordneten Abzweignullstromes nach Erdschlußeintritt (Index 2) minus dem Abzweignullstrom vor Erdschlußeintritt (Index 1) geteilt durch die Differenz der Sternpunkt - Erdspannungen nach und vor dem Erdschlußeintritt. Diese Differenznulladmittanz Yd(i,k) wird für jeden Abzweig (Index i) sowie für die
Grundwelle (k = 1) und für jene der Oberwellen (k=3,5,7,9) berechnet, für die der Zähler und Nenner der k-ten Oberwelle genügend gut numerisch konditioniert (groß bzw. signifikant vorhanden) sind.
Differenznulladmittanz für i-ten Abzweig und k-te Oberwelle:
Yd(i. ) = (lo(2)(i,k) - l0(1)(i,k)) / (U„β(2)(k) - Une(1)(k) ) (5) mit: l0(1)(i,k) Nullstrom i-ter Abzweig und k-te Oberwelle vor Erdschlußeintritt l0(2)(i,k) Nullstrom i-ter Abzweig und k-te Oberwelle nach Erdschlußeintritt
Une(1)(k) Sternpunkt-Erdspannung k-te Oberwelle vor Erdschlußeintritt
Une(2)(k) Sternpunkt-Erdspannung k-te Oberwelle nach Erdschlußeintritt k = 1 Grundwelle k = 3,5,7 3. oder 5. oder 7. Oberwelle
Index i Abzweignummer
Da sowohl der Zähler als auch der Nenner obiger Formel aus einer Differenz kurzzeitig aufeinanderfolgender Messungen besteht, werden Fehler durch Fremdinduktionen auf den Verdrahtungsleitungen der Meßeingänge weitgehend eliminiert. Bedingt durch die signifikante Erhöhung der Sternpunkt-Erdspannung Une im Erdschlußfall und die relativ kleine Une bei fehlerfreiem Netzbetrieb treten sowohl im Zähler als auch im Nenner vernünftig große Signaldifferenzen auf. Die in den Abzweignullströmen l0 vorkommenden Unsymmetrieströme, bedingt durch kapazitive sowie ohmsche Unsymmetrien der drei Leiter gegen Erde (innere
Unsymmetrien) sowie durch kapazitive Einkoppelungen, verursacht von parallelen Leitungsführungen (äußere Unsymmetrien), werden durch die Differenzbildung der Nullströme gänzlich eliminiert. Zur Durchführung dieser Methode sind die Differenznulladmittanzen nur für die Grundwellenanteile aller Abzweige zu bestimmen. Da die Differenznulladmittanzen der Oberwellenanteile jedoch bei der
Ausführung der weiter unten beschriebenen dritten Methode benötigt werden, werden sie praktischerweise gleich mitbestimmt.
2.5. Bestimmung der Realteile der oben bestimmten "Differenznulladmittanzen" Yd(i,k)
2.6. Berechnung der Summe der Realteile der "Differenznulladmittanzen" für die Grundwellenanteile aller Abzweige mit Hilfe untenstehender Gleichung (6) für g|.
wobei die Summe über alle Abzweige gebildet wird und Re(Yd(i, 1)) der Realteil der Differenznulladmittanz der Grundwelle für den i-ten
Abzweig ist.
Ist gι negativ, so bleibt die Erdschlußvermutung aufrecht. Der Absolutbetrag von gι kann bei einer Ausführungsvariante mit einem, sich aus den Eisen- und/oder Kupferverlusten der Tauchkernspule ergebenden, im Erdschlußortungssystem parametrierten positiven Wert ge, der unter Umständen von Une abhängig ist, verglichen werden. Ist gj positiv, so wird die Erdschlußvermutung verworfen (es liegt kein Erdschluß vor).
2.7. Berechnung der Summe der Realteile der "Differenznulladmittanzen" über jene Abzweige, deren Realteil der "Differenznulladmittanz" positiv ist, entsprechend nachfolgender Formel. Diese Summe wird mit gr bezeichnet. gr = ∑Refcfcl)), (7)
Abzweige mit positivem Re(W(ι,l)) wobei die Summe über alle Abzweige mit positivem Re(Yd(i, I)) gebildet wird und Re(Yd(i,1)) der Realteil der Differenznulladmittanz der Grundwelle für den i-ten
Abzweig ist.
2.8. Berechnung von gs als negative Summe von gr und ge laut nachfolgender Gleichung:
gs = - (gr + ge) (7)
2.9. Nachfolgend werden die Realteile der "Differenznulladmittanzen" aller Abzweige mit dem (negativen) gs verglichen. Jener Abzweig, dessen Realteil seiner "Differenznulladmittanz" dem gs am nächsten liegt, wird als erdschlußbehaftet ausgewiesen. Dies wird aller Voraussicht nach jener sein, dessen Realteil der "Differenznulladmittanz" am negativsten von allen Abzweigen ist.
2.10. Sollten die Realteile der "Differenznulladmittanzen" zweier oder mehrerer Abzweige negativ sein und deren Summe nahe dem Schwellwert gs liegen, so liegt eine
Ringschaltung bzw. Vermaschung dieser Abzweige vor und die beteiligten Abzweige können gemeinsam als erdschlußbehaftet ausgewiesen werden.
2.1 1. Die Erdschlußvermutung für einen Abzweig ist um so größer, je kleiner der Abstand seines Realteiles der "Differenznulladmittanz" von dem Schwellwert gs ist.
Also ist es sinnvoll, eine normierte Distanzfunktion (Wahrscheinlichkeit, Erfüllungsgrad) einzuführen, die den Abstand dieser beiden Größen bezogen auf gs repräsentiert. Dies ist für jeden Abzweig zum Beispiel mittels der untenstehenden Gleichung für d(i) durchzuführen. Sind die Realteile der "Differenznulladmittanzen" mehrerer Abzweige negativ (liegt also eine
Ringschaltung oder andere Art der Vermaschung mehrerer Abzweige vor), so ist die Summe der negativen Realteile zur Bildung der Distanzfunktion zu nehmen.
d(i) = abs( (Re(Yd(i,1)) - gs) / gs) (8)
mit d(i): Absolutbetrag des Abstandes von Re(Yd(i,1)) von gs, geteilt (normiert) mit gs als Distanzmaß für den i-ten Abzweig.
Ist d(i) > 1 , dann wird d(i) auf den Wert 1 gesetzt (begrenzt).
2.12. Als Erfülltheitsgrad p(i) der Aussage, das der i-te Abzweig erdschlußbehaftet ist, kann zum Beispiel die Differenz von eins minus der normierten Distanz d(i) entsprechend nachfolgender Formel verwendet werden. Gleiches gilt für Ringe oder andere Vermaschungen.
Erfülltheitsgrad für i-ten Abzweig: p(i) = 1 - d(i)
Die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens (Methode zwei) notwendigen Schritte sind nun abgeschlossen.
Für die Ausführung einer dritten Methode, des sogenannten Oberwellenanalyseverfahrens, werden ausgehend von der oben beschriebenen zweiten Methode zweckmäßigerweise für die gesunden (nicht erdschlußbehafteten) Abzweige noch einige Parameter ermittelt und aktualisiert.
3.1. Die Differenznulladmittanzen der Grundwellen der gesunden Abzweige (positiver Re(Yd(i,1)) ) werden zwecks späterer Verwendung im Speicher aktualisiert.
Die Differenznulladmittanzen der Oberwellen aller Abzweige Yd(i,k) werden zur Verwendung beim Oberwellenanalyseverfahren zwischengespeichert.
Ferner kann für die gesunden Abzweige das frequenzabhängige Übertragungsverhalten von Nullstrom zu Sternpunkt-Erdspannung (Verlagerungsspannung) aufgrund des stark vorhandenen Oberwellenanteiles gut ermittelt und für die Oberwellenanalyse sowie zur Bestimmung abzweigspezifischer Parameter in Zukunft benützt werden.
3.2. Berechnung der komplexen Koeffizienten der Leitungsübertragungsfunktion c(i,k) für i-ten Abzweig und k-te Oberwelle nur für jene Abzweige, die bei Durchführung der obigen Methode zwei als nicht erdschlußbehaftet erkannt wurden.
Leitungskoeffizient für i-ten Abzweig und k-te Oberwelle:
c(i,k) = Yd(i,k) / (Re(Yd(i,1)) + j. (k.lm(Yd(i,1)) ) (9)
mit:
Re(Yd(i,1)) Realteil der Differenznulladmittanz für i-ten Abzweig und die Grundwelle lm(Yd(i,1)) Imaginärteil der Differenznulladmittanz für i-ten Abzweig und die
Grundwelle Y (i,k) Differenznulladmittanz für i-ten Abzweig und die k-te Oberwelle
3.3. Berechnung eines fiktiven Stromes ls(i,k) für alle Abzweige (Index i) und für alle Oberwellen (Index k = 3,5,7,9) oder nur einzelne, signifikant vorhandene,
Oberwellen als Rechengröße mittels der Gleichung:
ls(i,k): = ( (Re(Yd(i,1)) + j.(k.lm(Yd(i, 1)) ). Une(2)(k) . c(i,k) (10)
mit: ls(i,k) Strom ls für i-ten Abzweig und k-te Oberwelle
Une(2)(k): Sternpunkt-Erdspannung der k-ten Oberwelle nach Erdschlusseintritt c(i,k): Leitungskoeffizient für i-ten Abzweig und k-te Oberwelle
Re(Yd(i,1)) Realteil der Differenznulladmittanz für i-ten Abzweig und die Grundwelle lm(Yd(i,1)) Imaginärteil der Differenznulladmittanz für i-ten Abzweig und die Grundwelle
3.4. Berechnung der Fehlerströme lf(i,k) für alle Abzweige und für alle oder nur für die signifikant vorhandenen Oberwellen mit der Gleichung:
lf(i,k) = ls(i,k) - l0(2)(i,k) (11)
mit: lf(i,k): = Fehlerstrom i-ter Abzweig und k-te Oberwelle ls(i,k): = Strom ls für i-ten Abzweig und k-te Oberwelle l0(2)(i,k): = gemessener Nullstrom i-ter Abzweig und k-te Oberwelle nach Erdschlusseintritt .5. Berechnung der Fehlerfunktion F(i) (Fehlerfunktion für i-ten Abzweig) entsprechend nachfolgender Formel als Summe der Beträge der Fehlerstromquadrate über alle betrachteten Oberwellen für alle Abzweige: F(i) := | ',3 2 + | /('',5|2 + l^ fe7!2 + 17 /^9!" für die 3.,5.,7.,9. Oberwelle.
Werden bestimmte Oberwellen nicht berücksichtigt, so ist der zugehörige Term auf null zu setzen
mit:
|lf(i, k)| : Quadrat des Betrages des Fehlerstromes i-ter Abzweig und k-te
Oberwelle
F(i) Fehlerfunktion für i-ten Abzweig
3.6. Der Abzweig mit dem größten Fehler F(i) wird grundsätzlich als erdschlußbehaftet ausgewiesen.
3.7. Als Erfülltheitsgrad p(i) der Aussage, daß der i-te Abzweig erdschlußbehaftet ist, kann zum Beispiel der Quotient von F(i) geteilt durch die Summe über die F(i) aller Abzweige verwendet werden.
Erfülltheitsgrad p(i): F(i) / Fs mit ^ := ∑ (i) i=l
Im Anschluß wird eine weitere, vierte Methode zur Bestimmung eines erdschlußbehafteten Abzweiges, das sogenannte Nulladmittanzverfahren mit Spulenverstimmung im Detail beschrieben.
4.1. Nach Ausführung der Methode zwei und Methode drei wird die Löschspule (Tauchkernspule), z.B. zur Minimierung des Fehlerstromes an der Erdschlußstelle, verfahren. Die ursprüngliche Spulenverstimmung v ändert sich somit um die Verstimmungsänderung dv.
4.2. Nach Durchführung der Spulenverstimmung im Erdschlußfall werden mit Hilfe der diskreten Fouriertransformation bzw. Fourierreihenentwicklung die Grundwellen - sowie die Oberwellenanteile für die 3. bis vorzugsweise 7. Oberwelle nachfolgender Meßgrößen in Betrag und Phase bezüglich einer zeitlichen Referenzgröße bzw. als komplexe Größen kontinuierlich oder periodisch gemessen und bestimmt:
Die Sternpunkt-Erdspannung Une(3)(k) oder alternativ das komplexe arithmetische Mittel ( (U1e(3)(k) + U2e(3)(k) + U3β(3)(k))/3) wird gemessen.
Ebenso die Nullströme aller Abzweige l0(3)(1 ,k) bis lo(3)(n,k)
(1 n-ter Abzweig und k-te Oberwelle) (die nach Spulenverstimmung im
Erdschlußfall gemessenen Größen werden mit Index (3) gekennzeichnet).
4.3. Berechnung der "Differenznulladmittanzen nach Verstimmung" Yv(i,k) als Quotient des einem Abzweig zugeordneten Abzweignullstromes nach Spulenverstimmung im Erdschlußfall (Index 3) minus dem Abzweignullstrom vor Erdschlußeintritt (Index 1), geteilt durch die Differenz der Sternpunkt-Erdspannungen nach Spulenverstimmung im Erdschlußfall und vor Erdschlußeintritt (Index 3 bzw. Index 1).
Diese "Differenznulladmittanz nach Verstimmung" Yv(i,k) wird für jeden Abzweig (Index i) sowie für die Grundwelle (k=1) und für jede der Oberwellen (k = 3,5,7,9) berechnet, wobei der Zähler und Nenner der k-ten Oberwelle genügend gut numerisch konditioniert (groß bzw. signifikant vorhanden) sein müssen.
Differenznulladmittanz nach Verstimmung Yv(i,k) für i-ten Abzweig und k-te Oberwelle:
YvO,k) = do(3)(i,k) - l0(1)(i,k) ) / (Une(3)(k) - Une(1)(k) ) (12)
mit: lo(1)(i,k) Nullstrom i-ter Abzweig und k-te Oberwelle vor Erdschlußeintritt lo(3)(i,k) Nullstrom i-ter Abzweig und k-te Oberwelle nach Verstimmung im Erdschlußfall Une(1)(k) Sternpunkt-Erdspannung k-te Oberwelle vor Erschlußeintritt
Une(3)(k) Sternpunkt-Erdspannung k-te Oberwelle nach Verstimmung im
Erdschlußfall k = 1 Grundwelle k=3,5,7 3. oder 5. oder 7. Oberwelle Index i Abzweignummer
Da sowohl der Zähler als auch der Nenner obiger Formel aus einer Differenz kurzzeitig aufeinanderfolgender Messungen besteht, werden Fehler durch Fremdinduktionen auf den Verdrahtungsleitungen der Meßeingänge weitgehend eliminiert. Bedingt durch die signifikante Erhöhung der Sternpunkt-Erdspannung Une im Erdschlußfall und die relativ kleine Une bei fehlerfreiem Netzbetrieb treten sowohl im Zähler als auch im Nenner vernünftig große Signaldifferenzen auf. Die in den Abzweignullströmen lo vorkommenden Unsymmetrieströme, bedingt durch kapazitive sowie ohmsche Unsymmetrien der drei Leiter gegen Erde (innere Unsymmetrien) sowie durch kapazitive Einkoppelungen, verursacht von parallelen Leitungsführungen (äußere Unsymmetrien), werden durch die Differenzbildung der Nullstrόme gänzlich eliminiert.
Zur Durchführung von Methode vier sind die "Differenznulladmittanzen nach Verstimmung" nur für die Grundwellenanteile aller Abzweige (k=1) zu bestimmen. Für die Durchführung von anderen, hier nicht dargestellten Verfahren, kann es sinnvoll sein, die Oberwellenanteile gleich mitzubestimmen.
4.4. Bestimmung der Admittanzdifferenzen DY(i,1) für die Grundwellenanteile aller Abzweige als Subtraktion der "Differenznulladmittanz Yd(i,1)" minus der "Differenznulladmittanz nach Verstimmung Yv(i,1)" mittels der nachstehenden Gleichung:
DY(i,1) = (Yd(i,1) - Yv(i,1) ) (13)
4.5. Die Herleitung des Verfahrens ergibt, daß die Admittanzdifferenzen für gesunde
Abzweige null ergeben und für fehlerbehaftete Abzweige eine von null verschiedene Admittanzdifferenz liefern. Um mit reellen Größen weiterarbeiten zu können, ist es sinnvoll, die komplexe Admittanzdifferenz zum Beispiel durch Ihren Betrag als Maß (Fehlerfunktion) für die Abweichung von null zu repräsentieren. Dies wird für alle Abzweige mittels der Fehlerfunktion F(i) (i-ter Abzweig) entsprechend nachfolgender Formel durchgeführt:
FC> = llDYftl)';
mit:
DY(i, 1) Admittanzdifferenz für Grundwelle und i-ten Abzweig F(i) Fehlerfunktion i-ter Abzweig als Betrag von DY(i,1) 4.6. Der Abzweig mit dem größten Fehler F(i) wird grundsätzlich als erdschlußbehaftet ausgewiesen.
4.7. Als Erfülltheitsgrad p(i) der Aussage, das der i-te Abzweig erdschlußbehaftet ist, kann zum Beispiel der Quotient von F(i) geteilt durch die Summe über die F(i) aller
Abzweige verwendet werden. '
Erfülltheitsgrad p(i) = F(i) / Fs F, := ∑F(i)
1 =1
Nachfolgend werden die Ergebnisse der vorhin beschriebenen Methoden oder anderer geeigneter Methoden durch Verwendung einer mehrwertigen Logik oder künstlicher Intelligenz zu einem Gesamtergebnis zusammengeführt.
Nach Erdschlußeintritt werden prinzipiell mehrere unterschiedliche Methoden zur
Bestimmung des erdschlußbehafteten Abzweiges angewendet. Diese Verfahren sollten sich in ihrer Methodik als auch in der Auswahl der Art der zu verarbeitenden Meßgrößen sowie in ihrer Selektivität bezüglich verschiedenartiger Erdschlußphänomene unterscheiden.
Zusammenfassend werden die oben im Detail beschriebenen Verfahren nochmals kurz beschrieben:
Methode eins: (Wischerverfahren) Dabei wird der nach einem Erdschlußeintritt stattfindende transiente Umladevorgang der Phasen - Erdkapazitäten über die
Erdschlußstelle durch zeitlich äquidistante Abtastung der drei Phasen-Erdspannungen sowie aller Nullströme aufgezeichnet und nachfolgend unter Verwendung eines
Leitungsmodelles ausgewertet.
Dieses Verfahren wertet bestimmungsgemäß transiente Systemzustände aus und ist im stationären Erdschlußfall nicht anwendbar. Die Ausführung des Verfahrens liefert als
Ergebnis einen normierten, zwischen 0 und 1 liegenden, Erfülltheitsgrad der
Erdschlußvermutung p(1,n) für alle N Abzweige mit n gleich 1 bis N.
Methode zwei: (Wattmetrisches Summenadmittanzverfahren) Diese Methode betrachtet nur die Grundwellenanteile (50 Hz, 60 Hz) der Meßgrößen und setzt den eingeschwungenen (stationären) Systemzustand voraus. Die Ermittlung des erdschlußbehafteten Abzweiges erfolgt über die Ermittlung der Differenznulladmittanzen als Quotient von Nullstrom - und Spannungsdifferenzen mit nachfolgender Verifikation Ihrer Realteile. Die Ausführung des Verfahrens liefert als Ergebnis einen normierten, zwischen 0 und 1 liegenden, Erfülltheitsgrad der Erdschlußvermutung p(2,n) für alle N Abzweige mit n gleich 1 bis N.
Methode drei: (Oberwellenanalyseverfahren) Bei der Durchführung dieses Verfahrens werden nur die ungeradzahligen Oberwellenanteile im eingeschwungenen Systemzustand betrachtet. Das Verfahren beruht letztlich auf der Tatsache, daß die von den Phasen - Erdkapazitäten verursachten kapazitiven Ableitströme bezüglich der Grundwelle weitgehend von der Tauchkernspule (Löschspule) kompensiert werden, während die von den Oberwellenanteilen der Phasen - Erdspannungen verursachten höherfrequenten kapazitiven Ableitströme zum Großteil über die Erdschlußstelle zurückfließen müssen, da die Tauchkernspule, bedingt durch die Abstimmung auf die Grundwelle, einen zu hohen induktiven Widerstand darstellt. Das Verhalten des im Nullstrom enthaltenen Fehlerstromes an der Erdschlußstelle hängt also stark von seiner Frequenz ab.
Im Falle eines nicht fehlerbehafteten Abzweiges unterscheidet sich das Verhalten des Abzweignullstromes bezüglich unterschiedlicher Frequenzen nur durch die, durch die kapazitiven Ableitungen verursachte, frequenzproportionale Erhöhung des Imaginärteiles der Nulladmittanzen. Die Ausführung des Verfahrens liefert als Ergebnis einen normierten, zwischen 0 und 1 liegenden, Erfülltheitsgrad der Erdschlußvermutung p(3,n) für alle N Abzweige mit n gleich 1 bis N.
Methode vier: (Nulladmittanzverfahren mit Spulenverstimmung) Das Verfahren beruht auf der Tatsache, daß die beim wattmetrischen Summenadmittanzverfahren beschriebenen Differenznulladmittanzen der Grundwellenanteile vor und nach einer Verstellung der
Tauchkernspule in erdschlußbehafteten Abzweigen einer Änderung unterliegen, während Sie bei gesunden Abzweigen durch die Spulenverstellung nicht beeinflußt werden. Durch Vergleich dieser Differenznulladmittanzen vor und nach einer Spulenverstellung ist eine Aussage über das Vorliegen eines Erdschlusses auf dem betrachteten Abzweig möglich. Das Verfahren setzt einen eingeschwungenen (stationären) Systemzustand voraus. Die Ausführung des Verfahrens liefert als Ergebnis einen normierten, zwischen 0 und 1 liegenden, Erfülltheitsgrad der Erdschlußvermutung p(4,n) für alle N Abzweige mit n gleich 1 bis N.
Jede der oben beschriebenen Methoden unterliegt bezüglich seiner Aussagekraft bestimmten Verfahrensvoraussetzungen. Nur wenn diese Voraussetzungen gegeben sind, kann das Verfahrensergebnis (Bestimmung des fehlerhaften Abzweiges) als aussagekräftig betrachtet werden. Ansonsten ist das Resultat zu verwerfen. Als Maß für die Aussagekraft (Gültigkeit) der einzelnen Verfahren wird eine, zwischen null und eins liegende, normierte Größe eingeführt, deren Wert die Voraussetzungen zur Verfahrensdurchführung beschreibt. Ist dieser "Erfülltheitsgrad der Verfahrensvoraussetzungen" pv(k) nahe 1 , so kann auf das Verfahrensergebnis vertraut werden. Liegt dieser Wert nahe null, so sind die Voraussetzungen kaum erfüllt und das Ergebnis ist zu verwerfen.
Nachfolgend werden die, den obigen Verfahren zuzuordnenden Erfülltheitsgrade der Verfahrensvoraussetzungen für die vier Methoden definiert und festgelegt.
Methode eins: Der Erfülltheitsgrad pv(1) für das Wischerverfahren kann, z.B. mit Hilfe des ermittelten Fehlerstromintegrales, über einen definierten Beobachtungszeitraum definiert werden. Der Absolutbetrag des Gleichanteiles dieses Fehlerstromintegrales nach Ablauf des Beobachtungszeitraumes, gewichtet mit einer von der Phasennennspannung des Netzes und der Summe der Abzweigkapazitäten abhängigen Größe, sowie normiert (begrenzt) zwischen null und eins, stellt ein gutes Maß für die Intensität des
Umladevorganges und somit für die Erfülltheit der Verfahrensvoraussetzungen dar.
Methode zwei: Beim wattmetrischen Summenadmittanzverfahren ist die Höhe der Stem- punkt-Erdspannung (Verlagerungsspannung) Une nach Erdschlußeintritt ein Maß für die Niederohmigkeit des Erdschlusses. Mit der Höhe der Une steigt aber auch die Differenz der zu berechnenden Strom- und Spannungsdifferenzen und somit die numerische Konditionierung des Verfahrens. Daher kann zum Beispiel der Absolutbetrag der relativen Verlagerungsspannung Une nach Erdschlußeintritt, bezogen auf die Nennspannung des Netzes, als Erfülltheitsmaß pv(2) der Verfahrensvoraussetzungen verwendet werden. Dieses Maß ist auf null zu setzen, wenn der Erdschluß nur transient war.
Methode drei: Beim Oberwellenanalyseverfahren kann zum Beispiel die Summe der Effektivwertquadrate der Oberwellenanteile aller Frequenzen und Abzweige, bezogen auf eine durch die Auswertbarkeitsvoraussetzungen der Hardware bezogene Größe, als normiertes Erfülltheitsmaß pv(3) der Verfahrensvoraussetzungen herangezogen werden. Dieses Maß ist auf null zu setzen, wenn der Erdschluß nur transient war.
Methode vier: Beim Nulladmittanzverfahren mit Spulenverstimmung kann, analog zum wattmetrischen Summenadmittanzverfahren, zum Beispiel die mit der Phasennennspannung normierte Verlagerungsspannung Une nach Erdschlußeintritt, gegebenenfalls gewichtet mit dem Ausmaß der Tauchkemspulenverstimmung, als Maß für die Erfülltheit pv(4) der Verfahrensvoraussetzungen definiert werden. Dieses Maß ist auf null zu setzen, wenn der Erdschluß nur transient war. Die weiter oben definierten Erfülltheitsmaße p(j,n) für die Erdschlußvermutung des j-ten Verfahrens und n-ten Abzweiges können im Sinne der Fuzzy - Logik als Zugehörigkeitsfunktionen der, die linguistische Variable "Abzweig n ist nach Verfahren j erdschlußbehaftet" repräsentierenden, Fuzzymenge aufgefaßt werden.
Analog können die oben definierten Erfülltheitsmaße pv(j) für das j-te Verfahren im Sinne der Fuzzy - Logik als Zugehörigkeitsfunktionen der, die linguistische Variable "Verfahrensvoraussetzungen für das Verfahren sind erfüllt" repräsentierenden, Fuzzymenge aufgefaßt werden.
Zur logischen "UND" - Verknüpfung zweier linguistischer Variabler "A", "B" werden zum Beispiel die, den beiden Variablen zugehörigen, Fuzzy Mengen derart verknüpft, daß daraus eine neue, die linguistische Variable "A UND B" repräsentierende, Fuzzy -Menge entsteht. Dies geschieht durch Anwendung einer sogenannten T - Norm auf die zu den ursprünglichen Fuzzy - Mengen gehörenden Zugehörigkeitsfunktionen. Die einfachste "UND" Verknüpfung (T-NORM) der den linguistischen Variablen "A" sowie "B" zugehörigen Fuzzysets wird durch nachfolgende Operation der beiden Zugehörigkeitsfunktionen realisiert:
μ(A UND B) = min(μ(A), μ(B))
Das heißt, daß die der Fuzzy Menge "A UND B" entsprechende Zugehörigkeitsfunktion sich als Minimum der beiden, zu "A" sowie "B" gehörenden Zugehörigkeitsfunktionen ergibt.
Eine andere Möglichkeit der "UND" Verknüpfung ergibt sich durch Bildung des algebraischen Produktes der beiden Zugehörigkeitsfunktionen. Also:
μ(A und B) = μ(A) . μ(B)
Diese Art der "UND" Verknüpfung ergibt ein "trennschärferes UND".
Analog zum Minimum Operator für die UND Verknüpfung wird z.B. die "ODER" Verknüpfung bestimmt durch:
μ(A ODER B) = max (μ(A), μ(B))
Die der Fuzzy - Menge "NICHT A" entsprechende Zugehörigkeitsfunktion wird zum Beispiel folgendermaßen festgelegt:
μ(NICHT A) = 1 - μ(A)
An dieser Stelle ist zu bemerken, daß dem Fachmann eine Vielzahl von Möglichkeiten für T - NORMEN ("UND" Verknüpfungen) und entsprechenden S - NORMEN ("ODER" Verknüpfungen) bekannt sind, die je nach Anwendungsfall eingesetzt werden können.
Die Entscheidungskriterien, nach denen der erdschlußbehaftete Abzweig zu bestimmen ist, können unterschiedlich formuliert werden. Nachfolgend werden zwei nicht einschränkende Beispiele vorgestellt, wie die Entscheidungsiogik realisiert werden kann. Die Formulierung der Anforderungen an die Entscheidungslogik hängt auch von der in der Praxis gesammelten Erfahrungen ab.
Nachfolgend wird eine erste Variante mit sehr "harten" Entscheidungskriterien "Version 1" und eine zweite Variante "Version 2" mit eher weicheren und globaleren Eigenschaften beschrieben.
Version 1 : Ausgehend von der Überlegung, daß jedes Verfahren ab einem gewissen Erfülltheitsgrad eine repräsentative Aussage über den fehlerhaften Abzweig liefern muß, kann als Gesamterfülltheitsgrad eines Abzweiges die logische "Verrundung" über all jene verfahrensspezifischen Erfülltheitsgrade des gleichen Abzweiges durchgeführt werden, deren Erfülltheitsgrad der Verfahrensvoraussetzungen über einem Schwellwert pιim liegen. Wird als T - NORM das algebraische Produkt verwendet, so folgt für den abzweig- spezifischen Gesamterfülltheitsgrad pg(i) mit i gleich 1 bis N für die Abzweige 1 bis N:
Als erdschlußbehaftet wird jener Abzweig ausgewiesen, dessen pg(i) von allen N Abzweigen am größten (maximal) ist.
Version 2: Als Gesamterfülltheitsgrad der Erdschlußvermutung für einen Abzweig kann auch das mit den Verfahrenserfülltheitsgraden gewichtete arithmetische Mittel der Abzweigerfülltheitsgrade verwendet werden. Dies entspricht ganz allgemein der Überlegung, daß der erdschlußbehaftete Abzweig bezüglich aller Verfahren im Mittel generell höhere Erfülltheitsgrade aufweist. Dies gilt speziell dann, wenn die Verfahrensvoraussetzungen gut sind. für i-ten Abzweig und für j = 1 bis M Verfahren
Darüber hinaus kann zum Beispiel als dritte Variante ein Zusammenhang mit beiden Versionen versucht werden, bei welcher der umgangssprachliche Begriff der "Eindeutigkeit des Ergebnisses" im Sinne der Fuzzy - Logik formuliert wird.
Der Begriff "eindeutig" im Kontext mit der Abzweigbestimmung läßt sich umgangssprachlich so formulieren: "Der und nur der Abzweig" weist einen hohen Erfülltheitsgrad auf. Statt " Der und nur der" läßt sich auch sagen "Dieser und kein anderer ...". Der Begriff "Dieser und kein anderer ...." kann auch in nachfolgender Weise ausgedrückt werden:
(Dieser) "UND" ("NICHT" der Erste der anderen) "UND" ("NICHT" der Zweite der anderen) usw.
Bei Verwendung des Minimumoperators als T - NORM und der oben dargestellten logischen Negation folgt für den, die Anforderung "Dieser und kein anderer ...." beschreibenden abzweigspezifischen Erfülltheitsgrad pe(i) für den i-ten Abzweig:
pe(i) = mm(pg(i),pc(i))
mit pc(i) = min(l - pg(k)) => pc(i) = max(pg(k)) k≠t
folgt: pe(i) = mm(pg(i), (pg(k)))
Alle dargestellten Verfahren sollten nur als eine von vielen möglichen Ausführungsvarianten betrachtet werden.
In Figur 3 ist ein Blockschaltbild für ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel zur Realisierung der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt.
Die Einrichtung umfaßt eine Abtasteinheit 10, mit welcher die oben beschriebenen, durch entsprechende bekannte Meßeinrichtungen und Meßwandler gelieferten Meßgrößen abgetastet werden können, nämlich die von den Abzweigstromwandlern gelieferten Signale für die Nullströme aller Abzweige, die von den Spannungsmeßwandlern kommenden Signale für die Phasen-Erdspannungen U-ιe, U2e, U3e, sowie das von der Spannungsmeßwicklung der Tauchkernspule oder einem zusätzlichen Spannungswandler gelieferte Signal für die Sternpunkt-Erdspannung Une (Verlagerungsspannung).
Weiters ist eine mit zumindest zwei Signalen für die Phasen-Erdspannung verbundene Synchronisiereinheit 11 vorgesehen, welche zur Bildung einer Phasenreferenz für die Abtasteinheit 10 eingerichtet ist. Diese Phasenreferenz wird an eine PLL-Einheit 12 (phase locked loop) geliefert, welche zur phasensynchronen Vervielfachung der Netzfrequenz dient und einerseits ein Ausgangssignal zur Abtastung der Meßsignale an die Abtasteinheit 10, andererseits ein Ausgangssignal an eine DFT-Einheit 14 (digital fourier transformation) zur Fourierreihenentwicklung der abgetasteten Meßwerte liefert.
Die Abgetasteten Meßwerte werden vorerst an eine Triggereinheit 13 übermittelt, in welcher die gemessenen Nullströme und die Verlagerungsspannung, bzw. die Phasen- Erdspannungen auf plötzliche Änderungen überwacht werden. Diese Triggereinheit 13 löst bei Überschreiten von vordefinierten Schwellwerten durch eine dieser Meßgrößen einen oder mehrere verfahrensbedingt vorgesehene Meßwertaufzeichnungszyklen aus. Die aufgezeichneten Meßzyklen werden in einem (nicht dargestellten) Speicher hinterlegt.
Die hinterlegten Meßwerte werden sodann durch eine Anzahl von Auswerteeinheiten 15, 16, 17, 18 durch je eine Auswertemethode ausgewertet. Beispielsweise kann die Einheit 15 zur Durchführung der oben beschriebenen Methode eins (Wischerverfahren), die Einheit 16 zur Durchführung der oben beschriebenen Methode zwei (Summenadmittanzverfahren), die Einheit 17 zur Durchführung der oben beschriebenen Methode drei (Oberwellenanalyse) und die Einheit 18 zur Durchführung der oben beschriebenen Methode vier (Nulladmittanzverfahren) vorgesehen sein. Jede Einheit 15, 16, 17, 18 liefert im Fall einer getriggerten Aufzeichnung und Auswertung von Meßgrößen, für jeden Abzweig ein Ergebnis betreffend den Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses an einem bestimmten Abzweig und ein weiteres Ergebnis für den Erfülltheitsgrad für das Vorliegen der Voraussetzungen zur Anwendung des jeweiligen Verfahrens.
Diese Erfülltheitsgrade werden in der Folge in einer Einheit 19 durch eine mehrwertige Logik, z.B. eine Fuzzy Logic, zu einem aussagekräftigen Ergebnis (Gesamterfülltheitsgrad) für jeden Abzweig verarbeitet und an eine Ausgabeeinheit 20 weitergeleitet, welche z.B. eine Anzeige, einen Alarm, einen Notbetrieb, eine Abschaltung od. dgl. auslöst.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung eines erdschlußbehafteten Abzweiges in einem gelöschten elektrischen Stromversorgungsnetz, welches die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: a) Auswählen physikalischer Meßgrößen und Messen dieser Größen, b) Ermitteln eines Erfulltheitsgrades für das Vorliegen eines Erdschlusses aus ausgewählten Meßgrößen und einem Leitungsmodell für jeden Abzweig mit Hilfe einer ersten Auswertemethode, c) Ermitteln eines Erfulltheitsgrades für das Vorliegen eines Erdschlusses aus ausgewählten Meßgrößen und einem Leitungsmodell für jeden Abzweig mit Hilfe zumindest einer zweiten Auswertemethode, welche sich zumindest hinsichtlich der ausgewerteten Meßgrößen und/oder dem Leitungsmodell und/oder der Auswertung von der ersten Methode unterscheidet, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: d) logische Verknüpfung der aus der ersten und der zumindest zweiten Methode ermittelten Erfülltheitsgrade für das Vorliegen eines Erdschlusses zu einem Gesamterfülltheitsgrad für jeden Abzweig, e) Anzeigen eines Erdschlusses für einen Abzweig, falls der Gesamterfülltheitsgrad für diesen Abzweig einen bestimmten Wert überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die logische Verknüpfung der ersten und der zweiten Methode durch Anwendung einer zwei oder mehrwertigen Logik, z.B. von Fuzzy Logic, durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgrößen zumindest die Sternpunkt-Erdspannung oder die Summe der Erdspannungen der einzelnen Phasen und die Nullströme oder die Summe der einzelnen Phasenströme aller Abzweige oder gleichwertiger Meßgrößen ausgewählt und gemessen werden.
4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur logischen Verknüpfung der Erfülltheitsgrade zu einem Gesamterfülltheitsgrad zusätzlich das Vorliegen der Voraussetzungen für die Anwendung der ersten und der zumindest zweiten Methode einbezogen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu der durch die erste oder die zweite Methode oder gegebenenfalls weiterer Methoden ermittelte Erfülltheitsgrad, welche den Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses an einem bestimmten Abzweig anhand einer bestimmten Methode darstellt, auch ein Erfülltheitsgrad für das Vorliegen der Voraussetzungen zur Anwendung dieser Methode ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses, ermittelt anhand einer bestimmten Methode für einen bestimmten Abzweig, als eine durch eine erste Fuzzymenge repräsentierte linguistische Variable, z.B. "Abzweig n ist nach Methode j erdschlußbehaftet" und der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen der Verfahrensvoraussetzungen für eine Methode als eine durch eine zweite Fuzzymenge repräsentierte linguistische Variable, z.B. "Verfahrensvoraussetzungen für Verfahren j sind erfüllt" definiert werden, und daß die
Entscheidung über das Vorliegen eines Erdschlusses durch eine Verknüpfung dieser Fuzzymengen mittels Fuzzy Logic getroffen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamterfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses an einem bestimmten Abzweiges durch das algebraische Produkt der Erfülltheitsgrade für das Vorliegen eines Erdschlusses mit den über einem vorbestimmten Schwellwert liegenden Erfülltheitsgrade der einzelnen Methoden ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamterfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses an einem bestimmten Abzweig durch das algebraische Mittel der mit den Verfahrenserfülltheitsgraden gewichteten
Erfülltheitsgrade für das Vorliegen eines Erdschlusses der einzelnen Methoden ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jener Abzweig als erdschlußbehaftet angezeigt wird, für welchen der Gesamterfülltheitsgrad aller Abzweige am größten ist.
10. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der ersten oder zweiten Methode anhand eines Leitungsmodells und der Meßgrößen für jeden Abzweig der transiente Umladevorgang unmittelbar nach Eintritt eines Erdschlusses, gegebenenfalls unter Einbeziehung von Meßgrößen, die vor Eintritt des Erdschlusses ermittelt werden, ausgewertet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung des transienten Umladevorganges durch Auswertung der Sternpunkt-Erdspannung oder der Phasen-Erdspannungen und der Nullströme oder der Summe der einzelnen Phasenströme aller Abzweige durchgeführt und unter Einbeziehung signifkikanter Abzweigparameter, z.B. der Summe der ohmschen und/oder kapazitiven Ableitungen, der Gleichanteil eines Fehlerstromintegrales für jeden Abzweig berechnet und daraus der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses ermittelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die signifikanten Abzweigparameter im erdschlußfreien Fall bei zwei unterschiedlichen Verlagerungsspannungen, z.B. bei zwei verschiedenen Stellungen einer Löschspule, bestimmt werden, wobei die Summe der ohmschen und/oder der kapazitiven Ableitungen durch Fourierreihenentwicklung der Grundwellenanteile obiger Meßgrößen berechnet werden und allenfalls einer Leitungsübertragungsfunktion aus der Fourierreihenentwicklung der Grundwelle sowie zumindest einer Oberwelle der ausgewählten Meßgrößen bestimmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fehlerstromintegrale zu paarweisen, nach dem Fehlereintritt gelegenen Zeitpunkten berechnet werden, bei welchen die Sternpunkt-Erdspannung gleich Null ist, und der Gleichanteil des Fehlerstromintegrales aus einem zu diesen Zeitpunkten ermittelten
Fehlerstromintegral-Wertepaar gebildet und zur Festlegung des Erfulltheitsgrades für das Vorliegen eines Erdschlusses herangezogen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses mittels einer relativen Fehlerfunktion, z.B. der Gleichanteil des Fehlerstromintegrales bezogen auf die Summe der Gleichanteile aller
Abzweige, festlegt wird.
15. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der ersten oder zweiten Methode anhand eines Leitungsmodells eine Auswertung von Differenznulladmittanzen jedes Abzweiges, das ist der Quotient der Differenzen zeitlich aufeinanderfolgender Meßgrößen für den Abzweig-Nullstrom und der Sternpunkt-
Erdspannung, durchgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Differenznulladmittanzen durch Messung der Sternpunkt-Erdspannung oder der Summe der Phasen-Erdspannungen und der Nullströme oder die Summe der einzelnen Phasenströme aller Abzweige durchgeführt wird, wobei aus der Differenz der
Meßgrößen von zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen, nämlich einer ersten Messung vor Eintritt eines Erdschlusses und einer zweiten Messung danach, für jeden Abzweig je eine Differenznulladmittanz der Meßgrößen vor und nach Eintritt Erdschlusses gebildet und zur Festlegung des Erfulltheitsgrades für das Vorliegen eines Erdschlusses herangezogen wird
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Größe, welche aus der Differenz des Realteils der Differenznulladmittanz für die Grundwelle und einem Schwellwert (gs), welcher beispielsweise durch die Summe der Realteile der Differenznulladmittanzen über jene Abzweige, deren Realteil der Differenznulladmittanz positiv ist, gegebenenfalls unter Einbeziehung der Eisen- und/oder Kupfer Verluste der Löschspule gebildet wird, der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses ermittelt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses aus dem, z.B. auf diesen Schwellwert normierten, Abstand des Realteils der Differenznulladmittanz vom Schwellwert für jeden Abzweig ermittelt wird.
19. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der ersten oder der zweiten Methode für alle Abzweige sowohl für die Grundwelle als auch einer oder mehrere vorbestimmte Oberwellen der Meßgrößen Differenznulladmittanzen berechnet werden und, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer abzweigspezifischen Leitungsübertragungsfunktion, für jede Oberwelle ein abzweigspezifischer Fehlerstrom bestimmt wird .
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerströme der vorbestimmten Oberwellen zu einer Fehlerfunktion zusammengefaßt werden, wobei die Fehlerfunktion beispielsweise durch die Summe der Quadrate der Beträge der Fehlerströme gebildet wird, und wobei mittels einer relativen Fehlerfunktion, z.B. die Fehlerfunktion bezogen auf die Summe der Fehlerfunktionen aller Abzweige, der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses festlegt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Differenznulladmittanzen durch Messung der Sternpunkt-Erdspannung oder der Mittelwerte der Phasen-Erdspannungen und der Nullströme oder der Summe einzelnen Phasenströme aller Abzweige durchgeführt wird, wobei aus der Differenz der Meß- großen von zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen, nämlich einer ersten Messung vor Eintritt eines Erdschlusses, einer zweiten und einer dritten Messung danach, wobei zwischen zweiter und dritter Messung die Sternpunkt-Impedanz, z.B. durch Verstellung der Löschspule, geändert wird, für jeden Abzweig zwei Differenznulladmittanzen, nämlich aus den Meßgrößen vor Erdschlußeintritt und den Meßgrößen vor bzw. nach Impedanzänderung, gebildet und die Differenz dieser zwei Differenznulladmittanzen zur Festlegung des Erfulltheitsgrades für das Vorliegen eines Erdschlusses herangezogen wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, daß der Erfülltheitsgrad für das Vorliegen eines Erdschlusses aus den relativen Absolutbeträgen der Admittanzdifferenzen für die Grundwelle, z.B. bezogen auf die Summe der Beträge der Admittanzdifferenzen, ermittelt wird.
23. Vorrichtung zur Bestimmung eines erdschlußbehafteten Abzweiges in einem gelöschten elektrischen Stromversorgungsnetz mit einer Einrichtung zum Messen physikalischer Meßgrößen und einer Auswerteeinheit zur Auswertung dieser Meßgrößen, wobei die
Auswerteeinheit eine Anzeigeeinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) zumindest zwei Verarbeitungseinheiten (15, 16, 17, 18) zur Auswertung der Meßgrößen mitteis zumindest zweier unterschiedlichen Auswertemethoden aufweist, wobei jede Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, für jeden Abzweig einen Erfülltheitsgrad für das
Vorliegen eines Erdschlusses zu ermitteln, und daß die Auswerteeinheit (10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) weiters eine Verknüpfungseinheit (19) zur logischen Verknüpfung der aus der ersten und der zweiten Verarbeitungseinheit (15, 16, 17, 18) gelieferten Erfülltheitsgrade zu einem Gesamterfülltheitsgrad aufweist.
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