SE446678B - Metod att detektera jordfel i net for distribution av elektrisk kraft och anordning for genomforande av metoden - Google Patents

Description

446 678 2 XC = nätets kapacitiva reaktans till jord (0/fas) XN = nollpunktreaktorns reaktans (Q) RO = nollpunktreaktorns inre resistans (Q) Uo = nätets nollpunktsspänning (V) U = nätets fasspänníng (V) (UC/U) x 100 _ jordfelets utbildningsgrad (%) I = nätets jordslutníngsström (A) IJR = den komposant av jordfelströmmen som är i fas med nollpunktsspänningen Uo (A) > IJR = toppvärdet av IJR (A) AIJ = ändring av nätets jordslutningsström (A) RF = övergångsmotstånd till jord i felstället (Q) Känd teknik Detektering av jordfel utförs som omtalat på flera olika sätt, bl a beroende på om och hur nätet är jordat.

Ett ojordat nät, dvs då RN = XN = m, kan förekomma då nätets totala lednings- längd inte är alltför stor. Jordslutningsströmmen blir på så vis begränsad av nätets kapacitiva reaktans till jord (XC) och eventuellt övergångsmotstån- det RF för felstället. Man använder här strömriktreläer som är känsliga för jordfelsströmmar som relativt nollpunktsspänningen är kapacítiva.

Direktjordade nät, dvs då RN = XN = O, förekommer mycket sällan på distribu- tionsnätsnivå då jordslutningsströmmen (IJ) kan anta mycket höga värden. Då direktjordning innebär att Uo är noll, utnyttjas endast Jordslutningsströmmen för selektiv jordfelsdetektering eller bortkoppling av felaktig linje. ~ 3 446 678 Jordning via nollpunktsresistor där HN är större än 509, förekommer i mindre och medelstora nät. Nollpunktsresistorn R väljs så att tillräcklig aktiv N eller som man också säger resistiv ström, dvs ström som ligger i fas med nollpunktsspänningen, erhålles vid jordfel. Nätet skyddas av strömriktreläer som är känsliga för resistiv jordfelsström och som matas med den ström som går via nollpunktsmotståndet.

Jordning med nollpunktsreaktor XN och nollpunktsresistor RN förekommer i större nät där den kapacitiva jordfelsströmmen annars skulle bli för hög.

Den kapacitiva jordslutningsströmmen kompenseras med nollpunktsreaktorn så, att man får ett avstämt nät. För selektiv bortkoppling av jordfelsbehäftad anläggningsdel används strömriktreläer som är känsliga för resistiv jordfels- ström, dvs strömmen genom nollpunktsmotstândet. Ibland finns speciell automa- tik som handhar ur- och inkoppling av nollpunktsmotståndet så att chans till självsläckning av felet ges, innan någon reläfunktion tar vid och kopplar bort linjen.

Jordning med nollpunktsreaktor XN förekommer i mycket stora nät. För övrigt gäller samma som vid jordning med reaktor och resistor, dock förutsättes att nollpunktsreaktorns inre resistans Ro skall vara tillräckligt hög så att en resistiv strömkomponent skall kunna utvärderas.

Tekniskt problem De komponenter och system för jordfelsmätning, identifiering och bortkoppling som används idag kan, som delvis framgått av det som har redovisats, på grund av olika jordningsprinciper inte göras lika. Den önskvärda känsligheten och snabbheten kan heller inte uppnås.

I direktjordade nät kan dock teoretiskt en relativt hög känslighet för jord- felsskydden erhållas med möjlighet till selektiv detektering av fel med höga övergångsmotstånd. Jordningen är dock som omtalat tidigare mindre vanligt förekommande på grund av de mycket höga jordfelsströmmar som kan uppträda.

Ojordade nät ger också relativt goda möjligheter till selektiv detektering av jordfel med hög övergångsresistans. Ojordade nät är dock mindre vanliga, eftersom bara små nät kan komma ifråga. Dessutom vill man oftast undvika ojordade nät med tanke på risken för intermittenta jordfel. .20 446 678 1* I nät som är resistansjordade med ett RN motsvarande en jordfelsström på 2-15 A, och nät med reaktorjordning tillsammans med resistansjordning ger strömriktreläer som är känsliga för resistiva jordfelsströmmar varierande känslighet för jordfel med hög övergångsresistans. Känsligheten beror till stor del på nätets storlek. Generellt sett kan dock sägas, att stora nät ger begränsade möjligheter till god selektiv detektering av högohmiga jordfel.

De tre väsentligaste orsakerna till den begränsade känsligheten hos ström- riktreläer som är känsliga för resistiv jordfelsström är följande: Vid låga jordfelsströmmar, där den kapacitiva eller den induktiva kompo- santen är dominerande kan strömtransformatorns vinkelfel förorsaka felmät- ning.

Vid fel med låg utbildningsgrad har effekt- och strömriktreläer svårigheter au: mäta I x caaq» vid stora a, avs i området a = 8o° _ 9o°.

Av praktiska skäl kan man inte ställa in reläernas känslighet godtyckligt högt. Detta kan ha flera orsaker, såsom läckströmmar vid isolatorer, spon- tana kontakter med vegetation eller saltstormar nära havskuster. En för hög känslighet hos jordfelsskydden skulle därför resultera i obefogade utlösningar.

Det finns ett uttalat önskemål från elkraftdistributörernas sida att kunna detektera jordfel med högre övergångsresistans RF i felstället än vad man för närvarande klarar (fl'3 kfl).

Det är ett välkänt faktum att jordfel som inte lokaliseras och kopplas bort i tid kan leda till personskada eller brandfara. Av speciellt intresse torde här vara s k bakmatade jordfel, dvs fel där en fas får avbrott och jordfel uppstår i fasen efter avbrottsstället med matning via belastningsobjektet.

Dessa fel kan idag förbli oupptäckta under lång tid.

Ett önskemål är en standardisering av reläskydden så att samma komponenter och system kan användas vid olika nät, oberoende av nätstorlek, jordning m m.

Fördelar De tekniska problem som har redovisats kan tillstordel övervinnas och nämnda önskemål kan uppfyllas medelst metoder och anordningar enligt denna uppfin- ning, vars kännetecken framgår av patentkraven. 446 678 Bland de fördelar som uppnås skulle följande kunna nämnas: I Betydligt högre känslighet för jordfel med hög övergångsresistans.

- Ett enhetligt och generellt skydd som passar alla typer av nät.

- Kravet på strömtransformatorer kan anses måttligt med tanke på att syste- matiska avvikelser kompenseras bort.

- Besparingar kan göras i högspänningsutrustning såsom nollpunktsmotstånd som inte behöver vara allt för effekttåligt.

- God ekonomi vid större stationer.

- Hög flexibilitet m a p speciella funktionskrav.

- Förbättrade möjligheter till automatisk övervakning av reläskyddssystemet.

Detta kan ske så att mätenheten övervakar sig själv samt att man med en särskild dator med jämna mellanrum gör s k rutintest av hela reläsyste- met. _ - Systemet kan lätt kompletteras med automatik för återinkoppling samt noll- punktsautomatik utan stora kostnader.

Lösning av problemen Principen för den metod som uppfinningen anger för att lösa omtalade problem framgår av patentkraven och följande: Jordfelsströmmen (IJ) för varje linje uppmätes och den linje, vilken uppvisar störst resistiv jordfelsström (IJR) alternativt störst jordfelsström (IJ) eller störst ändring i jordfelsström (AIJ) utväljes, varefter den uppmätta resistiva jordfelsströmmen (IJR) alternativt jordfelsströmmen (IJ) eller änd- ringen i densamma i den utvalda linjen jämförs med åtminstone ett förutbestämt referensvärde och en felindikering erhålles vid en nivå överstigande referens- värdet. Den resistiva jordfelsströmmen för samtliga linjer uppmätes momentant då nollpunktsspänningens derivata byter tecken, dvs Ehn uppmätes, varefter de uppmätta värdena summeras för varje linje, så att summan blir ett mått på _ 446 678 6. beloppet av den aktiva komposanten av jordfelsströmmen. Alternativt kan jord- felsströmmen (IJ) uppmätas momentant för samtliga linjer vid ett flertal mät- tillfällen under varje period av nätfrekvens och att ett bestämt antal av de uppmätta värdena summeras för varje linje bakåt i tiden för att på så sätt bilda ett mått på beloppet av nämnda jordfelsström. Skillnaden mellan uppmätt värde vid ett mättillfälle och uppmätt värde vid motsvarande mättillfälle under föregående period bildas kontinuerligt. Summan av beloppen av de för varje mättillfälle erhållna enskilda skillnaderna i jordfelsström under två perioder av nätfrekvens bildas, varur ändringen i jordfelsström (AIJ) skapas.

Mätningen av jordfelsströmmen (IJR) initieras och fortgår så länge som nätets nollpunktsspänning (UO) uppnår ett visst förutbestämt värde.

I anordningen som uppfinningen anger för att lösa omtalade problem ingår organ för att mäta jordfelsströmmen (It) för varje linje, organ för att ut- välja den linje, vilken uppvisar störst aktiv jordfelsström (IJR), störst jordfelsström (IJ) eller störst ändring i jordfelsström, organ för att jäm- föra uppmätt resistiv jordfelsström (IJR) alternativt uppmätt jordfelsström (IJ) eller ändringen i densamma med åtminstone ett förutbestämt referensvärde, och organ för att avge en felindikerande utsignal vid en nivå överstigande referensvärdet.

I nämnda organ ingår en för varje linje inrättad anpassningsenhet anordnad att på sin ingång mottaga respektive linjes jordfelsström (IJ) och en efter anpassningsenheterna ansluten mätenhet för jordfelsströmmen, uppvisande en för varje linje inrättad utgång, vilka utgångar är inrättade att avge felindi- kerande utsignaler.

I nämnda organ ingår även en mätenhet för nollpunktsspänning (üè) anordnad att på sin ingång mottaga nollpunktsspänning och att på sin utgång avge en utsignal, som om amplituden uppnår ett förutbestämt värde, ger information om, när nollpunktspänningens derivata byter tecken.

Nämnda mätenhet för jordfelsström (IJ) är inrättad att uppmäta såväl änd- ringen i jordfelsström (AIJ) som jordfelsströmmens absoluta värde eller dess aktiva komposant, och att vid ett värde överstigande ett förutbestämt referensvärde avge en felindikerande utsignal.

Uppfinningen går ut på att samtliga linjers jordfelsström (IJ) mätes och jämförs inbördes. Den största av strömmarna jämförs med en inställd referens.

Y_ 446 678 Två tillvägagångssätt finns vid mätning av IJ. Det ena sättet (Mätsätt 1) mäter momentanvärdet av strömmen två gånger per nätfrekvent period vid en tidpunkt som motsvarar 1 fas 900 efter nollpunktsspänningens nollgenomgång, dvs man mäter den resistiva jordfelsströmskomposantens toppvärde. Detta sätt kräver följaktligen ett nollpunktsmotstånd, men är i övrigt oberoende av nätets utformning.

I det andra mätsättet för IJ (Mätsätt 2) mäts momentànvärdet vid tidpunkter styrda av en intervallklocka. Detta sätt kräver i princip ingen mätning av nollpunktsspänningen Uo då synkroniseringen till kraftfrekvens sker med hjälp av intervallklockan. Sättet ställer heller inga krav på nollpunkts- motståndet vare sig det finns eller ej.

Den samtidiga mätningen av samtliga linjers toppvärde vad resistiv jordfels- ström beträffar, respektive vad momentanvärdesmätningar styrda av intervall- klockan beträffar, möjliggörs tack vare användning av en flerkanalig s k multiplexad A/D-omvandlare, dvs en mycket snabb signalomkopplare med analog ingång och digital utgång.

Kort beskrivning av ritningar Uppfinningen kommer nu att beskrivas med hjälp av två stycken utföringsformer med referens till bifogade ritningar.

Fig 1 visar det fall då man endast utnyttjar toppvärdet av jordfelsström- komposanten som ligger i fas med nollpunktsspänningen. Block nr 2 avser en multiplexad A/D-omvandlare. Block nr 7 och 13 avser en demultiplexer. Block nr 10 avser en max-sökare, dvs ett element som avsöker ett antal inkommande signaler och tar reda på vilket som är störst. Max-sökaren har två utgångar, den ena anger max-värdet och den andra anger vilken av inkommande linjer som har max-värdet.

Fig 2 avser en utföringsform där man bevakar både jordfelsströmmen som sådan och ändringen i jordfelsström och låter den av strömmarna som först når ett för vart och ett av dessa på förhand inställt referensvärde, åstadkomma ut- lösningssignal.

Beskrivning av utföringsformer Principiellt kan en utföringsform av uppfinningen då Mätsätt 1 kommer till användning beskrivas med hjälp av fig 1. Samtliga linjers jordfelsström, 446 678 vilka i normalfallet är praktiskt taget noll, är tillgängliga i form av signalernaIJ1,IJ2 osv. Den uppmätta strömmen passerar en anpassningsenhet (1), där strömsignalen omformas till en lämplig spänning och där även filtrering sker. Varje linje har sin egen anpassningsenhet. Utgången från anpassningsenheterna är anordnad att kopplas till en multiplexad A/D-omvand- lare (2). I anordningen ingår en mätenhet (3) för nollpunktsspänningen. Då denna överstiger ett inställt referensvärde Uoref (4) öppnar tröskelelemen- tet (5) för passage av U0 till den multiplexade A/D-omvandlarens styrpuls- don (6). Detta don avger startimpuls till den multiplexade A/D-omvandlaren varje gång Uo passerar ett maximum- Mätning av samtliga linjeströmmars momen- tanvärde sker vid denna tidpunkt. Detta värde motsvarar toppvärdet av den komposant av jordfelsströmmen som är i fas med nollpunktsspänningen. Den multiplexade A/D-omvandlaren avger ett digitalt värde för varje linje som motsvarar EJH. Dessa värden tillföres en demultiplexer (7) som är styrd av samma styrpulsdon (6), varefter de uppmätta värdena tillföres och lagras i ett minne (8) för varje linje. Nästa gång pulsdonet (6) avger startimpuls, dvs nästa gång Uo passerar ett maxvärde, sker en ny mätning av IJR för varje linje. Det digitala värdet summeras i summatorn (9) till det värde som finns i respektive minne (8). I takt med pulsdonets (6) pulsavgivning avsökes samt- liga minnen (8) av en max-värdessökare (10). Från max-värdessökaren erhålles information om det maximala summerade värdet samt vilken linje som har detta värde. Strömvärdet jämföres med ett inställt referensvärde IJRref (11) och då strömvärdet blir större än IJRref erhåller demultiplexorn (13) en signal.

Demultiplexorn styrs via linjeinformationer från max-sökaren (10) så att den linje, som har en så stor jordfelsström att motsvarande signal passerar tröskel- elementet, får en utlösningssignal u.

Principiellt kan en utföringsform av uppfinningen då Mätsätt 2 kommer till användning beskrivas med hjälp av fig 2. Samtliga linjers jordfelsström är tillgängliga i form av signalerna IJ1, IJ2 osv. Den uppmätta strömmen passerar en anpassningsenhet (1) där strömsignalen omformas till en lämplig spänning och där även filtrering sker. Varje linje har sin egen anpassningsenhet. Ut- gången från anpassningsenheterna är anordnad att kopplas till en multiplexad A/D-omvandlare (2). I anordningen ingår en intervallklocka (3). Klockan (3) genererar startpulser till den multiplexade A/D-omvandlaren ett fast antal gånger per period. Startpulserna återkommer med samma intermittens och den n:te pulsen i en period återkommer i nästa period vid samma fasläge relativt det matande nätet. Varje momentant, för varje linje, mätt och till digitalt omvandlat värde tillföres dels direkt till en demultiplexer (U), dels via en 11' 446 678 tidsfördröjning (5) på en period till en annan demultiplexer (6). Demulti- plexrarna (U) och (6) styrs av intervallklockan (3) med samma startpulser som den multiplexade A/D-omvandlaren (2). Skillnaden mellan varje linjes momentanvärde och motsvarande värde en period tidigare för varje mättill- fälle erhålles med hjälp av differensbildarna (7), (8) och motsvarande för samtliga linjer- De via demultiplexern (H) förmedlade värdena tillföres ett minne (9). Varje gång intervallklockan (3) avger en startpuls tillkommer för varje linje ett nytt mätvärde. En summering av mätvärdena per period erhålles med summatorerna (10). Det för varje period erhållna värdet representerar ett mått på jordfelsströmmen under denna period. En uppdatering av minnet sker för varje period. Samma procedur upprepas för de värden som represen- terar förändringsströmmarna, dvs utgångssignalerna från differensbildarna (7), (8) osv, vilka tillföres minne (11) och behandlas i summator (12). Den enda olikheten utgörs av att ändring i jordfelsström AIJ bildas som summan av beloppen av de för varje mättillfälle erhållna enskilda skillnaderna i jordfelsström under två perioder av nätfrekvens. I max-avsökarna (13) och (1U), som också styrs av intervallklockan (3), avsökes samtliga värden och på utgångarna erhålles information om vilken linje (line "i") som har störst jordfelsström I och ett värde som motsvarar strömmens storlek respek- tive vilken linje (lin: "ii") som har störst förändringsström AIJ och ett mått på värdet. Strömvärdet IJMAX jämföres med ett referensvärde IJref (15).

Tröskelelementet (16) avger signal till eller-elementet (17) då IJMAX > IJref.

Eller-elementets (17) utgång kopplas via ett inställbart tidsfördröjnings- element (18) till och-elementet (19). Det andra kriteriet på att utlösnings- signal (u) skall utgå är att nollpunktsspänningen överstiger ett inställt referensvärde Uoref (20). Tröskelelementet (21) avger signal till och-elemen- tet (19) då U0 > Uoref. Och-elementets (19) utgång är kopplad till demulti- plexorn (22) som med hjälp av linjeínformationen line "i" avger utlösnings- signal (u) till felbehäftad linje. Maxvärdessökarens (14) ntsignaler leds till var sitt minne (23 och Zß). Dessa minnen nollställs och uppdateras kon- tinuerligt vid varje sökning i max-sökaren. Utgången från minne (23) som mot- svarar AIJMAX jämförs med ett inställt referensvärde AIJref (25) och då AIJ insignal till eller-elementet (17). Tröskelelementets (26) utsignal tillföres MAX > AIJref ger tröskelelementet (26) utsignal som tillföres som en andra också ett låselement (27) som då signal erhålles under en viss tid blockerar minnena (23 och 24). Detta arrangemang behövs för att säkerställa att informa- tionen från max-sökaren (14) finns kvar efter den tidsfördröjning som elemen- tet (18) ger. Linjeinformationen (line "ii") för styrning av utlösningsfunk- tionen till rätt linje finns då kvar och tillföres demultiplexern (22).

Claims (10)

446 678 1°_ PATENTKRAV

1. Metod att detektera jordfel i nät för distribution av elektrisk kraft från en kraftstation från vilken utgår ett antal i nätet ingående linjer med hjälp av att jordfelsströmmen IJ för varje linje uppmätes (1,1), (2,1), k ä n n e t e o k n a d därav, att den linje utväljes, vilken uppvisar störst aktiv jordfelsström IJR (1,10), alternativt störst jordfelsström IJ eller störst ändring i jordfelsström AIJ (2,13)/(2,1ü), varefter den upp- mätta jordfelsströmmen eller ändringen i densamma i den utvalda linjen jäm- föres (1,12), (2,16), (2,26) med åtminstone ett förutbestämt referensvärde (1,11), (2,15), (2,25) och en felindikering erhålles (1,13), (2,22) vid en nivå överstigande referensvärdet.

2. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att jord- felsströmmen IJR uppmätes momentant (1,2) då nollpunktspänningens derivata byter tecken (1,6), varefter de uppmätta värdena för varje linje summeras (1,3), (1,9) så att summan blir ett mått på beloppet av den aktiva komposan- ten av jordfelsströmmen-

3. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att jord- felsströmmen IJ uppmätes momentant (2,2) vid ett flertal mättillfällen (2,3) under varje period av nätfrekvens och att ett bestämt antal av de uppmätta värdena för varje linje summeras (2,9), (2,10) bakåt i tiden för att på så sätt bilda ett mått på beloppet av nämnda jordfelsström IJ.

4. Metod enligt patentkrav 1 och 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att skillnaden mellan uppmätt värde vid ett mättíllfälle och uppmätt värde vid motsvarande mättillfälle under föregående period bildas (2,7), (2,8) konti- nuerligt.

5. - Metod enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att summan av beloppen av de för varje mättillfälle erhållna enskilda skillnaderna i jordfelsström IJ under två perioder av nätfrekvens bildas (2,12), varur änd- ringen i jordfelsström AIJ (2,11) skapas.

6. Metod enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att mät- ningen av jordfelsströmmen IJR initieras och fortgår så länge som nätets uppmätta nollpunktsspänning Uo (1,3) uppnår visst förutbestämt värde (1,U). 11 446 678

7. Anordning för genomförande av en metod att detektera jordfel i nät för distribution av elektrisk kraft från en kraftstation från vilken utgår ett antal 1 nätet ingående linjer, och där varje linjes jordfelsström IJ upp- mätes (1,1), (2,1), k ä n n e t e c k n a d därav, att i anordningen ingår organ för att utvälja den linje som uppvisar störst aktiv jordfelsström IJR (1,10), störst jordfelsström IJ (2,13) eller störst ändring i jordfelsström AIJ (2,1ü), organ för att jämföra den uppmätta jordfelssträmmen eller änd- ringen i densamma (m2), (2,6), (2.26) med åtminstone ett förutbestamc lreferensvärde (1,11), (2,15), (2,25) och organ (1,13), (2,22) för att avge en felindikerande utsignal vid en nivå överstigande referensvärdet (1,11), (2,15), (2,25).

8. Anordning enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a d därav, att i nämnda organ ingår en för varje linje inrättad anpassningsenhet (1,1), (2,1) anordnad att på sin ingång mottaga respektive linjes jordfelsström IJ och en efter anpassningsenheterna ansluten mätenhet för jordfelsströmmen (1,2), (1,7--1,13) och (2,2-~2,27) uppvisande en för varje linje inrättad utgång (1,13), (2,22), vilka utgångar är inrättade att avge felindikerande utsig- naler.

9. Anordning enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d därav, att i nämnda organ ingår en mätenhet för nollpunktsspänning Uo (1,3--1,6), anord- nad att på sin ingång mottaga nollpunktsspänníng och att på sin utgång avge en utsignal, som om amplituden uppnår ett förutbestämt värde (1,U) ger in- formation om, när nollpunktsspänningens derivata byter tecken (1,6).

10. Anordning enligt något av patentkraven 7-9, k ä n n e t e G k n a d därav, att nämnda mätenhet för jordfelsström IJ är inrättad att uppmäta såväl ändringen i jordfelsström AIJ som jordfelsströmmens absoluta värde eller dess aktiva komposant, och att vid ett värde överstigande ett förut- bestämt referensvärde avge en felindikerande utsignal.