WO1996027138A1 - Verfahren zur erkennung eines einpoligen erdschlusses in einem drehstromnetz - Google Patents

Verfahren zur erkennung eines einpoligen erdschlusses in einem drehstromnetz Download PDF

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WO1996027138A1
WO1996027138A1 PCT/AT1996/000030 AT9600030W WO9627138A1 WO 1996027138 A1 WO1996027138 A1 WO 1996027138A1 AT 9600030 W AT9600030 W AT 9600030W WO 9627138 A1 WO9627138 A1 WO 9627138A1
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earth
admittance
fault
time
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PCT/AT1996/000030
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French (fr)
Inventor
Gernot Druml
Klaus Papp
Original Assignee
Haefely Trench Austria Gmbh
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting a single-pole earth fault on a line outlet in a three-phase network, which is operated with an earth fault quenching coil for resonance grounding of the star point, with the steps:
  • the known methods for the detection of single-pole earth faults can essentially be divided into two groups.
  • the methods of the first group (see e.g. EP 0 082 103) are based on the assumption that the sum of all ohmic currents of the zero-sequence system flows through the fault location, so that the active component of the zero-sequence current is a variable that determines the faulty outlet.
  • With high-resistance connections however, only very small active currents occur, which are lost in the measurement inaccuracy of the transducers, which is approximately 1% in the case of active power directional relays.
  • a somewhat greater measurement accuracy can be achieved by precise coordination of the burden, current and angle errors of the measuring transducers, this is extremely difficult in practice with existing systems and the limits of the measurement inaccuracy are soon reached here too.
  • the method of increasing the residual current is therefore frequently used, for example by switching on an ohmic resistor in the zero system, in order to artificially increase the active component and to facilitate the response of the active power directional relays.
  • the current through the fault point is essentially determined by the resistance at the fault It determines where the resistance switched on for increasing the residual current is negligible, so that the increase in residual current does not show the desired success with high-resistance earth faults.
  • the second group of known methods is essentially based on the assumption that a zero current proportional to the over- or under-compensation of the earth-fault cancellation coil flows through the fault location.
  • a faulty outlet By changing the reactance, for example by detuning the earth-fault quenching coil or switching capacitances on and off (also known as "pulse location", see for example DE 27 11 629) and observing the . Total current of the individual outlets, a faulty outlet can be determined.
  • the second group of processes and the related process of WO 92/18872 also only work properly with low-ohmic earth faults.
  • the displacement voltage also changes as a result of the change in the impedance of the erasing coil, so that the greatest change in total current is no longer indicated in the faulty outlet, but in the outlet with the greatest earth capacitance.
  • these methods can only be carried out with a sufficiently large over- or under-compensation, because detuning the reactance in the vicinity of the resonance point only leads to very small, no longer detectable current changes, a symmetrical one Detuning around the resonance point even with no current change at all.
  • earth faults with an earth contact resistance of greater than 5 k ⁇ are referred to as high-impedance earth faults, although in common usage earth earth resistances of greater than 1 k ⁇ are referred to as "high resistance" because they can no longer be determined using the known methods .
  • High-resistance earth faults occur, for example, when a fallen tree touches a line (40 k ⁇ to 100 k ⁇ ), a conductor cable falls after a cable break on dry sand, dry rocks, snow or ice, or in the event of a rear cable break, in which a conductor cable returning from the consumer touches the earth with a low resistance, but there is a high-resistance earth fault from the supplier side because the impedance of the consumer-side transformer or the consumer is included in the earth fault.
  • high-resistance earth faults are very dangerous. Although the current at the fault location is reduced due to the high resistance, very high step and touch voltages result for the same reason. At the same time, a high-impedance earth fault can hardly be seen with the eye, because the low fault current does not cause any damage that can be seen with the eye.
  • the invention therefore aims to provide a method of the type mentioned in the introduction, which is capable of detecting high-resistance earth faults. This goal is achieved according to the invention with a method of the type mentioned in the introduction, which is characterized by the further steps:
  • This method is based on a completely new concept.
  • the relevant components of the earth fault circuit are calculated directly, taking into account that the feeder already has a certain "natural" asymmetry in fault-free operation.
  • the parameters defined here for the outgoing, earth admittance and asymmetry admittance are determined in error-free operation from the first two measuring points and stored as reference values. This allows an additional asymmetry caused by an earth fault to be determined by comparison with the reference values. With this type of comparison measurement, measurement errors of the transducers are canceled out.
  • the method is able to detect high-resistance earth faults, e.g. in the range from 40 to 100 k ⁇ .
  • the process represents a decisive breakthrough in protection technology.
  • the described change of the displacement voltage in order to achieve the second measuring point can be brought about by any measure known in the art.
  • a particularly preferred embodiment of the method according to the invention which in particular enables continuous monitoring of a network, is characterized in that steps (d) to (f) periodically, preferably for further points in time that take the place of the third point in time repeated every 20 ms until an earth fault is indicated.
  • steps (d) to (f) periodically, preferably for further points in time that take the place of the third point in time repeated every 20 ms until an earth fault is indicated.
  • a further preferred embodiment variant consists of repeating steps (a) to (c) in the event of an earth fault being displayed in order to obtain a second set of reference values, that the earth capacitance determined from the first reference value of earth admittance is equal to that of the second reference value of the earth admittance is compared, and that in the event of a significant difference, the reference values of the second set, as long as the second reference value of the asymmetry admittance lies within a permissible range, are stored as new reference values and the previous display of an earth fault is canceled, whereas if there is no significant difference, the display of the earth fault is maintained.
  • This variant of the method is based on the knowledge that the connection or disconnection of a line section at the outlet may also change the asymmetry of the outlet, i.e. a supposed error admittance, but in this case the change in line length must also be accompanied by a corresponding change in earth capacitance.
  • This method variant can therefore be used to distinguish between a deliberate switching process at the outlet and an earth fault.
  • the method is carried out for a plurality of outgoers of a busbar, in the event that earth faults are indicated on a plurality of outlets, that outlet is determined and displayed, which has the largest amount of error admittance.
  • very low-resistance faults that is to say very large values of the zero sequence voltage
  • the measure described serves to ensure reliable identification of the faulty outlet also in this case.
  • the method according to the invention comprises the further step of determining the phase conductor of the outgoing circuit which is subject to earth faults by comparing the angle of the error admittance related to the angle of the zero sequence voltage with the angles of the phases of the three-phase network .
  • FIG. 1 shows the block diagram of a measuring arrangement for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 2 shows the simplified equivalent circuit diagram of a three-phase system with an inductively grounded star point, an outgoing circuit and a high-impedance fault
  • FIGS. 3 to 5 transfers and simplifications of the circuit diagram from FIG. 2,
  • FIG. 6 shows an expansion of the circuit diagram from FIG. 5 and FIG. 7 exemplary values for Y u and Yf in the complex plane.
  • 1 shows the measuring arrangement used in the method in connection with a three-phase network, which comprises a transformer Tr, a busbar SS and outlets A 1 to A n .
  • the star point of the transformer is grounded via a ground fault quenching coil ZN (Petersen coil).
  • the displacement voltage U D occurring at the earth-fault quenching coil ZN is measured vectorially, ie according to magnitude and phase or real and imaginary part, and fed to a measuring and control device 1.
  • At the outlets A ⁇ to A n the zero currents or Total currents I 0 ] _ to I on also measured vectorially and fed to the measuring and control device 1.
  • the measuring and control device 1 controls a device 2 for changing the impedance of the earth-fault canceller ZN tmd / or a device 3 for additional wiring of the star point and / or one of the phases of the three-phase network in order to temporarily change the zero sequence voltage U 0 cause.
  • the impedance of the earth-fault cancellation coil ZN can be changed directly by adjusting the air gap, or the secondary side of the earth-fault cancellation coil can be connected to an ohmic resistor, an inductor, a capacitor or a defined current feed, which is indicated by the device 2, and / or the star point or a phase L1, L2 or L3 can be connected to an ohmic resistor, an inductor, a capacitor or a defined current feed, as indicated by the device 3.
  • Such measures or devices are known to the person skilled in the art so that they do not have to be explained or illustrated in more detail.
  • FIG. 2 shows the simplified equivalent circuit diagram of the three-phase network of FIG.
  • ZN is the impedance of the earth fault cancellation coil
  • ZI are the symmetrical independent self-impedances of the three voltage sources El, E2 and E3, which are offset by 120 ° to each other
  • ZI is the longitudinal impedance of the line
  • Y a are the admittances of the three phase conductors L1, L2 and L3 against earth, which essentially consist of the earth capacitance of the phase conductors
  • ZF is the complex resistance at the fault location.
  • the fault impedance 3ZF can be understood as the internal impedance of a voltage source El, which feeds the parallel resonant circuit from earth-fault cancellation coil 3ZN and earth admittance Y a .
  • the circuit diagram of Fig. 5 thus contains two unknown values, Y a and Y u . If U 0 and I 0 are measured at two different times t1 and t2 before and after an active change in U 0 caused by means 2 and / or 3, two equations can be set up for two unknowns:
  • the earth capacitance C e of the outlet corresponds to the imaginary part of Y a :
  • phase of Y u shows the actual phase position of the feeding voltage source El of the natural capacitive asymmetry.
  • the range is limited for which the assumption applies that the displacement voltage U 0 is only due to the natural capacitive asymmetry of the network is caused. If the asymmetry admittance Y u exceeds the threshold value K2, then in this calculation step the outlet is recognized as having a ground fault.
  • the calculated values Y a and Y u are used as reference values for further monitoring.
  • the equivalent circuit diagram of FIG. 5 can be expanded to the equivalent circuit diagram of FIG. 6.
  • the high-impedance error causes the parallel resonant circuit consisting of earth-fault cancellation coil ZN, earth admittance Y a and asymmetry admittance Y 0 to be additionally supplied by a voltage source El, which has the magnitude of the phase voltage, via an error admittance Yf initially regarded as complex.
  • the following equation can be established by measuring the values of U 0 and I 0 at the third time t3:
  • the amount of Yf indicates the magnitude of the high-resistance fault and the angle of Yf, corrected by the angle of U ⁇ , the phase L1, L2 or L3 in which the fault can be found. This is illustrated using the diagram in FIG. 7.
  • the asymmetry of the faulty outlet A2 is shifted by a vector that is equal to the error admittance Yf.
  • the magnitude of the vector is inversely proportional to the resistance of the earth fault, and the direction of the vector indicates the phase in which the earth fault occurs compared to the directions of the phases L1, L2 and L3.
  • the angle of the error admittance Yf reduced by the angle of the zero sequence voltage U 0 is antiparallel to the angle of the earth fault phase.
  • the earth fault is located on the phase conductor of phase L1 of output A2.
  • K2 indicates the tolerance range in which the reference values of the natural asymmetry Y u must lie, so that an outgoing circuit is not recognized as having a ground fault after the determination of the reference values.
  • the newly determined values Y a2 and Y U2 are used as new reference values Y a and Y u taken over for further monitoring.
  • Y f is preferably determined every 20 ms, so that even short self-extinguishing earth faults can be detected.
  • the method according to the invention can be carried out automatically with the aid of a correspondingly programmed measuring and control device 1.
  • the implementation of the described method as a program is well known to the person skilled in the art and need not be explained in more detail.

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Abstract

Verfahren zur Erkennung eines einpoligen Erdschlusses auf einem Leitungsabgang in einem Drehstromnetz, das mit einer Erdschlußlöschspule zur Resonanzerdung des Sternpunktes betrieben wird, mit den Schritten: a) Bilden eines ersten Meßwertepaares (Uo1, Io1) zu einem ersten Zeitpunkt (t1); (b) Verändern der Verlagerungsspannung zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) und Bilden eines zweiten Meßwertepaares (Uo2, Io2) zum zweiten Zeitpunkt (t2); (c) Ermitteln der Erdadmittanz (Ya) des Abganges und einer Unsymmetrieadmittanz (Yu) als Innenadmittanz einer den Parallelschwingkreis aus Erdschlußlöschspule und Erdadmittanz (Ya) speisenden Spannungsquelle aus den beiden Meßwertepaaren (Uo1, Io1; Uo2, Io2) und Speichern der ermittelten Werte (Ya, Yu) als Referenzwerte; (d) Bilden eines dritten Meßwertepaares (Uo3, Io3) zu einem dritten Zeitpunkt (t3); (e) Ermitteln einer Fehleradmittanz (Yf) als Innenadmittanz einer den Parallelschwingkreis aus Erdschlußlöschspule, Erdadmittanz (Ya) und Unsymmetrieadmittanz (Yu) speisenden Spannungsquelle aus dem dritten Meßwertepaar (Uo3, Io3) unter Verwendung der gespeicherten Referenzwerte (Ya, Yu); und (f) Anzeigen eines Erdschlusses, wenn die Fehleradmittanz (Yf) einen vorgegebenen Betrag (K1) überschreitet.

Description

Verfahren zur Erkennung eines einpoligen Erdschlusses in einem Drehstromnetz
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahr-en zur Er- kennung eines einpoligen Erdschlusses auf einem Leitungsabgang in einem Drehstromnetz, das mit einer Erdschlußlöschspule zur Resonanzerdung des Sternpunktes betrieben wird, mit den Schrit¬ ten:
(a) vektorielles Messen der Verlagerungsspannung des Sternpunktes und des Summenstromes des Leitungsabganges zu ei¬ nem ersten Zeitpunkt, um ein erstes Meßwertepaar zu bilden;
(b) Verändern der Verlagerungsspannung über eine Zeit¬ spanne, die einen zweiten Zeitpunkt einschließt, und vektoriel¬ les Messen der Verlagerungsspannung und des Summenstromes des Leitungsabganges zum zweiten Zeitpunkt, um ein zweites Meßwer¬ tepaar zu bilden.
Die bekannten Verfahren zur Erkennung einpoliger Erd¬ schlüsse lassen sich im wesentlichen in zwei Gruppen untertei¬ len. Die Verfahren der ersten Gruppe (siehe z.B. EP 0 082 103) beruhen auf der Annahme, daß die Summe aller ohmschen Ströme des Nullsystems über die Fehlerstelle fließt, so daß der Wirk¬ anteil des Nullstromes eine den fehlerhaften Abgang bestimmende Größe ist. Bei hochohmigen Erschlüssen treten jedoch nur sehr kleine Wirkströme auf, die in der Meßungenauigkeit der Meßwand¬ ler untergehen, welche bei Wirkleistungs-Richtungsrelais etwa 1% beträgt. Zwar kann durch eine genaue Abstimmung der Bürde, Strom- und Winkelfehler der Meßwandler eine etwas größere Me߬ genauigkeit erzielt werden, doch ist dies bei bestehenden Anla- gen in der Praxis ausgesprochen schwierig und die Grenzen der Meßungenauigkeit sind auch hier bald erreicht.
Bei Wirkleistungs-Richtungsrelais als Meßwandler wird da¬ her häufig das Verfahren der Reststromerhöhung angewandt, bei¬ spielsweise durch Einschalten eines ohmschen Widerstandes in das Nullsystem, um die Wirkkomponente künstlich zu erhöhen und das Ansprechen der Wirkleistungs-Richtungsrelais zu erleich¬ tern. Bei hochohmigen Erdschlüssen ist aber der Strom über die Fehlerstelle im wesentlichen durch den Widerstand an der Feh- lerstelle bestimmt, gegenüber welchem der für die Reststromer¬ höhung zugeschaltete Widerstand vernachlässigbar ist, so daß die Reststromerhöhung bei hochohmigen Erdschlüssen nicht den gewünschten Erfolg zeigt. Die zweite Gruppe von bekannten Verfahren beruht im we¬ sentlichen auf der Annahme, daß über die Fehlerstelle ein der Über- oder Unterkompensation der Erdschlußlöschspule proportio¬ naler Nullstrom fließt. Durch Verändern der Reaktanz, z.B. durch Verstimmen der Erdschlußlöschspule oder Zu- und Abschal- ten von Kapazitäten (auch als "Pulsortung" bekannt, siehe z.B. DE 27 11 629) und Beobachten des .Summenstromes der einzelnen Abgänge kann ein fehlerhafter Abgang ermittelt werden.
Ein anderes Verfahren, das mit dieser Gruppe verwandt ist, ist in der WO 92/18872 beschrieben und verwendet die einleitend genannten Meßschritte, jedoch in gänzlich anderem Zusammenhang und für einen anderen Zweck. Bei dem Verfahren der WO 92/18872 werden aus den beiden Meßwertepaaren die Admittanzen jedes einzelnen Abganges vor und nach der Änderung der Verlagerungsspannung ermittelt, wobei eine Differenz von ungleich Null den fehlerbehafteten Abgang angibt. Mit dem Verfahren ist nur eine Identifizierung desjenigen Abgangs unter mehreren Abgängen, der fehlerbehaftet ist, im Falle eines bereits vorliegenden Erdschlusses möglich, nicht jedoch das Erkennen des Auftretens eines Erdschlusses. Das Verfahren funktioniert nicht bei sehr symmetrischen Netzen (U0<<) , und seine Identifizierungsschwelle ist durch die natürliche Unsymmetrie des Netzes begrenzt.
Auch die zweite Gruppe von Verfahren bzw. das damit verwandte Verfahren der WO 92/18872 arbeitet nur bei nieder- ohmigen Erdschlüssen einwandfrei. Bei hochohmigen Fehlern än¬ dert sich infolge der Impedanzänderung der Erschlußlöschspule auch die Verlagerungsspannung, so daß die größte Summen- stromänderung nicht mehr im fehlerbehafteten Abgang, sondern in dem Abgang mit der größten Erdkapazität angezeigt wird. Ferner können diese Verfahren nur bei einer genügend großen Über- oder Unterkompensation ausgeführt werden, weil eine Verstimmung der Reaktanz in der Nähe des Resonanzpunktes nur zu sehr kleinen, nicht mehr erfaßbaren Stromänderungen führt, eine symmetrische Verstimmung um den Resonanzpunkt sogar zu überhaupt keiner Stromänderung.
Zusammengefaßt versagen alle bekannten Verfahren zur Er¬ kennung von einpoligen Erdschlüssen bei hochohmigen Erdschlüs- sen. Als hochohmige Erdschlüsse werden definitionsgemäß Erd¬ schlüsse mit einem Erdübergangswiderstand von größer als 5 kΩ bezeichnet, obwohl im allgemeinen Sprachgebrauch bereits Er- dübergangswiderstände von größer als 1 kΩ als "hochohmig" be¬ zeichnet werden, weil sie mit den bekannten Verfahren nicht mehr feststellbar sind. Hochohmige Erdschlüsse treten bei¬ spielsweise auf, wenn ein umgestürzter Baum eine Leitung be¬ rührt (40 kΩ bis 100 kΩ) , ein Leiterseil nach einem Seilriß auf trockenen Sand, trockenen Felsen, Schnee oder Eis fällt, oder bei einem rückwärtigen Kabelbruch, bei welchem ein vom Verbraucher rückkehrendes Leiterseil zwar niederohmig die Erde berührt, jedoch von der Versorgerseite aus gesehen ein hochohmiger Erdschluß besteht, weil die Impedanz des verbrau- cherseitigen Transformators bzw. des Verbrauchers in den Erd¬ schluß miteingeht. Hochohmige Erdschlüsse sind jedoch sehr gefährlich. Zwar ist durch den hohen Widerstand der Strom an der Fehlerstelle reduziert, doch ergeben sich aus demselben Grund sehr hohe Schritt- und Berührspannungen. Gleichzeitig ist ein hochohmiger Erdschluß mit dem Auge kaum zu erkennen, weil der geringe Feh- lerstrom keine mit dem Auge erkennbaren Schäden hervorruft.
Tatsächlich hat man sich bislang damit abgefunden, daß hochohmige Erdschlüsse wegen der Unzulänglichkeiten der bekann¬ ten Verfahren von der Versorgerseite her nicht erkennbar sind. Auch in modernen Versorgungsnetzen werden hochohmige Erd- Schlüsse weiterhin durch optische Erkennung, beispielsweise im Wege einer Streckenkontrolle, und Meldung per Telefon erkannt.
Die Erfindung setzt sich daher zum Ziel, ein Verfahren der einleitend genannten Art zu schaffen, welches in der Lage ist, hochohmige Erdschlüsse zu erkennen. Dieses Ziel wird erfin- dungsgemäß mit einem Verfahren der einleitend genannten Art er¬ reicht, das sich auszeichnet durch die weiteren Schritte:
(c) Ermitteln der Erdadmittanz des Abganges und einer auf die Unsymmetrie des Abganges zurückzuführenden Unsymmetriead- mittanz als Innenadmittanz einer den Parallelschwingkreis aus Erdschlußlöschspule und Erdadmittanz speisenden, von der Pha¬ senspannung des Drehstromnetzes gebildeten Spannungsquelle aus den beiden Meßwertepaaren und Speichern der ermittelten ' Werte als Referenzwerte;
(d) vektorielles Messen der Verlagerungsspannung des Sternpunktes und des Summenstromes des Leitungsabganges zu ei¬ nem dritten Zeitpunkt, um ein drittes Meßwertepaar zu bilden;
(e) Ermitteln einer auf einen allfälligen Erdschluß zum dritten Zeitpunkt zurückzuführenden Fehleradmittanz als Innen¬ admittanz einer den Parallelschwingkreis aus Erdschlußlösch¬ spule, Erdadmittanz und Unsymmetrieadmittanz speisenden, von der Phasenspannung des Drehstromnetzes gebildeten Spannungs¬ quelle aus dem dritten Meßwertepaar unter Verwendung der ge- speicherten Referenzwerte; und
(f) Anzeigen eines Erdschlusses, wenn die Fehleradmittanz einen vorgegebenen Betrag überschreitet.
Dieses Verfahren beruht auf einem völlig neuartigen Kon¬ zept. Erstmals werden direkt die relevanten Komponenten des Erdschlußkreises berechnet, wobei berücksichtigt wird, daß der Abgang im fehlerfreien Betrieb bereits eine bestimmte "natürliche" Unsymmetrie aufweist. Die hier definierten Kenn¬ größen für den Abgang, Erdadmittanz und Unsymmetrieadmittanz, werden im fehlerfreien Betrieb aus den ersten beiden Meßpunkten ermittelt und als Referenzwerte gespeichert. Dadurch kann eine zusätzliche, durch einen Erdschluß hervorgerufene Unsymmetrie durch einen Vergleich mit den Referenzwerten bestimmt werden. Bei dieser Art von Vergleichsmessung heben sich Meßfehler der Meßwandler auf. Aus diesem Grund und wegen der Tatsache, daß die dem Verfahren zu Grunde liegende Ersatzschaltbilddarstel¬ lung des Netzes sowohl die Erdkapazitäten als auch die Verände¬ rung der Verlagerungsspannung berücksichtigt, ist das Verfahren in der Lage, hochohmige Erdschlüsse, z.B. im Bereich von 40 bis 100 kΩ, zu erkennen. Das Verfahren stellt einen entscheidenden Durchbruch in der Schutztechnik dar.
Das beschriebene Verändern der Verlagerungsspannung zur Erzielung des zweiten Meßpunktes kann durch jede beliebige, in der Technik an sich bekannte Maßnahme herbeigeführt werden, z.B. durch Andern der Impedanz der Erdschlußlöschspule, zusätz¬ liche Beschaltung des Sternpunktes oder eines Phasenleiters, und/oder eine Stromeinspeisung in den Sternpunkt oder einen Phasenleiter. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens, welche insbesondere eine kontinuierliche Überwachung eines Netzes ermöglicht, zeichnet sich dadurch aus, daß die Schritte (d) bis (f) für weitere, an die Stelle des dritten Zeitpunktes tretende Zeitpunkte periodisch, vorzugs- weise alle 20 ms, wiederholt werden, bis ein Erdschluß ange¬ zeigt wird. Bei sehr rascher Wiederholung, z.B. alle 20 ms, können mit diesem Verfahren auch sehr kurze selbstverlöschende Erdschlüsse, sog. Erdschlußwischer, erkannt werden.
Eine weitere bevorzugte AusführungsVariante besteht darin, daß im Falle der Anzeige eines Erdschlusses die Schritte (a) bis (c) wiederholt werden, um einen zweiten Satz von Referenz¬ werten zu erhalten, daß die aus dem ersten Referenzwert der Erdadmittanz ermittelte Erdkapazität mit der aus dem zweiten Referenzwert der Erdadmittanz ermittelten Erdkapazität vergli- chen wird, und daß im Falle einer signifikanten Differenz die Referenzwerte des zweiten Satzes, soferne der zweite Referenz¬ wert der Unsymmetrieadmittanz innerhalb eines zulässigen Berei¬ ches liegt, als neue Referenzwerte gespeichert werden und die vorangegangene Anzeige eines Erdschlusses aufgehoben wird, wo- gegen im Falle keiner signifikanten Differenz die Anzeige des Erdschlusses aufrechterhalten wird.
Diese Verfahrensvariante beruht auf der Erkenntnis, daß das Zu- oder Abschalten eines Leitungsabschnittes am Abgang eventuell auch eine Änderung der Unsymmetrie des Abganges, d.h. eine vermeintliche Fehleradmittanz, hervorruft, wobei in diesem Fall jedoch durch die Änderung der Leitungslänge auch eine ent¬ sprechende Änderung der Erdkapazität einhergehen muß. Mit die¬ ser Verfahrensvariante kann daher zwischen einem bewußten Schaltvorgang am Abgang und einem Erdschlußfehler unterschieden werden.
Bevorzugt wird, wenn das Verfahren für mehrere Abgänge ei¬ ner Sammelschiene durchgeführt wird, im Falle der Anzeige von Erdschlüssen auf mehreren Abgängen jener Abgang bestimmt und angezeigt, welcher den größten Betrag der Fehleradmittanz auf¬ weist. Bei sehr niederohmigen Fehlern, d.h. sehr großen Werten der Verlagerungsspannung, ergeben sich Rückwirkungen des erd¬ schlußbehafteten Abganges auf die fehlerfreien Abgänge. Di-e b-e— schriebene Maßnahme dient dazu, auch in diesem Fall eine si¬ chere Identifizierung des fehlerhaften Abganges zu gewährlei¬ sten.
In jedem Fall ist es besonders günstig, wenn das erfin¬ dungsgemäße Verfahren den weiteren Schritt des Bestimmens des erdschlußbehafteten Phasenleiters des Abganges durch Verglei¬ chen des auf den Winkel der Verlagerungsspannung bezogenen Win¬ kels der Fehleradmittanz mit den Winkeln der Phasen des Dreh¬ stromnetzes umfaßt. Dadurch läßt sich nicht nur das Auftreten eines Erdschlusses auf einem Abgang feststellen, sondern auch jener Phasenleiter des Abganges, welcher dem Erdschluß unter¬ liegt.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungs- beispieles näher erläutert, welches unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben wird, in denen Fig. 1 das Blockschaltbild einer Meßanordnung zur Durch¬ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt,
Fig. 2 das vereinfachte Ersatzschaltbild eines Drehstrom¬ systems mit induktiv geerdetem Sternpunkt, einem Abgang und einem hochohmigen Fehler, die Fig. 3 bis 5 Überführungen und Vereinfachungen des Schaltbildes von Fig. 2,
Fig. 6 eine Erweiterung des Schaltbildes von Fig. 5 und Fig. 7 beispielhafte Werte für Yu und Yf in der komplexen Ebene. Fig. 1 zeigt die bei dem Verfahren zum Einsatz kommende Meßanordnung in Verbindung mit einem Drehstromnetz, welche ei¬ nen Transformator Tr, eine Sammelschiene SS und Abgänge A^ bis An umfaßt. Der Sternpunkt des Transformators ist über eine Erd¬ schlußlöschspule ZN geerdet (Petersen-Spule) . Die an der Erd- schlußlöschspule ZN auftretende Verlagerungsspannung UD wird vektoriell, d.h. nach Betrag und Phase bzw. Real- und Imaginär¬ teil, gemessen und einer Meß- und Steuereinrichtung 1 zuge¬ führt. An den Abgängen A^ bis An werden die Nullströme bzw. Summenströme I0]_ bis Ion ebenfalls vektoriell gemessen und der Meß- und Steuereinrichtung 1 zugeführt.
Die Meß- und Steuereinrichtung 1 steuert eine Einrichtung 2 zur Änderung der Impedanz der Erdschlußlöschspule ZN tmd/oder eine Einrichtung 3 zur zusätzlichen Beschaltung des Sternpunk¬ tes und/oder einer der Phasen des Drehstromnetzes, um eine vor¬ übergehende Änderung der Verlagerungsspannung U0 zu bewirken. Beispielsweise kann die Impedanz der Erdschlußlöschspule ZN di¬ rekt durch Verstellen des Luftspaltes verändert werden, oder die Sekundärseite der Erdschlußlöschspule mit einem ohmschen Widerstand, einer Induktivität, einem Kondensator oder einer definierten Stromeinspeisung beschaltet werden, was durch die Einrichtung 2 angedeutet ist, und/oder es kann der Sternpunkt oder eine Phase Ll, L2 oder L3 mit einem ohmschen Widerstand, einer Induktivität, einem Kondensator oder einer definierten Stromeinspeisung beschaltet werden, wie es durch die Einrich¬ tung 3 angedeutet ist. Derartige Maßnahmen bzw. Einrichtungen sind dem Fachmann bekannt, so daß sie nicht näher erläutert oder dargestellt werden müssen. Fig. 2 zeigt das vereinfachte Ersatzschaltbild des Dreh¬ stromnetzes von Fig. 1, wobei nur ein Abgang dargestellt ist, in dem ein hochohmiger Erdschluß in der Phase Ll angenommen wird. ZN ist die Impedanz der Erdschlußlöschspule, ZI sind die symmetrischen unabhängigen Selbstimpedanzen der drei Spannungs- quellen El, E2 und E3, welche zueinander um 120° versetzt sind, ZI ist die Längsimpedanz der Leitung, Ya sind die Admittanzen der drei Phasenleiter Ll, L2 und L3 gegen Erde, welche im we¬ sentlichen aus den Erdkapazitäten der Phasenleiter bestehen, und ZF ist der komplexe Widerstand an der Fehlerstelle. Durch Anwendung des Verfahrens der symmetrischen Komponen¬ ten kann das Ersatzschaltbild von Fig. 2 in das Symmetrische Komponentenersatzschaltbild aus Nullsystem 0, Mitsystem 1 und Gegensystem 2 übergeführt werden, welches in Fig. 3 dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß der Summenstrom I0 im Nullsystem gemessen wird.
Durch Vernachlässigung der Erdadmittanten Ya im Mit- und Gegensystem 1, 2 sowie Zusammenfassung der Längsimpedanzen ZI im Mit- und Gegensystem 1, 2 kann das Schaltbild von Fig. 3 zu dem Schaltbild von Fig. 4 vereinfacht werden. Bei hochohmigen Fehlern (ZF>>) können ferner ZI und ZI vernachlässigt werden, so daß sich das Ersatzschaltbild von Fig. 5 ergibt.
Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die Fehlerimpedanz 3ZF als Innenimpedanz einer Spannungsquelle El aufgefaßt werden kann, welche den parallelen Schwingkreis aus Erdschlußlöschspule 3ZN und Erdadmittanz Ya speist.
Es wird in weiterer Folge die Annahme getroffen, daß selbst im erdschlußfreien Fall eine bestimmte "natürliche" Un- Symmetrie des Abganges vorhanden ist, die sich ebenfalls durch das Schaltbild von Fig. 5 beschreiben läßt, wobei die "natürliche" Unsymmetrie durch eine Unsymmetrieadmittanz Yu an¬ gegeben werden kann, welche die Innenimpedanz der den Parallel¬ schwingkreis aus ZN und Ya treibenden Spannungsquelle El dar- stellt.
Das Schaltbild von Fig. 5 enthält damit zwei unbekannte Werte, Ya und Yu. Werden U0 und I0 zu zwei verschiedenen Zeit¬ punkten tl und t2 vor und nach einer aktiven, mit Hilfe der Einrichtung 2 und/oder 3 bewirkten Änderung von U0 gemessen, können zwei Gleichungen für zwei Unbekannte aufgestellt werden:
Figure imgf000010_0001
El wird senkrecht zu U0 angenommen, weil die natürliche Unsymmetrie als hauptsächlich kapazitiv bedingt angenommen wird. Die Annahme ist jedoch nicht zwingend; die richtige Pha¬ senlage ergibt sich am Ende der Berechnung. Die Lösung der Gleichungen 1 und 2 liefert komplexe Glei¬ chungen für die Erdadmittanz Ya und die Unsymmetrieadmittanz Y •,U'
Figure imgf000010_0002
Figure imgf000011_0001
Die Erdkapazität Ce des Abganges entspricht dem Imaginär¬ teil von Ya:
ω C. = imag{Ya) (G1.5)
Weil Yu als Kenngröße der natürlichen Unsymmetrie als ka¬ pazitiver Blindleitwert angenommen werden kann, zeigt die Phase von Yu die tatsächliche Phasenlage der einspeisenden Spannungs¬ quelle El der natürlichen kapazitiven Unsymmetrie an.
Durch einen Vergleich der Unsymmetrieadmittanz Yu mit ei¬ nem vorgegebenen Schwellwert K2 (siehe später zu Fig. 7) wird der Bereich abgegrenzt, für den die Annahme gilt, daß die Ver- lagerungsspannung U0 nur durch die natürliche kapazitive Unsym¬ metrie des Netzes verursacht wird. Überschreitet die Unsymme¬ trieadmittanz Yu den Schwellwert K2, so wird bereits in diesem Berechnungsschritt der Abgang als erdschlußbehaftet erkannt.
Wird hingegen der Schwellwert K2 nicht überschritten, so werden die berechneten Werte Ya und Yu als Referenzwerte für die weitere Überwachung verwendet.
Für den Fall, daß zu einem dritten Zeitpunkt t3 ein hochohmiger Erdschluß auf dem Abgang auftritt, kann das Ersatz¬ schaltbild von Fig. 5 zu dem Ersatzschaltbild von Fig. 6 erwei- tert werden. Der hochohmige Fehler bewirkt eine zusätzliche Speisung des Parallelschwingkreises aus Erdschlußlöschspule ZN, Erdadmittanz Ya und Unsymmetrieadmittanz Y0 durch eine Spann¬ ungsquelle El, welche den Betrag der Phasenspannung hat, über eine zunächst als komplex betrachtete Fehleradmittanz Yf. Durch Messen der Werte von U0 und I0 zum dritten Zeitpunkt t3 kann folgende Gleichung aufgestellt werden:
I* = [u* -
Figure imgf000011_0002
+ Uo3Ya + {UΛ -
Figure imgf000011_0003
(Gl.6)
In Verbindung mit den Gleichungen 1 und 2 ergibt sich ein Gleichungssystem aus drei Gleichungen für drei Unbekannte, wel- ches für Ya die Lösung Gleichung 3, für Y0 die Lösung Gleichung 4 und für Yf folgende Lösung liefert:
Figure imgf000012_0001
Unter der Annahme, daß die Fehlerstelle ein rein ohmscher Widerstand ist, gibt der Betrag von Yf die Größe des hochohmi¬ gen Fehlers und der Winkel von Yf, korrigiert um den Winkel von Uσ, die Phase Ll, L2 oder L3 an, in welcher der Fehler zu fin- den ist. Dies wird an Hand des Diagrammes von Fig. 7 veran¬ schaulicht.
In Fig. 7 sind die ermittelten Referenzwerte der natürli¬ chen Unsymmetrie Yu von vier Abgängen A^ bis A4 in der komple¬ xen Ebene dargestellt. Beim Auftreten eines hochohmigen Fehlers verschiebt sich die Unsymmetrie des fehlerbehafteten Abganges A2 um einen Vektor, der gleich der Fehleradmittanz Yf ist. Der Betrag des Vektors ist umgekehrt proportional zum Widerstand des Erdschlusses, und die Richtung des Vektors gibt, verglichen mit den Richtungen der Phasen Ll, L2 und L3, die Phase an, in welcher der Erdschluß auftritt. Im speziellen ist der um den Winkel der Verlagerungsspannung U0 verminderte Winkel der Fehleradmittanz Yf antiparallel zu dem Winkel der erdschlußbehafteten Phase. Bei dem gezeigten Beispiel befindet sich der Erdschluß auf dem Phasenleiter der Phase Ll des Abganges A2•
In Fig. 7 ist mit Kl ist der Toleranzkreis des Betrages dargestellt, den die Fehleradmittanz Yf überschreiten muß, da¬ mit ein Fehler angezeigt wird.
Mit K2 ist der Toleranzkreis angedeutet, in dem die Refe- renzwerte der natürlichen Unsymmetrie Yu liegen müssen, damit ein Abgang nicht schon nach der Bestimmung der Referenzwerte als erdschlußbehaftet erkannt wird.
Es ist zu beachten, daß durch Zu- und Abschalten eines Leitungsabschnittes in einem Abgang ebenfalls eine Änderung der Unsymmetrie hervorgerufen wird, die sich in einem Unsymme- trieadmittanzwert Yf äußert, welcher die Grenzen des Kreises Kl überschreiten kann. In diesem Fall kann durch eine nochmalige Bestimmung der Werte von Ya und Yu an Hand von Gleichung 5 festgestellt werden, ob sich bei dieser Änderung auch die Erd¬ kapazität Ce geändert hat. Ist die Erdkapazität Ce gleichge- blieben, d.h. die Leitungslänge des Abganges nicht verändert worden, liegt ein Erdschlußfehler vor. Hat sich hingegen die Erdkapazität Ce auf einen neuen Wert Ce2 geändert, und liegt der neue Wert der Unsymmetrieadmittanz YU2 innerhalb des Tole¬ ranzkreises K2, so werden die neu ermittelten Werte Ya2 und YU2 als neue Referenzwerte Ya und Yu für die weitere Überwachung übernommen.
Wird das Verfahren für mehrere Abgänge einer gemeinsamen Sammelschiene durchgeführt, wie in Fig. 8 veranschaulicht ist, ergeben sich bei sehr niederohmigen Fehlern, d.h. sehr großen Werten von U0, Rückwirkungen auf die fehlerfreien Abgänge. Um dennoch eine eindeutige Identifizierung des fehlerbehafteten Abganges zu gewährleisten, erfolgt in diesem Fall ein gegensei¬ tiger Vergleich der Fehleradmittanzen Yf der einzelnen Abgänge, und der Abgang mit dem größten Betrag von Yf wird als fehler- hafter Abgang identifiziert.
Es ist ersichtlich, daß das beschriebene Verfahren nach einer einmaligen Bestimmung der Referenzwerte für Ya und Yu pe¬ riodisch zu beliebigen späteren Zeitpunkten zur Berechnung von Yf unter Verwendung der gespeicherten Referenzwerte von Ya und Y0 wiederholt werden kann, um eine laufende Überwachung des bzw. der Abgänge zu ermöglichen. Bevorzugt wird Yf alle 20 ms bestimmt, so daß auch kurze selbstverlöschende Erdschlüsse er¬ kannt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Hilfe einer ent- sprechend programmierten Meß- und Steuereinrichtung 1 automa¬ tisch durchgeführt werden. Die Implementierung des beschriebe¬ nen Verfahrens als Programm ist dem Fachmann hinlänglich be¬ kannt und muß nicht näher erläutert werden.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das darge- stellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt vielmehr alle Ausführungsformen, die im Rahmen der anschließenden An¬ sprüche liegen.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erkennung eines einpoligen Erdschlusses auf einem Leitungsabgang in einem Drehstromnetz, das mit einer Erdschlußlöschspule zur Resonanzerdung des Sternpunktes betrie¬ ben wird, mit den Schritten:
(a) vektorielles Messen der Verlagerungsspannung des Sternpunktes und des Summenstromes des Leitungsabganges zu ei- nem ersten Zeitpunkt (ti), um ein erstes Meßwertepaar (U0ι, I0l) zu bilden;
(b) Verändern der Verlagerungsspannung über eine Zeit¬ spanne, die einen zweiten Zeitpunkt (t2) einschließt, und vek¬ torielles Messen der Verlagerungsspannung und des Summenstromes des Leitungsabganges zum zweiten Zeitpunkt (t2), um ein zweites Meßwertepaar (U02, Io2*' 2U b lden; gekennzeichnet durch die Schritte:
(c) Ermitteln der Erdadmittanz (Ya) des Abganges und ei¬ ner auf die Unsymmetrie des Abganges zurückzuführenden Unsymme- trieadmittanz (Yu) als Innenadmittanz einer den Parallel¬ schwingkreis aus Erdschlußlöschspule und Erdadmittanz (Ya) speisenden, von der Phasenspannung des Drehstromnetzes gebilde¬ ten Spannungsquelle aus den beiden Meßwertepaaren (U0 _, I-ol'' uo2' Io2) uncl Speichern der ermittelten Werte (Ya, Yu) als Re- ferenzwerte;
(d) vektorielles Messen der Verlagerungsspannung des Sternpunktes und des Summenstromes des Leitungsabganges zu ei¬ nem dritten Zeitpunkt (t3>, um ein drittes Meßwertepaar (U03, I03) zu bilden; (e) Ermitteln einer auf einen allfälligen Erdschluß zum dritten Zeitpunkt (t3) zurückzuführenden Fehleradmittanz (Yf) als Innenadmittanz einer den Parallelschwingkreis aus Erd¬ schlußlöschspule, Erdadmittanz (Ya) und Unsymmetrieadmittanz (Yu) speisenden, von der Phasenspannung des Drehstromnetzes ge- bildeten Spannungsquelle aus dem dritten Meßwertepaar (U03, I03) unter Verwendung der gespeicherten Referenzwerte (Ya, Yu) ; und (f) Anzeigen eines Erdschlusses, wenn die Fehleradmittanz (Yf) einen vorgegebenen Betrag (Kl) überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte (d) bis (f) für weitere, an die Stelle des dritten Zeitpunktes (t3> tretende Zeitpunkte periodisch, vor¬ zugsweise alle 20 ms, wiederholt werden, bis ein Erdschluß an¬ gezeigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß im Falle der Anzeige eines Erdschlusses die Schritte (a) bis (c) wiederholt werden, um einen zweiten Satz von Referenzwerten (Ya2, YU2) zu erhalten, daß die aus dem er¬ sten Referenzwert der Erdadmittanz (Ya) ermittelte Erdkapazität (Ce) mit der aus dem zweiten Referenzwert der Erdadmittanz (Ya2) ermittelten Erdkapazität (Ce2) verglichen wird, und daß im Falle einer signifikanten Differenz die Referenzwerte des zweiten Satzes, soferne der zweite Referenzwert der Unsymme¬ trieadmittanz (YU2) innerhalb eines zulässigen Bereiches (K2) liegt, als neue Referenzwerte (Ya, Yu) gespeichert werden und die vorangegangene Anzeige eines Erdschlusses aufgehoben wird, wogegen im Falle keiner signifikanten Differenz die Anzeige des Erdschlusses aufrechterhalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches für mehrere Abgänge einer Sammelschiene durchgeführt wird, da¬ durch gekennzeichnet, daß im Falle der Anzeige von Erdschlüssen auf mehreren Abgängen jener Abgang bestimmt und angezeigt wird, welcher den größten Betrag der Fehleradmittanz (Yf) aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn¬ zeichnet durch den weiteren Schritt (g) des Bestimmens des erd¬ schlußbehafteten Phasenleiters des Abganges durch Vergleichen des auf den Winkel der Verlagerungsspannung (U0) bezogenen Win¬ kels der Fehleradmittanz (Yf) mit den Winkeln der Phasen (Ll, L2, L3) des Drehstromnetzes.
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