DE10017265A1 - Verfahren zur Detektion eines Erdschlusses - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion eines Erdschlusses in einem zu schützenden Leitungsabschnitt (1) einer Hochspannungsleitung oder eines Hochspannungsleitungsnetzes. Das Verfahren ist bei einer Anordnung anwendbar, bei der an beiden Enden des Leitungsabschnitts (1) Schutzgeräte (2) zugeordnet sind, die mittels Kommunikationsleitungen (3) miteinander verbunden sind, wobei in den Schutzgeräten (2) jeweils vor Ort durch Auswertung von Strom- und Spannungswerten, die an beiden Leitungsenden erfaßt werden, eine Fehlerdetektion erfolgt, jeweils eine auf den Ort der Schutzgeräte (2) bezogene Fehlerrichtung ermittelt wird, und durch Datenaustausch und Auswertung gemäß dem Richtungsdifferentialschutz-Verfahren der Fehlerort ermittelt wird. Es ist auch anwendbar in einem Hochspannungsleitungsnetz, in dem die Schutzgeräte (2) mit einer zentralen Auswerteeinrichtung (4) verbunden sind. Erfindungsgemäß wird in jedem Schutzgerät (2) ermittelten Fehlerrichtungs-Daten ein Vertrauensgrad zugeordnet, der ebenfalls über die Kommunikationsleitungen (3) zur jeweiligen Gegenseite (2, 4) übertragen wird, und der bei der Ermittlung des Fehlerortes berücksichtigt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion eines Erdschlusses in ei­ nem zu schützenden Leitungsabschnitt einer Hochspannungsleitung oder eines Hochspannungsleitungsnetzes.

Ein Erdschluß zählt zu den Fehlern in Energieversorgungsnetzen, die unerwünschte Zustände sind, die sowohl die Betriebsmittel durch Überspannung oder Überstrom gefährden, als auch die Versorgungssicherheit beeinträchtigen. Die schnelle, genaue und selektive Abschaltung eines fehlerbehafteten Betriebsmittels ist daher von Be­ deutung. Aus Sicht der Netzschutztechnik müssen zunächst die Fehlerdetektion, die Richtungserkennung und schließlich die Fehlerlokalisation durchgeführt werden. Fehler können grundsätzlich in die Kategorien "Kurzschlüsse" und "Erdschlüsse" ein­ geordnet werden.

Kurzschlüsse sind in der Regel mit einem höheren Kurzschlußstrom und damit auch mit einem höheren Leistungsfluß verbunden. Die Flußrichtung der Wirkleistung in ein Betriebsmittel, hier eine Leitung, gemessen am Einbauort der Schutzeinrichtung, ist ein in der Regel sicheres Entscheidungskriterium für die Ermittlung der Fehlerrich­ tung bezogen auf den Einbauort der Schutzeinrichtung. Zur Ermittlung der Fehler­ richtung von Kurzschlüssen sind sicher arbeitende Verfahren bekannt.

Erdschlüsse sind 1-polige Fehler in 3phasigen Netzen mit offenem oder kompen­ sierten Sternpunkt. Eine Gefahr für die Betriebsmittel geht bei einem solchen Fehler von hohen, dauerhaften Überspannungen (<1,7-fache Nennspannung) aus, während nur ein sehr geringer Fehlerstrom fließt, der in der Größenordnung des Fehlers der Meßeinrichtungen liegt. Die Detektion von Erdschlüssen ist allerdings nicht ganz so zeitkritisch (z. B. 1 s-3 s), wie die Detektion von Kurzschlüssen (100 ms-300 ms), da die Verbraucher auch während anstehendem Erdschluß versorgt sind.

Die marginale Höhe des Erdschlußstromes erschwert den Prozeß der Richtungser­ kennung des Fehlers, sowie dessen Ortung auf der Übertragungsleitung stark, so daß derzeit keine hinreichend zuverlässige Methode zur Richtungserkennung be­ kannt ist.

Eine bekannte Methode, welche diese Problematik allerdings in unzureichendem Maße löst, ist der Richtungsvergleichsschutz. Hierbei wird die Richtung eines even­ tuellen Erdschlusses an beiden Enden eines zu schützenden Betriebsmittels, insbe­ sondere einer Leitung verglichen. Für den Fall, daß die Fehlerrichtungen an beiden Enden des Betriebsmittels in die Richtung des Betriebsmittels zeigen, kann dieses als fehlerhaft klassifiziert werden und dessen Abschaltung veranlaßt werden.

Grundsätzlicher Nachteil dieser Methode ist der Aufwand für die Kommunikation zwi­ schen Leitungsanfang und -ende, der möglichst klein gehalten werden muß. Es ist also effektiver, lokal vorverarbeitete Informationen, wie Lastfluß oder Fehlerrichtung auszutauschen (z. B. 10 Werte pro Sekunde), als die gesamten Meßwerte von Strom und Spannung (z. B. 3× Strom und 3× Spannung mit einer Abtastrate von 5 kHz). Der bekannte Richtungsvergleichsschutz, bei dem die durch benachbarte Schutzgeräte ermittelten Fehlerrichtungen untereinander ausgetauscht und verglichen werden, ist bei Erdschlüssen aufgrund der hohen Fehlerraten bei der Richtungserkennung sehr fehleranfällig.

Eine weitere Methode, welche - ebenfalls in unzureichendem Maße - die zentrale Zonenklassifikation eines Erdschlusses ermöglicht, wird dadurch realisiert, daß lokal durch die jeweiligen Schutzgeräte ermittelte Fehlerrichtungen zentral ausgewertet werden, was als eine erweiterte Form des Richtungsvergleichsschutzes angesehen werden kann. Es existieren verschiedene Strategien für die zentrale Zonenklassifika­ tion, die alle auf einer vorwärts-/rückwärts Fehlerortung basieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion eines Erdschlusses anzugeben, das es ermöglicht, mit erhöhter Sicherheit die zutreffende Richtung des Fehlerorts, bezogen auf den Einbauort einer Schutzeinrichtung, zu er­ mitteln.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Detektion eines Erdschlusses mit den im Anspruch 1, bzw. Anspruch 2 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausge­ staltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die verbesserte Fehlerrichtungsbestim­ mung bei einem Richtungsvergleichsschutzsystem nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 oder bei einem Verfahren mit einer zentralen Zonenklassifikation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 durch Ermittlung eines Bewertungs- oder Vertrau­ ensgrads der einzelnen Richtungserkennungen erreicht, der bei der Auswertung be­ rücksichtigt wird.

Zur Übermittlung des Vertrauensgrads werden keine zusätzlichen Kommunikations­ leitungen benötigt, da in den jeweiligen Schutzsystemen ohnehin Kommunikations­ leitungen zur Verbindung der einzelnen Schutzgeräte untereinander oder mit einem Zentralgerät vorhanden sind.

Eine weitere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung eines Richtungsvergleichsschutz- Verfahrens,

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung eines Hochspannungsleitungsnetzes mit zentraler Auswertung von Richtungsinformation und Vertrauens­ grad, und

Fig. 3 eine Darstellung der Arbeitsweise der zentralen Auswerteeinrichtung im Netz gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen zu schützenden Leitungsabschnitt 1 einer Hochspannungsleitung, dem an beiden Abschnittsenden ein lokales Schutzgerät 2 zugeordnet ist. Die Schutzgeräte 2 sind durch Kommunikationskanäle 3 miteinander verbunden. Eine solche Anordnung ist zwar bekannt und geeignet zur Durchführung des bekannten Richtungsdifferentialschutz- oder Richtungsvergleichsschutz-Verfahrens, ist aber auch geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäß verbesserten Verfahrens.

Die Schutzgeräte 2 sind dafür eingerichtet, permanent zu prüfen, ob eine Fehlersi­ tuation gegeben ist. Wenn ein Fehler detektiert ist, werden Maßnahmen zur Fehler­ richtungserkennung gestartet, wobei die Schutzgeräte 2 über die Kommunikations­ kanäle 3 Informationen bezüglich Fehlerrichtung und Vertrauensgrad austauschen. Nur wenn beide Schutzgeräte 2 einen Fehler in Richtung der Leitung erkannt haben, wird der detektierte Fehler als im Bereich des zu schützenden Leitungsabschnitts 1 liegend gewertet. Der Vertrauensgrad und seine Bildung wird weiter unten erläutert. Bei der Auswertung der Richtungsangaben werden die Vertrauensgrade beider Schutzgeräte 2 berücksichtigt.

Zur Durchführung der Auswertung können unterschiedliche Bestimmungen festgelegt werden, z. B. kann festgelegt werden, daß eine Leitungsabschaltung nur dann aus­ gelöst werden darf, wenn die Summe der beiden Vertrauensgrade wenigstens 100% beträgt, und jeder einzelne Vertrauensgrad mindestens 25% beträgt.

Außerdem kann ein Zeitstaffelschutz vorgesehen werden, bei dem die Auslösezeit der beiden korrespondierenden Schutzgeräte 2 jeweils mit steigendem Vertrauens­ grad der Richtungsentscheide der Schutzgeräte reduziert wird. Beispielsweise kann eine Auslösezeit von z. B. 40 ms eingestellt sein, die wirksam ist, wenn der Vertrau­ ensgrad beider Schutzgeräte <50% ist, die auf 30 ms reduziert wird, wenn der Ver­ trauensgrad beider Schutzgeräte <75% ist, und weiter auf 20 ms reduziert wird, wenn beide Schutzgeräte einen hohen Vertrauensgrad von jeweils <90% ermitteln. Da­ durch verhält sich die Anordnung ähnlich wie ein Distanzschutzsystem, d. h. die Schutzgeräte, die einen Fehler am sichersten erkannt haben, schalten in einem Lei­ tungsnetz zuerst einen Leitungsabschnitt ab. Ist durch eine auf solche Weise erfolgte schnelle und richtige Abschaltung der fehlerhafte Abschnitt abgeschaltet, und somit der Fehler geklärt, lösen andere Schutzgeräte, in denen eine längere Auslösezeit läuft, nicht mehr aus. Fehlauslösungen werden somit durch die mittels der erfin­ dungsgemäßen Maßnahmen erreichte erhöhte Sicherheit der Richtungsermittlung vermieden.

Fig. 2 zeigt vernetze Hochspannungsleitungen oder Leitungsabschnitte 1, denen je­ weils am Anfang und Ende ein lokales Schutzgerät 2 zugeordnet ist. Die Schutzge­ räte 2 sind alle untereinander und mit einer zentralen Einrichtung 4 zur Auswertung übermittelter Richtungen und Vertrauensgrade verbunden.

Die Arbeitsweise der zentralen Auswerteeinrichtung 4 ist in Fig. 3 dargestellt. Der zentralen Auswerteeinrichtung 4 werden Ergebnisse der Richtungsentscheidungen und der ermittelten zugehörigen Vertrauensgrade aller Schutzgeräte 2 zugeführt. Die Richtungserkennung eines Erdschlusses erfolgt in den Schutzgeräten jeweils mittels einem im Schutzgerät integrierten Rechner anhand digitalisierter Meßwerte von Strom und Spannung der betroffenen Phase, die z. B. mit einer Sampling- Frequenz im Bereich von 5 kHz bis 10 kHz erfaßt werden. Es sind auch abgeleitete Größen, wie z. B. der Nullstrom verwendbar. Das Ergebnis der Richtungserkennung ist entweder mit "vorwärts" bezeichnet, im nachfolgenden mit dem Wert +1 gekenn­ zeichnet, oder mit "rückwärts", im nachfolgenden mit dem Wert -1 gekennzeichnet.

Je nach Funktionsweise des benutzten Richtungsalgorithmus und des Schutzgerä­ tes, wird etwa jeweils nach 0.5 ms bis 2 ms ein neuer Richtungsentscheid getroffen. Nach einer von den Fehlerumständen oder auch festen Vorgaben abhängigen Zeit­ spanne werden durch die zentrale Auswerteeinrichtung mehrere Einzelergebnisse zu einem endgültigen Richtungsentscheid zusammengefaßt, der zusammen mit einem Vertrauensgrad nach außen gegeben wird, zur Auslösung einer Abschaltung. In Fig. 3 ist eine der möglichen Strategien zur Bildung einer Abschalt-Entscheidung darge­ stellt.

Der Vertrauensgrad des Gesamtergebnisses wird als eine Größe definiert, welche eine Information über die Zuverlässigkeit des aus mehreren Einzelergebnissen er­ mittelten endgültigen Richtungsentscheides gibt.

Die Bildung des Vertrauensgrades erfolgt vorzugsweise unter Berücksichtigung we­ nigstens eines der folgenden Kriterien:

• - Streuung der Einzelwerte +1 oder -1 um einen auf deren Basis gebildeten Mittel­ wert. Je geringer die Streuung ist, desto höher ist der Vertrauensgrad; der maxi­ male Vertrauensgrad wird bei der Streuung Null erreicht.
• - Abweichung des Mittelwertes von den Grenzwerten -1 bzw. +1; der maximale Vertrauensgrad ist erreicht, wenn keine Abweichung zu einer der beiden Grenzen besteht, minimaler Vertrauensgrad ist gegeben beim Mittelwert Null.
• - Berücksichtigung des Effektivwertes des Nullstromes eines Mehrleitersystems, d. h. der Summe der drei Einzelströme eines Drehstromsystems geteilt durch 3 (entspricht in etwa dem Fehlerstrom). Je höher der Nullstrom am betreffenden Schutzgeräteort ist, um so höher ist der Vertrauensgrad. Der Vertrauensgrad ist maximal, wenn der Nullstrom einen vom Anwender anzugebenden Grenzwert überschreitet, abhängig von den Erdkapazitäten des Netzes, durch die der Feh­ lerstrom bestimmt ist. Der Vertrauensgrad ist minimal, wenn der Nullstrom den Wert 0 annimmt, dazwischen erfolgt lineare Interpolation. Ein geringer Fehler­ strom führt automatisch zu schlechteren Ergebnissen als ein höherer und ist ein Zeichen für einen weiter entfernt liegenden Fehler; der Erdschlußstrom hat näm­ lich keine konzentrierte Quells im Netz, sondern fließt vielmehr aus den homoge­ nen Erdkapazitäten im ganzen Netz zur Fehlerstelle, wo er dann den höchsten Wert annimmt.
• - Stärkere Gewichtung der zuletzt getroffenen Einzelentscheide - z. B. maximale Gewichtung für den zuletzt getroffenen Richtungsentscheid, keine Gewichtung für den Richtungsentscheid vor 20 ms - dazwischen lineare Abnahme der Einzelge­ wichtungen.

Aus den vorgenannten Teil-Vertrauensgraden bzw. Gewichtungen wird durch Wei­ terverarbeitung, z. B. Bildung des arithmetischen Mittelwerts, ein endgültiger Vertrau­ ensgrad gebildet. Um diese Mittelwertbildung zu ermöglichen, ist für jede der ge­ nannfien Einzelmethoden eine Definition zu treffen, unter welchen Bedingungen 100% Vertrauensgrad erreicht ist, bzw. 0% Vertrauensgrad gegeben ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Detektion eines Erdschlusses in einem zu schützenden Leitungsabschnitt (1) einer Hochspannungsleitung, dem an beiden Enden des Lei­ tungsabschnitts (1) Schutzgeräte (2) zugeordnet sind, die mittels Kommunikations­ leitungen (3) miteinander verbunden sind, wobei in den Schutzgeräten (2) jeweils vor Ort durch Auswertung von Strom- und Spannungswerten, die an beiden Leitungsen­ den erfaßt werden, eine Fehlerdetektion erfolgt, jeweils eine auf den Ort der Schutz­ geräte (2) bezogene Fehlerrichtung ermittelt wird, und durch Datenaustausch und Auswertung gemäß dem Richtungsdifferentialschutz-Verfahren der Fehlerort ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Schutzgerät (2) den Fehlerrichtungs- Daten ein Vertrauensgrad zugeordnet wird, der ebenfalls über die Kommunikations­ leitungen (3) zur jeweiligen Gegenseite (2) übertragen wird, und der bei der Ermitt­ lung des Fehlerortes berücksichtigt wird.

2. Verfahren zur Detektion eines Erdschlusses in einem zu schützenden Leitungsabschnitt (1) eines Hochspannungsleitungsnetzes, in welchem jeweils bei­ den Enden der Leitungsabschnitte (1) Schutzgeräte (2) zugeordnet sind, die mittels Kommunikationsleitungen (3) alle untereinander und mit einer zentralen Auswerte­ einrichtung (4) verbunden sind, wobei in den Schutzgeräten (2) jeweils vor Ort durch Auswertung von Strom- und Spannungswerten, die an beiden Leitungsenden erfaßt werden, eine Fehlerdetektion erfolgt, und jeweils eine auf den Ort der Schutzgeräte (2) bezogene Fehlerrichtung ermittelt wird und zur zentralen Richtungsauswertung und Ermittlung des Fehlerorts zur zentralen Auswerteeinrichtung (4) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Schutzgerät (2) den zu übertragenden Feh­ lerrichtungs-Daten ein Vertrauensgrad zugeordnet wird, der ebenfalls über die Kom­ munikationsleitungen (3) zur zentralen Auswerteeinrichtung (4) übertragen wird, und der bei der Ermittlung des Fehlerortes berücksichtigt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vertrauensgrad bei der Ermittlung des Fehlerortes dadurch berücksichtigt wird, daß Vertrauensgrad-Grenzwerte festgelegt werden, und eine Erdschluß- Meldung nur dann erfolgt, wenn neben konventionellen Bedingungen, wie entgegen­ gesetzte Fehlerrichtungen, auch ein an den Grenzwerten gemessener ausreichend hoher Vertrauensgrad der Richtungsdaten ermittelt wurde.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem Mehrleitersystem der auf einen Leitungsabschnitt (1) bezoge­ ne Vertrauensgrad jeweils unter Berücksichtigung des Effektivwertes des Nullstro­ mes gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung eines Gesamt-Vertrauensgrades in der zentralen Auswerte­ einrichtung (4) das jeweilige Alter der vorliegenden Einzel-Vertrauensgrade durch eine Gewichtung berücksichtigt wird, wobei dem jüngsten Einzel-Vertrauensgrad ei­ ne maximale Gewichtung zugeordnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitstaffel­ schutz gebildet wird, bei dem eine Auslösezeit in Abhängigkeit von dem in beiden Schutzgeräten (2) ermittelten Vertrauensgrad gebildet wird, wobei ein hoher Vertrau­ ensgrad zu einer schnellen Abschaltung führt.