DE10225058A1 - Verfahren und Vorrichtung zur selektiven Erfassung von Erdschlusswischern in Drehstromnetzen - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Erkennung der Richtung des Erdschlusses aus der Aufladeschwingung, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: DOLLAR A È Kontinuierliches Abtasten und Speichern der Verlagerungsspannung u¶0¶ und des Nullstromes i¶0SIGMAX¶ in einem Abgang. DOLLAR A È Im Falle eines Erdschlusses überschreitet die Verlagerungsspannung u¶0¶ erstmalig einen eingestellten Grenzwert u¶ERD¶ zum Zeitpunkt t¶1¶. DOLLAR A È Vorzugsweise erfolgt eine Suche im Speicher nach dem Zeitpunkt t¶0¶ des Nulldurchganges der Verlagerungsspannung u¶0¶ vor dem oben definierten erstmaligen Erdanschlusseintritt zum Zeitpunkt t¶1¶. Es kann aber auch ein anders definierter Bereich verwendet werden, z. B. 10 ms oder der Zeitpunkt des dritten Nulldurchganges vor dem definierten Erdanschlusseintritt. DOLLAR A È Speichern der Verlagerungsspannung u¶0¶ und des Nullstromes i¶0SIGMAX¶ ab diesem Zeitpunkt t¶0¶ bis zum definierten Erdschluss t¶1¶. DOLLAR A È Zur genaueren Berechnung können zuätzlich die Messwerte, die einige ms nach dem Zeitpunkt t¶1¶ gemessen worden sind, berücksichtigt werden. DOLLAR A È Berechnung der Nullstrom-Summenkurve i¶0SIGMAA_SUMME¶ durch Aufsummieren des Nullstromes i¶0SIGMAX¶ bei zeitäquidistanter Abtastung, andernfalls muss die Zeit zwischen den Abtastpunkten berücksichtigt werden bzw. ein anderes numerisches Integrationsverfahren verwendet werden. DOLLAR A È Ermittlung der Steigung und des Offstes zwischen den beiden gespeicherten Kurven i¶0SIGMAA_SUMME¶ und u¶0¶ nach bekannten Verfahren der Mathematik, wie z. B. ...

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die selektive Erfassung von Erdschlusswischem in Drehstromnetzen mit isoliertem Sternpunkt oder mit hochohmig geerdetem Sternpunkt.
• Im Fachbericht "Untersuchung der Ausgleichsvorgänge bei Erdschluss in Energieversorgungsnetzen" , erschienen in der Energietechnik, 15. Jg, Heft 10, Oktober 1965, Seite 469ff, beschreibt Prof. Hans Pundt sehr ausführlich die transienten Vorgänge beim Eintreten des Erdschlusses. Es wird unter anderem die Berechnung des zu erwartenden Aufladestromes in Bezug auf Amplitude und Frequenz abgeleitet.
• In der Offenlegungsschrift DT1 463 729 wird auf Basis dieses Fachberichtes ein Verfahren vorgestellt, bei dem die erste Halbwelle des Umladestromes nach Umformung in einen Rechteckimpuls definierter Breite polaritätsmäßig mit der in Rechteckimpulse umgeformten Verlagerungsspannung verglichen wird. Bei diesem Verfahren wird davon ausgegangen, dass der Umladestrom sehr groß gegenüber dem stationären Ladestrom I_CE der Leitung ist. Dies setzt an der Fehlerstelle einerseits Übergangswiderstände von nur wenigen Ohm und anderseits einen Zündzeitpunkt, der nicht in der Nähe des Nulldurchganges der Leiter-Erde Spannung liegt, voraus. Diese beiden Randbedingungen, vor allem der niederohmige Übergangswiderstand an der Fehlerstelle von einigen Ohm, können üblicherweise nicht eingehalten werden. Die schwierige Trennung von hochfrequenten Entladeschwingungen von den mittelfrequenten Aufladevorgängen führt zusätzlich zu Fehlanzeigen.
• In der Offenlegungsschrift DE 27 13 000 wird der Umladestrom nicht mit der Verlagerungsspannung sondern mit einem Umladestrom einer Netznachbildung der Netz-Erde- Kapazitäten verglichen. Bei diesem Verfahren wird davon ausgegangen, dass beide Umladevorgänge gedämpfte Entladeschwingungen von annähernd gleicher Frequenz sind. Die hochfrequenten Entladeschwingungen werden bei diesem beschriebenen Verfahren mit berücksichtigt und können zu Fehlanzeigen führen. Des weiteren kann gezeigt werden, dass sich, durch die notwendige Anhebung der Ansprechschwelle für die Aufladeströme zur Unterdrückung der hochfrequenten Entladeschwingungen, bei unterschiedlichen Aufladefrequenzen zum Zeitpunkt der Bewertung eine falsche Phasenlage und somit auch eine Fehlanzeige des Relais ergeben kann. Die Relais müssten daher nach Netzumschaltungen immer an das jeweilige Netz neu angepasst werden.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, das Erdschlusswischer-Verfahren in Bezug auf die Auswertung des transienten Vorganges so zu verbessern, dass dieses Verfahren sowohl für höherohmige Fehlerwiderstände bis in den Bereich von einigen kOhm als auch für Zündungen in der Nähe des Nulldurchganges der Leiter-Erde Spannungen geeignet ist.
• Der Vorteil des neuen Verfahrens liegt dann, dass die Größe des Übergangswiderstandes Z_F bereits indirekt über die Größe der Verlagerungsspannung berücksichtigt wird. Mit dem neuen Verfahren ist daher ein Richtungsentscheid aus dem transienten Vorgang bis in den Bereich von einigen kOhm möglich. Bisher konnte mit Wischerrelais die Richtungserkennung nur bis in den Bereich von einigen Ohm durchgeführt werden. Die meisten Erdschlüsse finden jedoch bereits Übergangswiderstände von einigen hundert Ohm vor.
• Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass der Zündzeitpunkt des Erdschlusses keine Rolle spielt. Das Verfahren funktioniert auch bei Zündung im Nulldurchgang der Leiter-Erde Spannung, die z.B. durch eine mechanischen Zerstörung des Kabels erfolgen kann. Bisherige Wischerrelais erkannten nur Zündvorgänge in der Nähe des Spannungsmaximums.
• Ein weiterer Vorteil liegt dann, dass auch Erdschlüsse mit einer Brenndauer im ms-Bereich erkannt werden, auch wenn dieser Erdschluss über einen hochohmigen Widerstand erfolgt.
• Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt, darin, dass die Ansprechempfindlichkeit des Relais durch zwei Parameter eingestellt wird:
  u_ERD Erforderliche Verlagerungsspannung für einen Erdschluss
  C_0min Erforderliche Leitungslänge des gesunden Netzes in A.
• Bei den bisherigen Relais wird ein Auslösestrom angegeben, der eine Funktion von Z_F, Zündzeitpunkt, Trafoimpedanz usw. ist. Die tatsächliche Auslösung musste für jeden Erdschlussfall nachgerechnet werden.
• Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Erkennung der Richtung des Erdschlusses aus der Aufladeschwingung gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
• – Kontinuierliches Abtasten und Speichern der Verlagerungsspannung u₀ und des Nullstromes i_0ΣX in einem Abgang.
• – Im Falle eines Erdschlusses überschreitet die Verlagerungsspannung u₀ erstmalig einen eingestellten Grenzwert u_ERD zum Zeitpunkt t₁
• – Vorzugsweise erfolgt eine Suche im Speicher nach dem Zeitpunkt t₀ des Nulldurchganges der Verlagerungsspannung u₀ vor dem oben definierten erstmaligen Erdschlusseintritt zum Zeitpunkt t₁. Es kann aber auch ein anders definierter Bereich verwendet werden z.B. 10 ms oder der Zeitpunkt des dritten Nulldurchganges vor dem definierten Erdschlusseintritt.
• – Speichern der Verlagerungsspannung u₀ und des Nullstromes i_0ΣX ab diesem Zeitpunkt t₀ bis zum definierten Erdschluss t₁.
• – Zur genaueren Berechnung können zusätzlich die Messwerte, die einige ms nach dem Zeitpunkt t, gemessen worden sind, berücksichtigt werden.
• – Berechnung der Nullstrom-Summenkurve i_{0ΣA_SUMME} durch aufsummieren des Nullstromes i_0ΣX bei zeitäquidistanter Abtastung, andernfalls muss die Zeit zwischen den Abtastpunkten berücksichtigt werden bzw. ein anderes numerisches Integrationsverfahren verwendet werden.
• – Ermittlung der Steigung und des Offsets zwischen den beiden gespeicherten Kurven i_{0ΣX_SUMME} und u₀ nach bekannten Verfahren der Mathematik wie z.B. Regressionsanalyse, Korrelationsanalyse, Polynominterpolation, Pseudoinverse usw.
• – Liegt die Abweichung des Proportionalitätsfaktors innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches, so wird der Erdschluss in Richtung Sammelschiene erkannt.
• – Ist die Abweichung des Proportionalitätsfaktors größer als ein vorgegebener zweiter Toleranzbereich, so wird der Erdschluss in Richtung Leitung erkannt.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand des Bildes 1 beispielhaft beschrieben. Im Bild 1 ist ein Netz mit drei Abgängen und einem angenommenen Erdschluss im Leiter 1 im Abgang A dargestellt.
• Der Erdschluss setzt sich aus den drei folgenden Vorgänge zusammen:
• – Entladung des schadhaften Leiters in allen Abgängen über die Erde
• – Aufladung der gesunden Leiter in allen Abgängen über die Erde
• – Stationär eingeschwungener Zustand
• Die Auswirkungen dieser drei Vorgänge überlagern sich sofort mit dem Beginn des Erdschlusses.
• Maßgebend für den Verlauf der Entladung sind:
• – Größe der Kapazitäten des Leiters 1 aller Abgänge gegen Erde
• – Ladezustand der Kapazitäten des Leiters 1 aller Abgänge
• – Leitungsimpedanz Z_L1, zu und in den andern Abgängen
• – Impedanz der Fehlerstelle Z_F
• Der Trafo und die Lasten stellen eine sehr hohe Impedanz, im wesentlichen Induktivität, dar und sind für den Entladevorgang als hochohmiger Abschluss zu betrachten. Ebenso kann der Einfluss der beiden gesunden Leiter vernachlässigt werden. Der Leiter L1 kann als an den Enden der Abgänge und an der Sammelschiene hochohmig abgeschlossener Kettenleiter betrachtet werden. Die gesunden Stichleitungen stellen eine Parallelschaltung dar, wodurch die Ersatzlängsimpedanz der gesunden Leiter niederohmiger und die Kapazität größer wird.
• Der sehr hochfrequente Entladevorgang ist von den Leiterlängen abhängig und ist umso höherfrequent je kürzer die Leitungen sind und liegt meist im Bereich >10 kHz
• Maßgebend für den Verlauf des Aufladevorganges der beiden gesunden Leiter sind:
• – Kapazität der Leiter 2 und 3 aller Abgänge gegen Erde
• – aktueller Ladezustand der Leiter-Erde Kapazitäten aller Abgänge
• – Größe der Aufladespannungen
• – Streuinduktivitäten des Einspeisetransformators
• – Leitungsimpedanz Z_L1, von der Fehlerstelle bis zum Einspeisetransformator
• – Impedanz der Fehlerstelle Z_F
• Die Verteiltransformatoren bzw. die Last gehen nur sehr hochohmig in die Betrachtung ein und können in der ersten Annäherung vernachlässigt werden. Die Last wirkt sich im wesentlichen als zusätzliche Bedämpfung der Aufladeschwingung aus. Ist der Verteiltrafo nicht belastet, so ist die Leitung im wesentlichen mit der sehr hohen Hauptinduktivität des Transformators belastet.
• Durch den Erdschluss wird der Leiter 1 durch Entladung über die Impedanz an der Fehlerstelle auf Erdpotential gebracht. Die Leiter-Erde Spannung der beiden gesunden Leiter ist nach dem Beendigen des Aufladevorganges auf das √3 fache angehoben.
• Für die Augenblickswerte gilt für jeden Zeitpunkt:
  Verlagerungsspannung an der Sammelschiene:

  

  Summenstrom im Abgang x:

  
• Die Ermittlung der Verlagerungsspannung erfolgt nach bekannten Verfahren wie z.B. Messung über die "Offene Dreieckswicklung" oder Messung der drei Einzelspannungen und nachfolgender numerischer Addition im Gerät.
• Die Ermittlung des Summenstromes erfolgt nach bekannten Verfahren wie z.B.
• – Messung der drei Einzelströme und elektrischer Addition der drei Ströme ( Holmgreen-Schaltung )
• – Messung des Summenstromes mit Hilfe eines Kabelumbauwandlers.
• – Messung der drei Einzelströme und numerische Addition nach der Wandlung im Gerät.
• Der Summenstrom ist der dreifache Nullstrom i_0X.
• Für den betrachteten Frequenzbereich des Umladevorganges sind die Längsimpedanzen der Leitungen vernachlässigbar bzw. reduzieren die im folgenden ermittelten Nullkapazitäten nur gering.
• Wesentlich ist, dass die Verlagerungsspannung u₀ entsprechend ihrer Definition in Bezug auf die Erde ermittelt wird.
• Im Bild 1 können die folgenden Arten von Abgängen unterschieden werden:
• A) Gesunder Abgang ohne Erdschluss
• Unter Vernachlässigung der Längsimpedanzen der Leitungen werden im gesunden Abgang für das Nullsystem nur die Nullkapazitäten gegen Erde wirksam. Die Nullkapazität eines Abganges kann entsprechend den bekannten Verfahren wie z.B. den symmetrischen Komponenten berechnet werden zu:

  
• Für den gesamten Nullstrom i_0ΣX in einem gesunden Abgang gilt:

  

  bzw. für die Verlagerungsspannung:

  
• Numerisch kann die Integration durch eine Summenbildung angenähert werden. Bei einer zeitäquidistanten Abtastung der Verlagerungsströme und der Nullströme vereinfacht sich die Integration zu einer Addition der Abtastwerte. Für den Fall u₀(0) = 0 unterscheidet sich der zeitliche Verlauf von u₀ von der Summenkurve nur durch einen Proportionalitätsfaktor.
• B) Erdschlussbehafteter Abgang
• Im erdschlussbehafteten Abgang hingegen sind im Nullstrom die folgenden Komponenten enthalten:
• a) In den Abgang hineinfließend:
• – Aufladestrom des erdschlussbehafteten Abganges A
  
• b) Aus dem Abgang herausfließend:
• – Summe der Ströme der gesunden Abgänge inklusive des erdschlussbehafteten Abganges
  
• – Strom durch die Petersen-Spule (L_P // R_p)
  
• Der gesamte Nullstrom des erdschlussbehafteten Abganges A ist:

  
• Bei isolierten Netzen entspricht der Strom i_0ΣX der Summe der Nullströme der gesunden Abgänge, aber mit umgekehrtem Vorzeichen.
• Bei gelöschten Netzen ist der eingeschwungene Wert i_0ΣX, abhängig von der Größe der Petersenspule und die Kurvenform kann sogar der eines gesunden Abganges sehr ähnlich werden.
• Am Beginn des Erdschlusses ist der Anteil des Stromes durch die Petersenspule gering.
• Aus A) ist ersichtlich, dass aus dem Proportionalitätsfaktor die Nullkapazität der Leitung errechnet werden kann. Damit besteht die Möglichkeit die Auslöseempfindlichkeit des Relais in Form der Nullkapazität der gesunden Leitungslänge zu definieren.
• Da nur die Aufladeschwingung betrachtet wird, können Tiefpassfilter der Messung von u₀ und i_0ΣX vorgeschaltet werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur selektiven Erfassung von Erdschlusswischern in Drehstromnetzen gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Kontinuierliches Abtasten und Speichern der Verlagerungsspannung u₀ und des Nullstromes i_0ΣX in einem Abgang; – Erkennen des erstmaligen Überschreitens der Verlagerungsspannung u₀ eines eingestellten Grenzwerts u_ERD zum Zeitpunkt t₁ im Falle eines Erdschlusses; – Suche im Speicher nach dem Zeitpunkt t₀ des Nulldurchganges der Verlagerungsspannung u₀ vor dem oben definierten erstmaligen Erdschlusseintritt zum Zeitpunkt t₁; – Speichern der Verlagerungsspannung u₀ und des Nullstromes i_0ΣX ab diesem Zeitpunkt t₀ bis zum definierten Erdschluss t₁. – Berechnung der Nullstrom-Summenkurve i_{0ΣA_SUMME} durch aufsummieren des Nullstromes i_0ΣX bei zeitäquidistanter Abtastung, andernfalls muss die Zeit zwischen den Abtastpunkten berücksichtigt werden bzw. ein anderes numerisches Integrationsverfahren verwendet werden. – Ermittlung der Steigung und des Offsets zwischen den beiden gespeicherten Kurven i_{0ΣX_SUMME} und u₀ nach bekannten Verfahren der Mathematik wie z.B. Regressionsanalyse, Korrelationsanalyse, Polynominterpolation, Pseudoinverse usw.; – Erkennen eines Erdschlusses in Richtung Sammelschiene bei einer Abweichung des Proportionalitätsfaktors innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches; – Erkennen eines Erdschlusses in Richtung Leitung bei einer größeren Abweichung des Proportionalitätsfaktors als ein vorgegebener zweiter Toleranzbereich.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur genaueren Berechnung zusätzlich die Messwerte, die einige ms nach dem Zeitpunkt t ₁ gemessen worden sind, berücksichtigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung des Zeitpunktes t₀ ein anders definierter Bereich verwendet wird z.B. 10 ms oder der Zeitpunkt des dritten Nulldurchganges vor dem definierten Erdschlusseintritt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nullspannung u₀ über die Messung der drei Spannungen u_{1 E} u_2E und u_3E berechnet wird oder direkt über eine offene Dreieckswicklung gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Summenstromes nach Verfahren wie z.B. – Messung der drei Einzelströme und elektrischer Addition der drei Ströme ( Holmgreen-Schaltung ) – Messung des Summenstromes mit Hilfe eines Kabelumbauwandlers. – Messung der drei Einzelströme und numerische Addition nach der Wandlung im Gerät erfolgt
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schwellwerte für die Abweichung der Proportionalitätsfaktoren eingeführt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf Tiefpassfilter der Messung von u₀ und i_0ΣX vorgeschaltet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Proportionalitätsfaktor der Kurven u₀ und i_0ΣX die Nullkapazität des Abganges berechnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Auslöseschwelle für die Empfindlichkeit des Relais durch Angabe der Nullkapazität des Abganges gesetzt wird.