DE1102890B

DE1102890B - Schutzeinrichtung fuer Hochspannungsleitungen

Info

Publication number: DE1102890B
Application number: DES66914A
Authority: DE
Inventors: Erwin Schumm
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1960-02-03
Filing date: 1960-02-03
Publication date: 1961-03-23
Also published as: GB949627A; CH402136A

Description

Schutzeinrichtung für Hochspannungsleitungen Die Erfindung bezieht sich besonders auf eine Schutzeinrichtung für Hochspannungsleitungen. Eine derartige Einrichtung ist nötig, um Hochspannungsleitungen und Starkstromanlagen vor Schaden durch Fehler und Kurzschlüsse zu schützen. Bei einem bekannten Schutzverfahren wird zu diesem Zweck die Phasenlage des Leitungsstroms an beiden Enden der Hochspannungsleitung miteinander verglichen. Bei fehlerfreier Leitung oder bei einem außerhalb des betreffenden Leitungsabschnitts liegenden Fehler ist die Phasenlage der Ströme an beiden Leitungsenden gleich, d. h., die Polarität des Stromes ist zu gleichen Zeitpunkten an beiden Enden der Leitung gleich. Ein Fehler oder Kurzschluß auf der Leitung hat zur Folge, daß die Phasenlage der Leitungsströme bis zu 180° voneinander abweicht, d. h., daß die Polarität des Stromes zu bestimmten Zeitpunkten an beiden Enden, der Leitung verschieden ist. Aus dem Phasenunterschied wird ein Kriterium abgeleitet, das zur Abschaltung der Leitung dient. Dieses Schutzverfahren setzt voraus, daß die Phasenlage der Ströme unverfälscht jeweils von einem Ende der Leitung zum entgegengesetzten Ende übertragen wird. Hierzu ist für jede Übertragungsrichtung ein hochwertiger Übertragungskanal erforderlich, da ständig eine veränderliche Größe genau übertragen werden muß.
Damit nicht kleine Phasenunterschiede, die z. B. bei großen Entfernungen durch Phasendrehungen längs der Leitung entstehen können, schon zu einer Abschaltung der Leitung führen, sind Einrichtungen erforderlich, die erst bei Phasenunterschieden bestimmter Mindestgröße die Abschaltung der Leitung bewirken.
Die Schaltungsanordnung zum Schutz von Hochspannungsleitungen durch Vergleich der Stromphasen an den Leitungsenden und Abschalten der Leitung bei Phasenunterschieden bestimmter Mindestgröße gemäß der Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten derartigen Anordnungen. Insbesondere wird die Störempfindlichkeit sowie die erforderliche Bandbreite für die Übertragung herabgesetzt und die Abschaltung der Leitung in allen Störungsfällen schnell bewirkt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an beiden Leitungsenden Schaltmittel vorgesehen sind, die aus einer mit dem Leitungsstrom am jeweiligen Leitungsende in fester Phasenbeziehung stehenden Wechselspannung Rechteckimpulse bestimmter Impulsdauer ableiten und zum jeweils anderen Leitungsende gegebenenfalls in Form amplituden- und/oder frequenzmodulierter Schwingungen übermitteln, wo Auswerteschaltmittel vorgesehen sind, die den empfangenen, gegebenenfalls demodulierten Impulsen Abtastimpulse sehr kurzer Impulsdauer überlagern, die aus der mit dem Leitungsstrom an diesem Leitungsende in fester Phasenbeziehung stehenden Wechselspannung abgeleitet werden, bei Phasengleichheit an beiden Leitungsenden in der Mitte der empfangenen Impulse liegen, und nur dann Auslöseschaltmittel betätigen und die Abschaltung der Leitung bewirken, wenn sie mit den übermittelten Impulsen nicht koinzident sind. Störungen auf dem Übertragungsweg können sich also nur auswirken, wenn sie während der Dauer der Abtastimpulse auftreten. Da die Dauer dieser Abtastimpulse sehr kurz ist, ergibt sich ein Höchstmaß an Sicherheit.
Vorteilhaft werden die Impulse einer Übertragungsrichtung gegenüber den Impulsen der anderen Übertragungsrichtung phasenverschoben und nur ein übertragungskanal für beide Übertragungsrichtungen benutzt. Hierdurch wird die erforderliche Bandbreite um die Hälfte verringert.
Bei Mehrphasensystemen läßt sich vorteilhaft durch Mischen. der einzelnen Stromphasen eine einzige Vergleichsspannung bilden, die nur bei Störungen auf der Leitung z. B. über eine überstromanregung zur Phasenauswertung herangezogen wird. In diesem Falle werden Impulse über den Übertragungskanal nur bei Auftreten von Störungen übertragen. Während der übrigen Zeit kann der Übertragungskanal für die Übertragung anderer Nachrichten ausgenutzt werden.
Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung zur Überwachung eines Drehstromsystems. Am Eingang E wird eine durch Mischen der einzelnen Stromphasen gewonnene Wechselspannung nur bei Störungen auf der Leitung zugeführt. Der Verlauf dieser Spannung ist in Fig. 2, Zeile 1, dargestellt. Sie wird einem Amplitudenbegrenzer B zugeführt, der auf einen bestimmten Wert, z. B. 0,5 Volt, begrenzt und an seinem Ausgang die in Fig. 2, Zeile 2, dargestellte Spannung an die Kippstufe K abgibt. Diese gibt an ihrem Ausgang die in Fig. 2, Zeile 3, dargestellten Rechteckimpulse mit einem Tastverhältnis 1:1 ab. Diese Impulse werden einerseits der monostabilen Kippstufe K111 zugeführt, die von jeder negativen Flanke für eine bestimmte Zeit ausgelöst wird. Die Ausgangsspannung der monostabilen Kippstufe K 3I1 ist in Fig. 2, Zeile 4, dargestellt. Die Impulsdauer der von der monostabilen Kippstufe K@IT 1 abgegebenen Impulse ist einstellbar, z. B. durch Verändern der Zeitkonstante, und entspricht den zulässigen Phasenunterschieden zwischen den Strömen an beiden Leitungsenden. Bei den in Fig. 2, Zeile 4, dargestellten Impulsen wurde ein zulässiger Phasenunterschied von ±45' angenommen, was bei einer Frequenz von 50 Hz einer Impulsdauer von 5 ms entspricht. Die Impulse nach Fig. 2, Zeile 4, steuern den Tastmodulator 11, der dadurch während der Impulsdauer für die vom Generator G zugeführten Schwingungen durchlässig wird, die über den Übertragungskanal UK zum anderen Leitungsende übertragen werden. Dort gelangen sie über das Empfangsfilter F, den Verstärker l', die Gleichrichterschaltung Gr und den Tiefpaß TP an den Eingang der monostabilen Kippstufe K 113.
Für die andere Übertragungsrichtung wird am Eingang E' eine durch Nischen der einzelnen Stromphasen an diesem Leitungsende gewonnene Wechselspannung zugeführt, die gegenüber der entsprechenden Wechselspannung am anderen Leitungsende um 180° phasenverschoben ist und die ebenfalls nur bei Störungen auf der Leitung wirksam wird. Durch die Verschiebung um 180° wird eine Verschachtelung der Impulse beider Übertragungsrichtungen erreicht und für die Übertragung nur ein Übertragungskanal benötigt. Der Verlauf dieser Wechselspannung ist in Fig. 2, Zeile 6, dargestellt. Sie wird in dem Begrenzer B' begrenzt (Fig. 2, Zeile 7), in der Kippstufe K' in Rechteckimpulse umgewandelt (Fig. 2, Zeile 8) und steuert die monostabile Kippstufe K-11 1', die an ihrem Ausgang Impulse bestimmter einstellbarer Impulsdauer abgibt (Fig. 2, Zeile 9). Die Schwingungen des Generators G' werden durch diese Impulse in der Modulatorschaltung ilF amplitudenmoduliert und über den Übertragungskanal UK zum anderen Leitungsende übertragen, wo sie über das Empfangsfilter F', den Verstärker h', die Gleichrichterschaltung Gr' und den Tiefpaß TP' der monostabilen Kippstufe KM3' zugeführt werden.
Die Ausgangsspannung der Kippstufe K steuert außerdem eine monostabile Kippstufe KM2. Der Kontakt a sei zunächst als offen angenommen. Diese monostabile Kippstufe K,112 wird ebenfalls nur durch bestimmte Polaritätsänderungen, z. B. durch positive Impulsflanken, ausgelöst und gibt an ihrem Ausgang Abtaktimpulse sehr kurzer Dauer mit einstellbarer Verzögerung ab. Diese Impulse sind in Fig. 2 Zeile 5, dargestellt. Sie werden den vom anderen Leitungsende gesendeten, in Fig. 2, Zeile 9, dargestellten Impulsen überlagert. Die Verzögerung der Impulse nach Fig. 2, Zeile 5, ist einstellbar und so gewählt, daß die Abtastimpulse bei Phasengleichheit zwischen den Strömen an beiden Leitungsenden genau in der Mitte der von dem anderen Leitungsende empfangenen Impulse liegen. Die mit der Übertragung verbundene geringe Laufzeit wird dadurch mit berücksichtigt. Der überlagerte Spannungsverlauf, der sich durch Kombination der Spannungsverläufe nach Fig. 2, Zeile 9, und Fig. 2, Zeile 5, ergibt, ist in Fig. 2, Zeile 11, dargestellt. Falls die Abtastimpulse nicht mit den empfangenen Impulsen koinzident sind, wird die monostabile Kippstufe KM3' ausgelöst, deren Ausgangsspannung in Fig. 2, Zeile 12, dargestellt ist. Sie steuert das abfallverzögerte Relais RL'. Den entsprechenden Spannungsverlauf zeigt Fig. 2, Zeile 13.
Am anderen Leitungsende ist ebenfalls eine monostabile Kippstufe K,112' vorgesehen, die in völlig analoger Weise von der Kippstufe K' gesteuert wird und die in Fig. 2, Zeile 10, dargestellten Abtastimpulse sehr kurzer Dauer und einstellbarer Verzögerung abgibt, die bei Phasengleichheit an beiden Leitungsenden genau in der Mitte der vom anderen Leitungsende empfangenen, in Fig. 2, Zeile 4, dargestellten Impulse liegen. Den Verlauf der überlagerten Spannung zeigt Fig. 2, Zeile 14. Diese Spannung dient zur Steuerung der monostabilen Kippstufe K.1,13, deren Ausgangsspannung Fig. 2, Zeile 15, zeigt. Sie steuert das abfallverzögerte Relais RL. Den entsprechenden Spannungsverlauf zeigt Fig. 2, Zeile 16.
In Fig.2 sind verschiedene Störungsfälle dargestellt. Zunächst ist der Fall angenommen, daß an beiden Leitungsenden keine Störung im Leitungsnetz registriert wird. Demzufolge wird an den Eingängen E und E' keine Wechselspannung zugeführt. Zur Zeit t1 tritt nun außerhalb des geschützten Leitungsabschnittes eine Störung auf, die zwar zu Phasen-und Amplitudenänderungen des Stromes führt, die jedoch an beiden Leitungsenden gleich groß sind, so daß keine Phasenunterschiede entstehen. Nunmehr werden zwar Impulse zum jeweils anderen Leitungsende übertragen, diese sind aber mit den Abtastimpulsen koinzident, so daß die monostabilen Kippstufen KM 3 und KM 3* und die nachgeschalteten Relais RL und RL' nicht betätigt werden. Zur Zeit t2 soll nunmehr ein Fehler innerhalb des Leitungsabschnittes auftreten, der von beiden Seiten gespeist wird und an einem Leitungsende einen Phasensprung von 90° zur Folge hat (Fig. 2, Zeile 6), während am anderen Leitungsende nur ein Amplitudensprung auftritt. Der Phasensprung überschreitet den noch als zulässig erachteten Wert für die Phasenunterschiede von ± 45°. Demzufolge sind die zum jeweils anderen Leitungsende übertragenen Impulse nicht mehr mit den Abtastimpulsen koinzident (Fig. 2, Zeile 11 und 14), und die monostabilen Kippstufen KM3 und KM3' und die nachgeschalteten Relais RL und RV sprechen an (Fig. 2, Zeile 13 und 16). Über die Kontakte rl bzw. rl' werden nunmehr die Leistungsschalter an beiden Leitungsenden betätigt und die Abschaltung der Leitung bewirkt.
Zur Zeit t 3 soll nun eine Störung innerhalb des Leitungsabschnittes auftreten, die nur einseitig gespeist wird (Fig. 2, Zeile 1), was zur Folge hat, daß an einem Leitungsende kein Strom mehr fließt und demzufolge am Eingang E' keine Wechselspannung zugeführt wird (Fig. 2, Zeile 6). Auch in diesem Fall wird die monostabile Kippstufe KM 3' und damit das Relais RL' ausgelöst und die Abschaltung der Leitung an dem Ende bewirkt, an dem die Einspeisung erfolgt (Fig. 2, Zeile 13).
Wie bereits erwähnt, sind den monostabilen Kippstufen K1472 und KM2' Kontakte a und a' vorgeschaltet. Durch diese Kontakte ist die der monostabilen Kippstufe KM 2 bzw. KM Z' zugeführte Ausgangsspannung der Kippstufe K bzw. K' zunächst kurzgeschlossen. Sie öffnen erst eine bestimmte Zeit, z. B. 15 ms nach Auftreten der Störung, so, daß die beiden Kippstufen KM2 und KM2' erst nach dieser Dauer Abtastimpulse abgeben können. Dies ist deshalb nötig, weil die Zuführung der Wechselspannung für den Phasenvergleich an beiden Leitungsenden nicht garantiert gleichzeitig erfolgt und von der Sendeseite ein richtig eingeschwungener Zustand abgewartet werden muß. Die Kontakte a und a' können auch durch elektronische Mittel nachgebildet und ersetzt werden.
Selbstverständlich kann die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung im Rahmen der Erfindung abgeändert oder ergänzt werden. So ist es z. B. möglich, die in eine Rechteckspannung mit dem Tastverhältnis 1 : 1 umgewandelte Wechselspannung zum jeweils anderen Leitungsende zu übertragen. Dort kann diese Rechteckspannung durch jeweils zwei Abtastimpulse abgetastet werden, deren Abstand von den Vorderflanken im Normalfall gleich ist und den als noch zulässig erachteten Phasenunterschieden zwischen den Strömen an beiden Leitungsenden entspricht. Der Aufwand erhöht sich gegenüber dem dargestellten Ausführungsbeispiel nicht, da auf der Empfangsseite zwar eine monostabile Kippstufe mehr zur Erzeugung des zweiten Abtastimpulses benötigt wird, die jedoch auf der Sendeseite wegfällt, da die Rechte:ckimpulse mit dem Tastverhältnis 1 : 1 nicht noch in Rechteckimpulse mit den zulässigen Phasenabweichungen entsprechender Dauer umgewandelt werden müssen.
Selbstverständlich könnten auch die Abtastimpulse übertragen und den hinsichtlich ihrer Impulsbreite entsprechend den zulässigen Phasenabweichungen gewählten Impulsen überlagert werden. Dies ist jedoch aus Störungsgründen unvorteilhaft.
Falls, wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zum Schutz von Mehrphasensystemen durch Mischen der einzelnen Stromphasen, eine Wechselspannung abgeleitet wird, die nur bei Störungen auf der Leitung wirksam wird, kann der Übertragungskanal während der übrigen Zeit zur Übertragung anderer Nachrichten ausgenutzt werden. Die Schaltung ist in diesem Fall so auszuführen, daß diese Nachrichtenübertragung auf die Übertragung der Schutzsignale umgeschaltet wird, sobald Störungen auf der Leitung auftreten.
Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung kann vorteilhaft überall dort angewendet werden, wo ein Vergleich von an räumlich getrennten Stellen auftretenden, im Normalfall gleichen Zuständen hinsichtlich ihrer zeitrichtigen gegenseitigen Lage und eine Kennzeichnung von Abweichungen bestimmter Mindestgröße erforderlich oder erwünscht ist. Dies ist beispielsweise beim Einphasen von Fernschreibübertragungssystemen der Fall.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Schaltungsanordnung zum Vergleich von an räumlich getrennten Stellen auftretenden, im Normalfall gleichen Zuständen hinsichtlich ihrer zeitrichtigen gegenseitigen Lage und zur Kennzeichnung von Abweichungen bestimmter Mindestgröße, vorzugsweise zum Schutz von Hochspannungsleitungen durch Vergleich der Stromphasen an den Leitungsenden und Abschalten der Leitung bei Phasenunterschieden bestimmter Mindestgröße, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Leitungsenden Schaltmittel vorgesehen sind, die aus einer mit dem Leitungsstrom am jeweiligen Leitungsende in fester Phasenbeziehung stehenden Wechselspannung Rechteckimpulse bestimmter Impulsdauer ableiten und zum jeweils anderen Leitungsende, gegebenenfalls in Form amplituden-und/oder frequenzmodulierter Schwingungen übermitteln, wo Auswerteschaltmittel vorgesehen sind, die den empfangenen, gegebenenfalls demodulierten Impulsen Abtastimpulse sehr kurzer Impulsdauer überlagern, die aus der mit dem Leitungsstrom an diesem Leitungsende in fester Phasenbeziehung stehenden Wechselspannung abgeleitet werden, bei Phasengleichheit an beiden Leitungsenden in der Mitte der empfangenen Impulse liegen und nur dann Auslöseschaltmittel betätigen und die Abschaltung der Leitung bewirken, wenn sie mit den übermittelten Impulsen nicht koinzident sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der zum jeweils anderen Leitungsende übermittelten Impulse den als noch zulässig erachteten Phasenunterschieden zwischen den Strömen an beiden Leitungsenden entspricht und die Abtastung durch je einen in der Mitte der empfangenen Impulse liegenden Abtastimpulse erfolgt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Leitungsstrom am jeweiligen Leitungsende in fester Phasenbeziehung stehende Wechselspannung mit Hilfe eines Begrenzers (B, B') und einer von diesem gesteuerten Kippstufe (K, IL') zunächst in eine Rechteckspannung umgewandelt wird und zur Steuerung einer ersten monostabilen Kippstufe (11M1, K,171') dient, die Impulse mit bestimmter, den als zulässig erachteten Phasenunterschieden entsprechender Impulsdauer formt.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste monostabile Kippstufe (KM 1, KM l') nur von Polaritätsänderungen bestimmter Richtung der ihr zugeführten Rechteckspannung ausgelöst wird.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Kippstufe (k, K') auch einer zweiten monostabilen Kippstufe (KM2, KM2') zugeführt wird, die nur von Polaritätsänderungen bestimmter Richtung ausgelöst wird und die mit einer solchen Verzögerung in die stabile Lage zurückkehrt, daß die von ihr abgegebenen und den vom jeweils anderen Leitungsende empfangenen Impulsen überlagerten Abtastimpulse sehr kurzer Impulsdauer bei Phasengleichheit an beiden Leitungsenden in der Mitte dieser Impulse liegen.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den vom anderen Leitungsende empfangenen Impulsen überlagerten Abtastimpulse einer dritten monostabilen Kippstufe (KM3', KM3) zugeführt werden und diese nur dann für einen zum sicheren Ansprechen und Halten eines nachgeschalteten Auslöseorgans, z. B. eines abfallverzögerten Relais (RL, RL') ausreichenden Zeitraum auslösen, wenn sie mit den empfangenen Impulsen nicht koinzident sind bzw. wenn keine Impulse empfangen werden.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum jeweils anderen Leitungsende übermittelten Impulse ein Verhältnis Impulsdauer zu Impulspause von 1: 1 aufweisen und die Abtastung durch je zwei bei Phasengleichheit an beiden Leitungsenden in der Mitte der empfangenen Impulse liegende Abtastimpulse erfolgt, deren Abstand von den Vorderflanken bzw. von den Rückflanken der empfangenen Impulse den als noch zulässig erachteten Phasenunterschieden zwischen den Strömen an beiden Leitungsenden entspricht. B.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastimpulse erst nach einem von den Einschwingvorgängen bestimmten Zeitraum nach Beginn der Störung auftreten oder wirksam werden, z. B. durch Sperren des Eingangs der zweiten monostahilen Kippstufe (KM2, KM2') während dieses Zeitraums (Kontakt a, a.').
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse einer Übertragungsrichtung gegenüber den Impulsen der anderen Übertragungsrichtung vorzugsweise um 180° phasenverschoben sind und beide über einen Übertragungskanal übertragen werden.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Stromphasen abgeleitete Wechselspannung an einem Leitungsende gegenüber der anderen mit entgegengesetzter Po:lung zugeführt wird und die erste monostabile Kippstufe (KM 1, K M 1') durch Polaritätsänderungen einer Richtung (z. B. positiver Richtung) und die zweite monostabile Kippstufe (KM2, KM2') durch Polaritätsänderungen der anderen Richtung (negativer Richtung) auslösbar ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 10, vorzugsweise zur Überwachung von Drehstromsystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Leitungsstrom in fester Phasenbeziehung stehende Wechselspannung durch geeignetes Mischen der einzelnen Stromphasen gewonnen wird und vorzugsweise nur bei Störungen auf der Leitung zum Phasenvergleich herangezogen wird.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungskanal während der Übertragungspausen für die Übertragung anderer Nachrichten ausgenutzt wird.