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Verfahren und Meßeinrichtung zum abschnittsweisen Ermitteln eines
mit Dauererdschluß oder Erdschlußwischer behafteten Leitungs- oder Kabelabschnitts
und zum Orten der Erdschlußstelle in kompensierten oder ungelöschten Wechselstromnetzen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Meßeinrichtung zum abschnittsweisen
Ermitteln eines mit Dauererdschluß oder Erdschlußwischer behafteten Leitungs- oder
Kabelabschnitts und zum Orten der Erdschlußstelle in kompensierten oder ungelöschten,
insbesondere vermaschten Wechselstromnetzen.
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Zur Erfassung von Erdschlüssen in Wechselstromnetzen sind Erdschlußrichtungsrelais
bekannt, die nach dem wattmetrischen Prinzip aufgebaut sind und aus den elektrischen
Größen Nullstrom und Nullspannung die Richtung des Erdschlußstromes anzeigen. Unter
Nullstrom und Nullspannung versteht man in einem Drehstromsystem mit symmetrischen
Komponenten mathematisch bekanntlich den Strom JD =1/s ' (JR -I- JS -i- JT) bzw.
die Komponenten der Spannung U0 ='/a # (UR -I- US -f- UT).
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Die Meldeschaltungen der Erdschlußrichtungsrelais sind je nach Ausführung
unterschiedlich. Während eine Ausführung eine verzögerte Richtungsanzeige bevorzugt,
um die mit der Zustandsänderung des Netzes verbundenen Ausgleichsvorgänge erst abklingen
und das Relais im Dauererdschlußzustand messen zu lassen, arbeiten andere Relaistypen
schnell messend, also ohne Verzögerungsschaltung. Die zuletzt genannten Relais sollen
dazu dienen, auch kurzzeitig auftretende Erdschlüsse, sogenannte Erdschlußwischer,
festzustellen, damit Isolationsverschlechterungen in den Netzen rechtzeitig erkannt
werden. Sämtliche bekannten Erdschlußrelais messen jedoch nur die Leistungsrichtung.
Aus den sehr zahlreichen Richtungsangaben muß dann durch telefonische Umfrage in
sämtlichen Stationen diejenige Leitung als fehlerhaft ausfindig gemacht werden,
an deren Anfang und Ende die Erdschlußrichtungsrelais ungleiche Stromrichtungen
anzeigen. Eine andere bekannte Erdschlußsucheinrichtung benutzt anzeigende Wattmeter,
die nach Abklingen. des Ausgleichsvorganges in den Meßkreis der jeweiligen Leitungsabzweige
geschaltet werden, Aus den dann noch fließenden Restwirkströmen, zusammen mit der
Komponente der Nullspannung, kann wohl die Leistungsrichtung und zusätzlich die
Leistungsgröße ermittelt werden, jedoch ist diese Messung gleichfalls zeitraubend
und ungenau. Mit den sogenannten Erdschlußwattmetern können auch nur Dauererdschlüsse
gemessen werden.
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Allen bisher bekannten Erdschlußmeßeinrichtungern haften Nachteile
an, die auf verschiedene Ursachen zurückzuführen sind. Die Leistungsrichtungsanzeigen
sind zweifelhaft, wenn die Messung nach Abklingen der Ausgleichsvorgänge im Netz
vorgenommen wird; weil die verbleibenden Erdschlußrestströme sehr klein sind und
in der Größenordnung der Übersetzungsfehler der Stromwandler liegen.
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Auch durch Winkelfehler der Stromwandler und infolge unsymmetrischer
Belastungsströme können die Richtungsrelais getäuscht werden und fehlerhaft an.-zeigen.
An die zur Erzeugung des Nullstromes nötigen Summenstromwandler werden daher große
Genauigkeitsanforderungen gestellt. Die Wandler müssen besonders gut abgestimmt
werden und sind entsprechend teurer.
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Schnell messende Erdschlußrelais wiederum können ebenfalls fehlerhaft
anzeigen; wenn in parallel geschalteten Leitungen mit unterschiedlichen Kenndaten
die Ausgleichsströme gegenläufig fließen. Wie oszillographische Messungen bei Erdschlußversuchen
gezeigt haben, verläuft der Ausgleichsvorgang mit mittelfrequenten, aperiodisch
gedämpften Schwingungen. Zu Beginn der kapazitiven Umladung im Netz sind vektorielle
Ungleichheiten möglich, die vom Zeitmoment und von der Erdschlußkompensation sowie
von der Eigenfrequenz des Netzes abhängig sind, wodurch ebenfalls fehlerhafte Richtungsangaben
zustande kommen können.
Weiterhin sind Erdschlußsucheinrichtungen
bekannt, mittels deren nur die erdschlußbedingten Ströme hinsichtlich ihrer Phasenlage
verglichen werden, wobei die Sucheinrichtung entweder manuell oder automatisch nacheinander
auf die zu untersuchenden Leitungen geschaltet - wird: Obwohl zur Auswahl fehlerbehafteter
Leitungen nur die Stromverhältnisse untersucht werden, haften diesen Sucheinrichtungen
prinzipiell die gleichen Mängel an wie den wattmetrischen Sucheinrichtungen und
Erdschlußrelais. Die Untersuchungen werden ebenfalls nur nach Abklingen der Ausgleichsvorgänge
im Netz durchgeführt und dienen somit zur Untersuchung der Erdschlußströme. Hierdurch
können die gleichen Fehlanzeigen wie bei wattmetrischen Sucheinrichtungen und Erdschlußrelais
auftreten. Erdschlußwischer lassen sich hiermit ebenfalls nicht feststellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fehlerfreie Selektion
von sowohl Dauererdschlüssen als auch Erdschlußwischern in kompensierten oder ungelöschten
Wechselstromnetzen zu ermöglichen und hierzu eine Meßeinrichtung zu schaffen, die
frei von den Mängeln der bekannten Sucheinrichtungen ist und darüber hinaus die
annähernde Ortung der Fehlerstelle gestattet.
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Die Erfindung nutzt dabei die Tatsache aus, daß zu Beginn eines jeden
Erdschlusses im Netz - bedingt durch die Netzkapazitäten - über die Fehlerstelle
kurzzeitig auf die Dauer von maximal drei Halbwellen ein verhältnismäßig großer
mittelfrequenter, aperiodisch gedämpfter kapazitiver Ausgleichsstrom fließt (z.
B. 100 bis 1000 Hz), dessen Größe von der Entfernung zur Erdschlußstelle
oder der des Erdschlußwischers und von der Verteilung der Netzkapazitäten abhängig
ist. Während die erdschlußfreien Leitungszweige nur Bruchteile des gesamten Erdschlußstromes
führen, fließt über den erdschlußbehafteten Leitungszweig stets der größte Erdschluß-Stromanteil.
Das gleiche trifft für den Ausgleichs-Strom zu. Der mittelfrequente, aperiodisch
gedämpfte kapazitive Ausgleichsstrom klingt nach wenigen Halbwellen sofort wieder
ab, wenn die Ladungsmenge des erdschlußbehafteten Leiters über Erde abgeflossen
ist und die fehlerfreien Leiter infolge Spannungserhöhung gegen Erde eine höhere
Ladungsmenge aufgenommen haben.
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum abschnittsweisen Ermitteln
eines mit Dauererdschluß oder Erdschlußwischer behafteten Leitungs- oder Kabelabschnitts
und zum Orten der Erdschlußstelle in einem kompensierten oder ungelöschten, insbesondere
vermaschten Wechselstromnetz, bei dem mittels Summen- bzw. Nullstromwandler in allen
Abschnitten Nullströme abgebildet und untereinander in Vergleich gesetzt werden.
Erfindungsgemäß wird der Vergleich der beiden größten Nullströme in den beiden dem
erdschlußbehafteten Abschnitt angrenzenden, gegenseitig.in. Nachrichtenverkehr stehenden
Stationen bzw. Meßorten vorgenommen, indem der Einschwingvorgang der mittelfrequent
verlaufenden Nullströme in an sich bekannter Weise nach Gleichrichtung in einem
Kondensator gespeichert wird, und wird mit der Ladung des Kondensators eine-Verzögerungskette
beaufschlagt, deren Ausgangsstrom einen mit einer Zeigerrückgangssperre versehenen
Strommesser beeinflußt. -Die Nullströme werden mit Hilfe besonderer Schaltmittel
nur von den Meßemrichtungen gemessen bzw: werden nur die Meßeinrichtungen selbsttätig
in den Meßvorgang einbezogen, in deren Leitung dieser Ausgleichs- bzw. Nullstrom
einen bestimmten einstellbaren Bruchteil des maximal möglichen Erdschlußstromes
überschreitet, was praktisch nur in der Nähe der Erdschlußstelle der Fäll sein kann.
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Wie bereits dargelegt, ist dieser Ausgleichsstrom in der erdschlußbehafteten
Leitung am größten. Wenn nun zweckmäßig die Skalen der Meßeinrichtungen aller von
einem Netzknotenpunkt abgehenden Leitungen örtlich nebeneinander liegen, also z.
B. in einer Art Schalttafel räumlich vereinigt sind, wird durch einen Vergleich
der von denMeßeinrichtungen angezeigten Werte sofort die mit Erdschluß oder mit
Erdschlußwischer behaftete Leitung auf Grund des größten Zeigerausschlages gekennzeichnet.
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Die Meßeinrichtungen werden zweckmäßig so eingestellt, daß auf Grund
rechnerisch oder empirisch ermittelter Grenzwerte der im gesamten Netz fließenden
Ausgleichsströme ein bestimmter Ausschlag des Meßinstrumentenanzeigers; z. B. bei
einem Dauer-Naherdschluß Maximalausschlag; erreicht wird. Das Meßinstrument wird
mit einer Kontaktanordnung versehen, die nach Erreichen eines vorgegebenen Wertes
des Erdschlußstromes über ein Hilfsrelais die erdschlußbehaftete Leitung im Bedarfsfall
aus dem Netz herausschaltet, damit durch die bei Erdschluß einsetzende Spannungsunsymmetrie
keine weiteren Folgeschäden entstehen können.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit zur
Ortung der Erdschlußstelle, indem als Kriterium für die örtliche Lage der Fehlerstelle
auf der vom Erdschluß befallenen Leitung das Verhältnis der an den beiden Enden
des festgestellten erdschlußbehafteten Abschnittes meßbaren Nullströme unter Einbeziehung
der Nullimpedanzen dient. Die Stromverteilung stellt an Hand der an den beiden Leitungsenden
angezeigten Stromwerte ein Maß für die Lage des Fehlers zwischen den Leitungsabschnitten
dar.
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Es ist einleuchtend, daß die Messung der Ausgleichsströme gegenüber
den wattmetrischen Richtungskontrollen größere Vorzüge aufweist. Jeder kurzzeitig
auftretende Erdschluß, sogenannter Erdschlußwischer, wird mit der gleichen Sicherheit
wie Dauererdschlüsse selektiv und ohne Zeitaufwand erfaßt. Es sprechen nur die in
der Nähe der Fehlerstelle eingebauten Meßeinrichtungen an, so daß von vornherein
bereits eine grobe Eingrenzung der Fehlerstelle gegeben ist und die telefonische
Abfrage aller zum gleichen Netz gehörenden Stationen entfällt.
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Die Meßeinrichtung nach der Erfindung wird durch die kapazitiven Einschwingvorgänge
keinesfalls getäuscht und zeigt stets den richtigen, zeitlich begrenzten Mittelwert
des kapazitiven Ausgleichsstromes an.
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Da stets ein relativ großer Ausgleichsstrom kurzzeitig zur Verfügung
steht, der zur eindeutigen Fehlerselektion allein ausreichend ist, braucht die Genauigkeit
der Summenstromwandler zur Gewinnung des Nullstromes im Gegensatz zu den bisher
erforderlichen, gut abgestimmten Nullstromwandlergruppen nicht besonders groß zu
sein.
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Es ist wichtig, zu beachten, daß nach dem Meßvorgang ein nachträglich
verlaufener Erdschluß das erste Meßergebnis verfälschen kann. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung werden daher relaisgesteuerte Schaltmittel vorgesehen, die nach Ansprechen
der
Zeigerrückgangssperre ein nachträgliches Aufladen des Speicherkondensators verhindern.
Zur Quittierung des Meßwertes und zur Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft
der Meßeinrichtung ist ein handbetätigtes Schaltmittel vorgesehen, das durch Unterbrechung
einer Relais-Ruhestromschaltung die Verbindung zwischen dem Speicherkondensator
und dem Gleichrichter wiederherstellt und gleichzeitig die Zeigerrückgangssperre
über weitere relaisgesteuerte Schaltmittel löst, damit der Meßwertzeiger in die
Ausgangslage wieder zurückschwingen kann.
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Die Meßeinrichtung nach der Erfindung besteht aus einem Anpassungswandler,
der zwei Sekundärwicklungen aufweist und in einem Nullstromwandlerkreis des zu prüfenden
Leitungsabschnittes eingeschaltet ist. Der einen Sekundärwicklung des Anpassungswandlers
ist ein Speicherkreis und in Ergänzung hierzu ein Meßkreis nachgeschaltet.
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An die andere Sekundärwicklung ist über einen Regelwiderstand und
einen Gleichrichter ein Startrelais als Schaltmittel angeschlossen. Der Regelwiderstand
ist dabei so eingestellt, daß bei Erreichen eines bestimmten Bruchteiles des maximal
möglichen Ausgleichsstromes das Startrelais anspricht. Über Schaltmittel, die den
Zeiger eines im Meßkreis Regenden Strommessers bei Maximalausschlag mittels Zeigerrückgangssperre
festhalten, werden weitere Schaltmittel betätigt, die einen im Speicherkreis liegenden
Speicherkondensator von dem Speicherkreis auf den Meßkreis umschalten zwecks Entladung
und Messung der vom kapazitiven Ausgleichsstrom proportional abhängigen elektrischen
Ladungsmenge.
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Zur Messung der mittels des Speicherkondensators gespeicherten Ladungsmenge
ist dem Strommesser eine Verzögerungskette vorgeschaltet, deren Zeitkonstante auf
die verzögerte, aperiodisch gedämpfte Auslenkung des Stromzeigers abgestimmt ist.
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Die von den Startrelais betätigten Schaltmittel sind schnell arbeitende
Relais, wobei das Relais, welches in Verbindung mit einer Zeigerrückgangssperre
den Zeiger des Strommessers festhält, abfallverzögert ist. Die Abfallverzögerung
dieses Relais ist so auf die Zeitkonstante der Verzögerungskette des Meßkreises
abgestimmt, daß der Zeiger genau bei Maximalausschlag festgehalten wird. Die Umschaltung
des Speicherkondensators auf den Meßkreis erfolgt durch ein Relais, welches durch
eine Hilfsspannung gehalten wird, und die Unterbrechung dieser Hilfsspannung und
hiermit die Rückschaltung des Speicherkondensators auf den Meßkreis erfolgt durch
Unterbrechung dieser Hilfsspannung mittels eines handbetätigten Schaltmittels bzw.
mittels einer Rückstelltaste.
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Von der gleichen Hilfsspannung wird die Zeigerrückgangssperre betätigt,
welche den Zeiger freigibt und dieser somit in die Nullstellung zurückkehrt und
die Meßeinrichtung wieder in Bereitschaft ist.
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Zweckmäßigerweise enthält der Strommesser eine Kontaktanordnung, die
nach Erreichen eines rechnerisch oder enipirisch ermittelten einstellbaren Grenzwertes
über ein weiteres Relais den erdschlußbehafteten Leitungsabschnitt aus dem Netz
herausschaltet. Von den gleichen Relais werden zwecks Kontrolle optische und akustische
Signalmittel betätigt.
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An Hand der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung schematisch dargestellt. Von der Hauptleitung RST eines Verbundnetzes
geht ein Leitungszweig rst ab. In letzteren ist wie in jedem anderen Leitungszweig
eine Meßeinrichtung unter Zwischenschaltung eines Summenstromwandlers 1, welcher
den Nullstrom bildet, angeschlossen. Im Nullstromkreis des Summenstromwandlers ist
ein Anpassungswandler 2 mit seinen Sekundärwicklungen 3 und 4 eingeschaltet. Bei
Auftreten eines Erdschlusses oder Erdschlußwischers fließt im Nullstromkreis ein
mittelfrequenter, aperiodisch gedämpfter kapazitiver Ausgleichsstrom und ein diesem
entsprechender Sekundärstrom in den Sekundärwicklungen 3 und 4 des Anpassungswandlers
2. Der sekundäre Ausgleichsstrom wird nach Linearisierung durch den Belastungswiderstand
5 und Gleichrichtung durch den Gleichrichter 6 von dem Kondensator 7 gespeichert.
Gleichzeitig fließt ein Sekundärstrom durch die Sekundärwicklung 4 des Anpassungswandlers
2 und durch den vorher auf einen bestimmten Wert des Ausgleichsstromes eingestellten
Regelwiderstand 8, ferner über den Gleichrichter 9 und das Startrelais
11, wobei der Kondensator 10 als Glättungskondensator und gleichzeitig
zur Nachbeschleunigung des Startrelais 11 dient. Das Startrelais 11 spricht nur
an, wenn der mittels Regelwiderstand 8 eingestellte Strom von dem im Leitungszweigrst
fließendeAusgleichsstromüberschritten wird. Das Startrelais 11 schließt in diesem
Falle die Kontakte 12, 13 und 14. Der Kontakt 14 betätigt die akustische Signalvorrichtung
15; während der Kontakt 13 den Arbeitsstromkreis des Relais 16 und der Kontakt 12
den Parallelkreis des Relais 16 schließt, in welchen zwecks Erzielung einer Abfallverzögerung
der Widerstand 17 und der Kondensator 18 eingeschaltet sind. Nach Schließen des
Kontaktes 12 liegt gleichzeitig eine positive Spannung an dem in diesem Moment noch
offenen Kontakt 19 des Relais 16. Die Kontakte 19; 20 und 21 werden betätigt, und
der Kontakt 21 schaltet lediglich in diesem Ausführungsbeispiel zwecks Aufrechterhaltung
des Parallelkreises des Relais 16 von dem Widerstand 17 auf den Widerstand 22 um,
und der Kondensator 18 hält bis zu seiner Entladung das Relais 16 in der Arbeitsstellung
fest. Durch den verzögerten Kontakt 20 wird der Fallbügel der Zeigerrückgangssperre
32. abgehoben, so daß sich der Zeiger des Strommessers 31 bewegen kann. Die an dem
Kontakt 19 anliegende Spannung wird dagegen über den Vorwiderstand 23 dem Relais
24 sowie dem hierzu parallelliegenden Vorwiderstand 25 und dem optischen Signalmittel
26 zugeführt. Das Relais 24 betätigt den Kontakt 27, wodurch der Kondensator 7,
der bis zu diesem Moment den Ausgleichsstrom aufgespeichert hat, von dem Gleichrichter
6 abgeschaltet und auf die in Ergänzung mit dem Kondensator 7 und dem Kondensator
28 sowie den Widerständen 29 und 30 gebildete Verzögerungskette geschaltet wird.
Der Kondensator 7 entlädt sich somit über diese Verzögerungskette und über den Strommesser
31, wobei die Verzögerungskette zur Erhöhung der Zeitkonstante dient, um eine Anpassung
an die verzögerte, aperiodisch gedämpfte Auslenkung des Strommessers 31 zu bewirken.
In diesem Moment hat sich der Kondensator 18 entladen, und das Relais 16 fällt nunmehr
ab, wodurch die Kontakte 21, 19 und 20 geöffnet werden. Der Fallbügel
der Zeigerrückgangssperre 32 fällt dadurch wieder ab und hält den Zeiger des Strommessers
31 fest, so daß der genaue Meßwert, welcher
dem Betrag des Ausgleichsstromes
entspricht, abgelesen werden kann. Voraussetzung hierfür ist, daß die Abfallzeit
des verzögerten Relais 16 so auf die Zeitkonstante der Verzögerungskette abgestimmt
ist, daß die Zeigerrüekgangssperre genau in dem Moment wirksam wird, wenn der Zeiger
des Strommessers seinen Maximalausschlag erreicht hat. Die Arbeitsspannung für das
Relais 24 ist über den Kontakt 19 des abfallverzögerten Relais 16 geführt, damit
der Kondensator 7 genügend Zeit zur Speicherung des Ausgleichsstromes hat, bevor
durch das Relais 24 mit Kontakt 27 der Entlade- bzw. Meßvorgang eingeleitet wird.
Sobald das Relais 24 betätigt und der Meßvorgang ausgelöst ist, hält sich dasselbe
über den Kontakt 33 und über die Rückstelltaste34 mittels der dort anliegenden Hilfsspannung
selbst fest, während der Kontakt 35 geöffnet wird und damit den Arbeitsstromkreis
des Relais 16 unterbricht, Nach Betätigen der Rückstelltaste 34 wird die Hilfsspannung
für das Relais 24 unterbrochen und dem Relais 16 zugeführt, wodurch sich
die Kontakte 21, 19 und 20 schließen. Der Kontakt 19 arbeitet leer, da sich das
Relais 11 nunmehr nach Abklingen des Ausgleichsstromes in Ruhestellung befindet,
während die gleiche Hilfsspannung, die das Relais 16 betätigt, über Kontakt
20 der Zeigerrückgangssperre 32 zugeführt wird. Dadurch wird die den Zeiger
des Strommessers 31 festhaltende Zeigerrückgangssperre angehoben, so daß der Zeiger
in die Nullstellung zurückfallen kann. Nach Loslassen der Rückstelltaste
34 fällt Relais 16 wieder ab; und der Zeiger wird nach Abfallen der
Zeigerrückgangssperre bis zum Beginn des nächsten Meßvorganges in der Nullstellung
festgehalten. Die Rückstelltaste 34
und das optische Signalmittel
26 werden zweckmäßigerweise an der Frontplatte der Meßeinrichtung angeordnet,
Zweckmäßigerweise ist dem Strommesser eine Kontaktanordnung zugeordnet,, die der
Einfachheit halber nebst der weiteren Einrichtung in der Zeichnung nicht mit dargestellt
ist. Diese Kontaktanordnung steuert ein weiteres Relais, welches im Bedarfsfall
nach Erreichen eines rechnerisch oder empirisch ermittelten, einstellbaren Grenzwertes
den erdschlußbehafteten Leitungsabschnitt automatisch aus dem Netz herausschaltet.