DE2906110A1

DE2906110A1 - Erddistanzrelais unter verwendung der phasenvergleichsmessung

Info

Publication number: DE2906110A1
Application number: DE19792906110
Authority: DE
Inventors: Stanley Bruce Wilkinson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-02-21
Filing date: 1979-02-17
Publication date: 1979-09-06
Also published as: IT1193177B; FR2417872A1; SE7901478L; GB1603291A; IT7920344A0; ES477892A1; ZA79460B; US4161011A; BR7901037A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Erddistanzschutzrelais für eine übertragungsleitung in einem Wechselstromsystem und insbesondere auf ein Relais, das die Phasenvergleichsmessung anwendet.

Als eine Folge des Fortschrittes in der Festkörpertechnologie sind statische Schutzrelais entwickelt worden. Beispiele für statische Phasenvergleichsrelais sind in der US-PS 4 034 269 beschrieben. Hierin ist eine Schaltungsanordnung zum Unterscheiden zwischen Fehlern mit niedrigem Wert und Fehlern mit hohem Wert beschrieben, so daß bei der Abtastung von Fehlern mit hohem Wert praktisch keine Verzögerung auftritt.

Bei der Phasenvergleichsmessung arbeitet das Relais in der Weise, daß der Winkel zwischen zwei oder mehreren in dem Relais abgeleiteten Phasen (phasors) gemessen wird. Die Phasenvergleichsmessung gestattet die Bildung von sogenannten "Kreischarakteristiken" des Relais, die im wesentlichen die gleichen wie die entsprechenden Charakteristiken von üblichen elektromechanischen Relais sind.

Die US-PS 4 O34 269 beschreibt in ihren Figuren 6 und 7 Beispiele für Schaltungsanordnungen, die für ein Distanzrelais geeignet sind, bei dem die Phasenvergleichsmessung angewendet wird. In, Fig. 1A der vorliegenden Patentanmeldung ist ein Teil der Fig. 6 der US-PS 4 034 269 gezeigt, wobei mehrere Abänderungen für eine Verwendung als ein Erddistanzrelais notwendig sind. Kurz gesagt, dient, in einem Erddistanzrelais gemäß Fig. 1A für eine Phase A ein Koinzidenz-Detektor 286 dazu, die Phasenkoinzidenz bzw. Phasengleichheit zwischen einem Polarisationssignal V„_ |90° und einem Betriebssignal *_A ^Z _R + ^ki _o ^zr ~ ^van abzutasten. Diese Signale werden im folgenden noch näher erörtert. Eine Zeitsteuerung 288 mißt die Dauer der Phasengleichheit und wird tätig, wenn die Phasengleichheit für eine vorbestimmte minimale Zeit, die gleich der Relaisbetriebszeit ist, auftritt. Es sei bemerkt, daß für. einen Fehler innerhalb der beabsichtigten Reichweite des Relais die Phasenkoinzidenz

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größer als eine Viertelperiode oder 4,167 ms ist, so daß die Betriebszeit üblicherweise auf 4,167 ms eingestellt ist. Weiterhin sei bemerkt, daß das Polarisationssignal vorzugsweise die Querspannung, verschoben um 90° voreilend, V_ßC J9O° aufweist, so daß die verschobene Spannung mit der vor dem Fehler bestehenden Spannung der fehlerhaften Phase gleichphasig ist. Die Kombination dieses Polarisationssignales und des Betriebssignales erzeugt eine "variable" Leitwertcharakteristik. D. H. eine Charakteristik, deren Durchmesser eine Punktion der Quellenimpedanz hinter dem Relais und der Relaisbereichseinstellung ist. Eine derartige Charakteristik ist in den Figuren 1B, 1C gezeigt. Fig. 1C zeigt, daß ein Vorteil der "variablen" Leitwertcharakteristik ihre Anpassungsfähigkeit an einen sich verändernden Bogenwiderstand R^ ist. Dieses Relais wird ein querpolarisiertes Erddistanzrelais genannt. Der Vorteil des querpolarisierten Erddistanzrelais ist seine hervorragende Erfassung des Fehlerwiderstandes für einen Fehler von einer einzelnen Leitung gegen Erde.

Obwohl die querpolarisierten, statischen Erddistanzrelais, wie sie in Fig. 1A gezeigt sind, für viele Anwendungsfälle geeignet sind, stellen derartige Relais doch gewisse Sicherheitsprobleme dar. Ein Problem ist die Schwierigkeit der Darstellung durch Berechnungen der Leistungsfähigkeit der "fehlerfreien Phasen-" Einheit bei Erdschluß einschließenden Fehlern (insbesondere bei hohen Lasten), um die Relaiseinstellungen festzulegen, die einen falschen Betrieb verhindern. Ein weiteres Problem ist die Möglichkeit des Überbereiches (overreach) bei Fehlern einer einzelnen Leitung gegen Erde oder bei Fehlern zweier Leitungen gegen Erde, wenn erhebliche Erdfehlerwiderstände und nachteilige Lastverteilungen^vorliegen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes statisches Erddistanzrelais zu schaffen, das mit Phasenwinkelvergleich arbeitet.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung für ein derartiges Relais, wobei ein unerwünschter Relaisbetrieb und ein unerwünschter Nicht-Betrieb des Relais im

ν?

wesentlichen eliminiert sein sollen.

In Übereinstimmung mit der US-PS 4 034 269 wird ein Erddistanzschutzrelais für eine Übertragungsleitung in einem Wechselstromsystem geschaffen. Die Relaisschaltung enthält einen Phasenwinkelvergleich, wobei eine AND-Schaltung auf die Phasengleichheit von einer Mehrzahl von EingangsSignalen anspricht. Das eine Eingangssignal ist ein Arbeitssignal und das andere Eingangssignal ist ein Polarisierungssignal. Das Arbeitssignal steht in Beziehung zu der Summe von (1) dem Produkt des ÜbertragungsIeitungsstromes und einer Nachbildungsimpedanz der Übertragungsleitung und (2) der Übertragungsleitungsspannung. Das Polarisierungssignal steht in Beziehung zu der Übertragungsleitungsspannung. Die Schaltungsanordnung enthält eine Zeitsteuerschaltung, die auf ein Ausgangssignal der AND-Schaltung anspricht, zur Erzeugung eines Ausgangssignales an der Zeitsteuerschaltung, wenn die Phasengleichheit der Signale für eine vorbestimmte Dauer gegeben ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die Schaltungsanordnung ferner Mittel zur Ausbildung wenigstens eines zusätzlichen Eingangssignales, das zu dem Nullstrom oder der Spannung der Übertragungsleitung an dem Relais in Beziehung steht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das zusätzliche Eingangssignal ein Stromüberwachungssignal, das in Beziehung steht zu dem Produkt des Nullstromes der übertragungsleitung an dem Relais und einer Nachbildungsimpedanz der übertragungsleitung. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist das zusätzliche Signal ein zweites Polarisierungssignal, das in Beziehung zu der Nullspannung der Übertragungsleitung an dem Relais steht. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind beide zusätzlichen Eingangssignale vorgesehen. Die Zeitsteuerschaltung erzeugt das Ausgangssignal, wenn die Phasengleichheit aller Eingangssignale für eine vorbestimmte Dauer besteht.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1A ist ein Blockdiagramm von einem Teil einer Schaltungsanordnung für ein bekanntes Erddistanzrelais. Dieses Blockbild ist ähnlich der Fig. 6 der ÜS-PS 4 034 269. In Fig. 1A sind jedoch mehrere Abänderungen für ein Erddistanzrelais enthalten. Der Klarheit halber sind die in Fig. 6 der US-PS 4 034 269 verwendeten Bezugszahlen auch in Fig. 1A verwendet.

Figuren 1B, IC zeigen ein einfaches Energiesystem mit einer zugehörigen variablen Kreischarakteristik.

Figur 2 ist ein funktionelles Blockdiagramm von einem Ausführungsbeispiel eines Erddistanzrelais gemäß der Erfindung, bei dem eine vier Eingänge aufweisende Phasenwinkelvergleichseinrichtung verwendet ist.

Figur 3 ist ein dreiphasiges Spannungsdiagramm und zeigt einen Erdfehler der Phase A mit einem gewissen Fehlerwiderstand.

Figur 4 ist eine schematische Darstellung von einem einphasig gezeigten Teil eines einfachen Energiesystems.

Figur 5 zeigt das in Fig. 4 gezeigte Energiesystem in dreiphasiger Form mit einem zwischen zwei Phasen B und C und Erde auftretenden Fehler.

Figur 6 ist eine Darstellung der von einem Erddistanzrelais gesehenen kompensierten Impedanz bei einem doppelten Leiter-Erdfehler mit variierender Größe des Fehlerwiderstandes .

Figur 7 ist eine Darstellung der von dem Erddistanzrelais gesehenen kompensierten Impedanz bei einem einfachen Leiter-Erdfehler bei variierender Größe des Fehlerwiderstandes .

Figuren 8 und 9 zeigen einen Teil eines funktioneilen Blockdiagramms von anderen Ausführungsbeispielen des Erddistanzrelais gemäß der Erfindung.

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Figur 1OA ist ein Schaltbild von einem Ausftihrungsbeispiel einer integrierenden Zeitsteuerung.

Figur 1OB ist ein Zeitsteuerungsdiagramm für die Zeitsteuerungsschaltung gemäß Fig. 1OA.

Es sei wiederholt, daß Fig. 1A einen Teil der Fig. 6 gemäß der US-PS 4 034 269 zeigt. Fig. 1A enthält die notwendigen Abwandlungen, so daß die Schaltungsanordnung für ein Erddistanzrelais geeignet ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden an dem zwei Eingänge aufweisenden Erddistanzrelais, wie es in Fig. 1A gezeigt ist, mehrere zusätzliche Abwandlungen vorgenommen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Erddistanzrelais gemäß der Erfindung wird eine vier Eingänge aufweisende Phasenwinkelvergleichseinrichtung geschaffen. Auf diese Weise werden die kombinierten funktionellen Charakteristiken einer querpolarisierten Erddistanzeinheit und einer kompensierten Mullfolge-Richtungseinheit erhalten. Wie im folgenden noch näher erläutert wird, eliminieren die vereinigten funktionellen Charakteristiken eines derartigen Relais viele Probleme, die bei der Verwendung von zwei Eingänge aufweisenden Erddistanzrelais auftreten.

In Figur 2 ist ein funktionelles Blockdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiels eines Erddistanzrelais 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Einfachheit halber ist die Schaltungsanordnung zur Ableitung der verschiedenen Eingangssignale in Fig. 2 in Blockform gezeigt, es sei aber darauf hingewiesen, daß diese Schaltungsanordnung geeignete Spannungstransformatoren, Stromtransformatoren und Transaktoren (Nachbildungsimpedanz) umfaßt, die auf geeignete Weise miteinander und mit den Ubertragungsleitungen des Netzes verbunden sind. Das Relais enthält eine vier Eingänge aufweisende Phasenwinkelvergleichseinrichtung 12 für jede Phase. Die Phasenwinkelvergleichseinrichtung 12 ist so angeschlossen, daß sie ihre Eingangssignale von einer Signalgbleitungsschaltung "14 empfängt. Ein Betriebs signal von der Schaltung 14 wird Vorzugs-

weise durch ein Bypass/Filter 16 geleitet, bevor es die Vergleichseinrichtung 12 erreicht. Das Bypass/Filter 16 hat vorzugsweise den gleichen Aufbau wie in der US-PS 4 034 269 und dient dazu, für das gewünschte Ansprechen auf Fehler mit hohen und niedrigen Werten zu sorgen. Ein erstes Polarisierungssignal von der Schaltung 14 wird vorzugsweise durch ein Speicher/Filter 18 geleitet, bevor es die Vergleichseinrichtung 12 erreicht. Das Speicher/Filter 18 besitzt vorzugsweise den gleichen Aufbau wie in der US-PS 4 034 269 (siehe Fig. 7 und Spalte 10, Zeile 60 bis Spalte 11, Zeile 33). Das dritte Eingangssignal in die Vergleichseinrichtung 12 bildet ein zweites Polarisierungssignal. Das vierte Eingangssignal bildet ein Stromüberwachungssignal. Die Phasenwinkelvergleichseinrichtung 12 entwickelt ein Ausgangssignal, wenn eine Koinzidenz der vier Eingangssignale vorliegt, wobei dieses Ausgangssignal solange fortbesteht, wie die Koinzidenz anhält. Das Ausgangssignal der Phasenwinkelvergleichseinrichtung 12 wird einer Zeitsteuerung (Timer) 20 zugeführt, die die Koinzidenzdauer für die vier Eingangssignale mißt. Die Ausgangsgröße der Zeitsteuerung 20 wird einer Auslösesteuerschaltung 21 zugeführt.

Von den vier Eingangssignalen in die Phasenwinkelvergleichseinrichtung stellt das Betriebssignal die Summe der folgenden drei Komponenten dar :

i) (I_A-I_Q) Z_R1 stellt die Nachbildungsimpedanz-Spannung für die positiven und negativen bzw. mitlaufenden und gegenlaufenden Stromkomponenten ("symmetrische Komponenten") dar. Sie enthält auch die positive bzw. mitlaufende Grundbereichseinstellung. I ist proportional zu dem Strom der fehlerbehafteten Phase und I ist proportional zur Nullkomponente des Phasenstromes. Z_R1 ist die positive und negative bzw. mitlaufende und gegenlaufende Grundbereichsimpedanz mit einem Impedanzwinkel, der gleich etwa demjenigen der positiven bzw. mitlaufenden Impedanz der geschützten Leitung ist;

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ii) KIZ stellt die Nachbildungsimpedanzspannung für die

Nullstrom-Komponente dar. K ist eine Verhältnisanzapfung zum Kompensieren des Größenverhältnisses zwischen der Nullimpedanz und der mitlaufenden Impedanz der Leitung. Z_R ist die Nullimpedanz des Grundbereiches mit einem Impedanzwinkel, der etwa gleich demjenigen der Nullimpedanz der Leitung ist. K wird normalerweise so eingestellt, daß

ty

R1 _ positive Leitungsimpedanz ;

KZ Nullimpedanz der Leitung

iii) -TV_AN ist der "Festspannungs-" Anteil des Arbeitssignales, wobei T ein einstellbarer Prozentsatz der Festwerteinstellung ist und V_AN ist die Spannung der Phase A gegen Erde.

Das Arbeitssignal bestimmt den Relaisbereich Ζ_π bei den Nachbildungsimpedanz-Winkeln gemäß der Formel

T
wenn K wie oben beschrieben eingestellt wird.

Die Vereinigung des Arbeitssignales und des ersten Polarisationssignales erzeugt die variable Kreischarakteristik des querpolarisierten Erddistanzrelais (siehe Figuren 1B, 1C). Wie bereits ausgeführt wurde, xst der Vorteil des querpolarisierten Erddistanzrelais dessen hervorragende Erfassung des Fehlerwiderstandes bei Fehlern von einer Leitung gegen Erde. Ein Nachteil des querpolarisierten Distanzrelais ist jedoch die Schwierigkeit gewesen, durch Berechnungen die Leistungsfähigkeit der "fehlerfreien Phasen-" Einheit bei Erdschluß umfassenden Fehlern festzulegen (insbesondere bei hohen Lasten), und die Möglichkeit des Überbereiches von einer der Einheiten bei Erdfehlern von einer oder zwei Leitungen, wenn wesentliche Erdfehlerwiderstände vorliegen. Um den Vorteil des querpolarisierten Relais beizubehalten, aber diese Nachteile zu vermeiden, sind erfindungsgemäß die dritten und vierten Eingangssignale in die Phasenwinkelvergleichseinrichtung 12 vorgesehen.

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Die dritte Eingagsgröße in die Phasenwinkelvergleichseinrichtung 12 ist das zweite Polarisierungssignal c K I Z -V . Dieses

Signal besteht vorwiegend aus dem Bestandteil -V (Nullspannung an dem Relais). Genauer gesagt, ist das Signal proportional zu -V . Die Stromkompensations-Komponente, c K I Z_R , ist bei internen Fehlern gleichphasig mit -V , und sie soll für ein betriebssicheres Polarisierungssignal sorgen, wenn das Relais für eine sehr lange Leitung mit einer sehr kleinen Nullimpedanz der Quelle hinter dem Relais verwendet wird, wobei -V so klein sein kann, daß es durch andere, hier nicht zu berücksichtigende Fehlergrößen beeinträchtigt werden kann. Der Faktor c ist eine Konstruktionskonstante und ist üblicherweise so gewählt, daß das Polarisierungssignal für externe Fehler richtig ist, solange K Z gleich oder kleiner ist als die doppelte Nullimpedanz der Leitung.

Das vierte Eingangssignal in die Phasenwinkelvergleichseinrichtung 12 ist das Stromüberwachungssignal IZ. Dieses Signal soll vorwiegend den Betrieb der Distanzeinheit bei Fehlen des Nullstromes verhindern. Das Fehlen dieses Stromes tritt vor dem automatischen Wiedereinschalten einer mit Shunt-Drosseln ausgerüsteten Leitung auf. Während der Wiedereinschaltungsperiode schwingt die Leitungsspannung mit der normalen Frequenz, die durch die Shunt-Drosseln und die Shunt-Kapazität bestimmt ist. Wenn die Eigenfrequenz recht niedrig liegt, könnte ein Relais ohne das Stromüberwachungssignal bei transienten Vorgängen der Eigenfrequenz während der Wiedereinschaltungsperiode arbeiten und eine erneute Auslösung einleiten, selbst wenn die Wiedereinschaltung anderenfalls erfolgreich sein würde.

Es sei darauf hingewiesen, daß das zweite Polarisierungssignal c K I Z_n -V und das Stromüberwachungssignal I Ζ_π sich ver-

O O KO ^ O KO

einigen zur Bildung einer Null-Richtungseinheit. Somit ist die vier Eingänge aufweisende Einheit gemäß der Erfindung sowohl eine Distanzeinheit als auch eine Null-Richtungseinheit. Ferner sorgen das zweite Polarisierungssignal c K I Z -V und das erste

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Polarisierungssignal V_ßC J9O für Phase A für eine Phasenselektionsfunktion. Das bedeutet, daß für einen einpoligen Erdschluß die ersten und zweiten Polarisierungssignale für die fehlerbehaftete Phaseneinheit im wesentlichen gleichphasig und in den fehlerfreien Phaseneinheiten mehr als 90 phasenverschoben sind.

Auf die oben beschriebenen vier Eingangssignale hin erzeugt die vier Eingänge aufweisende Phasenwinkelvergleichseinrichtung 12 ein Ausgangssignal für die Zeitsteuerung 20, wenn alle Eingangssignale die gleiche augenblickliche Polarität besitzen. Die maximale Blockbreite bzw. Pulsweite des Signales in die Zeitsteuerung 20 wird durch die zwei Eingangssignale mit der maximalen dazwischen befindlichen Winkeltrennung festgelegt. Vorzugsweise ist die Zeitsteuerung 20, die zur Messung der Ausgangsblöcke der Phasenwinkelvergleichseinrichtung 12 verwendet wird, eine integrierende Zeitsteuerung, die eine größere Blockbreite zur Betätigung bei dem ersten Block benötigt, als sie für eine stationäre Kette von Blöcken erforderlich ist. Somit ist die anfängliche transiente Charakteristik des Relais eine "engere" Charakteristik als die stationäre Charakteristik, wodurch, für einen höheren Grad an Sicherheit beim Vorhandensein transienter Vorgänge gesorgt wird, die typischerweise zu Beginn und am Ende von Fehlerzuständen auftreten. Zusätzlich sorgt die integrierende Zeitsteuerung für eine schnellere mittlere Betätigungszeit über dem vollständigen Bereich von Fehlereinfallswinkeln im Vergleich zu einer nicht-integrierenden Zeitsteuerung.

Es wird nun die Arbeitsweise des Schutzrelais gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert. In Figur 3 zeigt ein Phasenspannungsdiagramm für drei Phasen A, B, C die Relation der oben beschriebenen vier Eingangssignale in die Phasenwinkelverglelchseinrichtung 12, wenn ein typischer Erdschluß der Phase A (mit einem gewissen Widerstand) vorhanden ist. Aus Fig. 3 wird deutlich, daß für einen einpoligen Erdschluß der Phase A der maximale Winkel zwischen zwei der vier Eingangssignale in die Winkelvergleichseinrichtung 12 der Phase A der Winkel zwischen dem Polarisierungssignal V_ßC (90° und dem Betriebssignal (i_A -I_Q)Z_R1 + K_Q I_Q Z_Ro -TV^ oder V_Qp ist.

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-X-

Das zweite Polarisierungssignal c K I Z_ -V„ und das Strom-

ο OO λΟ Ο

überwachungssignal I Z_R haben Zwischenphasen-Positionen, so daß unter diesen Umständen ihre Gegenwart die Betriebscharakteristiken der vier Eingänge aufweisenden Erddistanzeinheit der Phase A gemäß der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigen. Somit hat für einen typischen einfachen Erdschluß die vier Eingänge aufweisende Erddistanzeinheit der Phase A gemäß der vorliegenden Erfindung eine Betriebscharakteristik, die durch das erste Polarisierungssignal und das Betriebssignal festgelegt ist, wobei diese Signale die in einer üblichen, zwei Eingänge aufweisenden, querpolarisierten Erddistanzeinheit verwendeten Signale sind. Daher ist die Abhängigkeit der zwei Eingänge aufweisenden Einheit für einfache Erdfehler bei der vorliegenden Erfindung im allgemeinen erhalten.

Es wird nun die Arbeitsweise des vier Eingänge aufweisenden Erddistanzrelais der vorliegenden Erfindung unter denjenigen Bedingungen beschrieben, die für das bekannte, zwei Eingänge aufweisende Erddistanzrelais Sicherheitsprobleme darstellen.

In Fig. 4 ist zu Darstellungszwecken ein einfaches Energiesystem einphasig gezeigt. Das Energiesystem enthält verschiedene Fehlerstellen F und zwei Relaisstellen X, Y. Es sollen Fehlerstellen F4, F1 am Ende der geschützten Leitung angeordnet sein, wie sie von dem Relais Y gesehen werden. In ähnlicher Weise befinden sich Fehlerstellen F2, F5 am Ende der geschützten Leitung, wie sie von dem Relais X gesehen werden. Die Quellen E_T und E sind mit Impedanzen und Impedanzwinkeln gezeigt, die eine typische Relation zu den Leitungsimpedanzen der geschützten Leitung zwischen den Relaisstellen X, Y haben sollen.

Um das Leistungsvermögen des vier Eingänge aufweisenden Relais gemäß der vorliegenden Erfindung besser zu verstehen, wird auf mehrere Kurven und Tabellen Bezug genommen. Die Kurven wurden aus Daten und Berechnungen für die kompensierte Scheinimpedanz, wie sie von den Erddistanzrelais gemäß Fig. 4 gesehen werden, für Erdschluß

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umfassende Fehler aufgetragen. Die kompensierte Impedanz Z ist die Leitungs-Mittelpunktsspannung an der "Relaisstation dividiert durch die kompensierten Phasenströme. Beispielsweise :

Z = AN , wobei OL 1L

¹A ⁺ ²OL " ^Z1L ^Z0L

²OL

ein komplexes Verhältnis der Nulleitungsimpedanz und positiven bzw. mitlaufenden Leitungsimpedanz ist. Die Kurven enthalten die Wirkungen von Fehlerwiderstand und Last (Lastfluß). Die Tabellen wurden von den Daten und Berechnungen abgeleitet und enthalten Näherungswerte. Die Tabellen zeigen die Relaiseingangssignale und die Arbeitsweise für das beschriebene zwei Eingänge aufweisende Relais und das vier Eingänge aufweisende Relais gemäß der Erfindung .

In Tabelle I sind die Ergebnisse für einen einfachen Erdfehler bei F1 (Symmetriepunkt für Relais Y) in dem Energiesystem gemäß Fig. 4 wiedergegeben. L-R und R-L geben die Richtung des Lastflusses an, wobei 30 und 60° den Winkel zwischen den zwei effektiven Quellen Ε_τ, Ε_Ώ anzeigen. R„ ist der Fehlerwiderstand, ge-

Jj K J?

•messen in Einheitswerten der positiven bzw. mitlaufenden Leitungsimpedanz. Die positive bzw. mitlaufende Impedanz der geschützten Leitung Z_1T ist der Einheitswert 1. Die Zahlen in den Spalten für die vier Eingänge stellen die Winkelrelation einer bestimmten Eingangsgröße in bezug auf V™ bei E dar. Die Zahlen in der Spalte A stellen die Dauer der Koinzidenz bzw. Gleichheit (gleiche Polarität) für alle vier Zeitsteuerungseingänge des vier Eingänge aufweisenden Relais dar. Die Zahlen in Spalte B stellen die Dauer der Koinzidenz bzw. Gleichheit für die ersten zwei Zeitsteuerungseingänge dar, d„ h. des vorstehend erläuterten anderen, zwei Eingänge aufweisenden Erddistanzrelais. Die unterstrichenen Zahlen stellen Zustände dar, bei denen das Relais für eine 90°-Charakteristik der Zeitsteuerungseinstellung arbeitet.

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η"

Von besonderem Interesse in Tabelle I ist die im wesentlichen konstante Winkellage des Betriebssignales V_Q und des zweiten Polarisierungssignales oder des Stromüberwachungssignales I Z_n

O KO

für einen Fehler F1 am Ende des Relaisbereiches, wodurch der unerwünschte Betrieb des Relais Y verhindert wird. Dies ist im folgenden durch die Sternchen angezeigt. Die Sternchen zeigen, daß bei Fehlern an oder nahe dem Symmetriepunkt des bekannten, zwei Eingänge aufweisenden Relais, wo ein unerwünschter Betrieb des Relais Y auftreten würde, das vier Eingänge aufweisende Relais gemäß der vorliegenden Erfindung nicht arbeitet. Somit wird eine zusätzliche Sicherheit für das Relais Y geschaffen.

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Einfacher Erdschluß bei Fl

	Last fluß	^RF	TAB	ELL	E 1	X	ά Eingang A	2 Eingang B	Last- fluß	^RF	^V0P	TABE	LLE	2.Pol.	0 Ro	1	Eingang B
	30°R-L	,05	Relais	Phase	A bei	ο Ro	176	176	30°R-L	,05	112	Relais Phase A	8	7	bei Y	90
		,1	^V0P ^l	.PoI-	2.Pol.	8	168	168		,1	119	l.Pol.	15	14	«· ⁴ Eingang A	85
		,5	9	5	8	14	119	119		,5	150	22	46	45	75*	52
		,75	17	5	14	46	98	98		,75	159	22	55	54	75	43
		1	66	5	46	55	80	80		1	165	22	60	59	52	37
co		2	87	5	55	60	36	36		2	174	22	70	69	43	28
O		20	105	5	60	69	0	22		20	184	22	79	78	37	18
co	60°R-L	,05	149	5	69	79	176	179	6O⁰R-L	,05	117	22	12	11	28	107
α»		,1	197	5	79	12	171	173		,1	123	22	19	18	18	101
U? cn		,5	8	9	12	18	129	179		,5	155	44	50	49	74*	69
-*.		1,0	16	9	18	5Ο	89	89		1,0	169	44	65	63	75*	55
O		2,0	60	9	50	64	23	23		2,0	178	44	74	73	69	46
cn	30°L-R	,05	100	9	64	73	166	166	30°L-R	,05	103	44	-2	-3	55	55
O		,1	166	9	73	-2	158	158		,1	109	44	5	4	46	49
		,5	9	-5	-2	4	112	112		,5	141	-22	36	35	55	19
		,75	17	-5	4	36	97	97		,75	150	-22	45	44	49	8
		1	63	-5	36	45	84	84		1	155	-22	51	50	19	3
	60°L-R	,05	78	-5	45	50	163	163	60°L-R	,05	99	-22	-6	-7	8	37
		,1	91	-5	5O	-6	155	155		,1	105	-22	1	0	3	³¹ to
		,5	8	-9	-6	0	113	113		,5	137	-44	32	31	37	1 to
		1,0	16	-9	0	32	90	90		1,0	151	-44	47	46	31	15 0
			58	-9	32	46						-44			0	OD
		81	-9	46						-44	0

Ab

-X-

Ein weiterer Gesichtspunkt bei der Würdigung der Leistungsfähigkeit des Relais bei Lastfluß ist die Wirkung des Lastflusses in dem "klassischen Problem", daß Erddistanzrelais bei Doppelerdschlußfehlern mit Erdfehlerwiderstand zu weit reichen bzw. über das Ziel hinausschießen (overreaching). Ein derartiger Doppelerdschlußfehler ist in Fig. 5 gezeigt. Fig. 6 zeigt das Bild der berechneten kompensierten Impedanz mit zunehmendem Fehlerwiderstand R^ bei einem R-X-Diagramm für die Phasen B und C bei einem Erdschluß zwischen den Phasen B und C. Das Energiesystem ist das gleiche wie in Fig. 4, wobei die Relaisstation bei X und der Fehler bei F5 liegen.

Aus Fig. 6 wird deutlich, daß der erhöhte Fehlerwiderstand bewirkt, daß die Fehlerimpedanz gut in die Betriebscharakteristik der Phase B der meisten Typen von Erddistanzrelais (siehe Fig. 1C) fällt, was insbesondere für den Lastfluß in der Auslöserichtung gilt.

Die folgende Tabelle II gibt die vier Eingänge in die Vergleichseinrichtungen der Phasen B und C unter den gleichen Doppelerdschlußbedingungen an. Daraus wird deutlich, daß, wo das Signal V und das erste Polarisierungssignal weniger als 90 ungleichphasig sind, d. h. wo ein einfaches, zwei Eingänge aufweisendes, querpolarisiertes Relais arbeiten würde, das Signal V und das zweite Polarisierungssignal des vier Eingänge aufweisenden Relais durch eine konstante Abweichung mehr als 90° ungleichphasig sind.

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TABELLE II

	,05	Doppelerdschlußfehler bei F5	Relais	Phase	B bei X	4 iga A
	,1		1 .Pol,	2.PoL	τ 7 ^Eil ¹O²Ro	84
Last fluß	,3	^V0P	239	179	179.	85
30⁰L-R	,6	275	238	195	195	85
	290	240	221	221	84
	317	241	231	231
	327

144

128

103

94

Relais Phase C bei X

30⁰L-R	,05	275	TI 2	179	179	17	17
	,1	290	111	195	195	1	1
	,3	317	109	221	221	0	28
	,6	327	110	231	231	0	37

Somit zeigt das vier Eingänge aufweisende Relais gemäß der vorliegenden Erfindung ein wünschenswertes Verhalten bei Doppelerdschlußfehlern. D. h. das vier Eingänge aufweisende Relais gemäß der vorliegenden Erfindung bietet Sicherheit gegen den unerwünschten Betrieb für Doppelerdschlußfehler.

Ein weiteres Sicherheitsproblem mit dem beschriebenen, zwei Eingänge aufweisenden Erddistanzrelais kann bei einem einfachen Erdschlußfehler bei starken Lastflüssen auftreten. In Fig. 7 ist die kompensierte Impedanz gezeigt, wie sie durch ein Erddistanzrelais unter einfachen Erdfehlerbedingungen bei starkem Lastfluß gesehen wird. Insbesondere zeigt Fig. 7 die kompensierte Impedanz, wie sie von einem Relais der Phase A bei Y für einen Erdfehler der Phase A bei F4 in dem Energiesystem gemäß Fig. 4 gesehen wird. In Fig. sind zwei Werte des R-L-Lastflusses gezeigt, wobei der Fehlerwiderstand Rp von Null bis zum 20-fachen Einheitswert variiert.

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-χ-

In der folgenden Tabelle III, die ähnlich dem rechten Abschnitt der Tabelle I ist, zeigt eine Zusammenstellung der Eingänge für Fig. 7, daß das beschriebene, zwei Eingänge aufweisende Relais
der Spalte B für stärkere Lastflüsse unsicher ist. Wie bereits
vorher, sind Sternchen verwendet, um diejenigen Fälle deutlicher herauszuheben, in denen das vier Eingänge aufweisende Relais
gemäß der vorliegenden Erfindung für zusätzliche Sicherheit gegenüber einem unerwünschten Betrieb sorgt. Diese Sicherheit wird durch die dritten und/oder vierten Eingänge geliefert, wie in dem Fall des zuvor beschriebenen Doppelerdschlußfehlers (Fig. 6 und
Tabelle II).

T A	B	E L	L E	111
Fehler		Phase	A bei	F4
Relais		Phase	A bei	Y

Last fluß	^RF	^V0P	1.PoI.	2.PoI.	¹O²Ro	4 Eingang A	2 Eing B
30⁰R-L	,05	122	22	8	7	75*	SIO
	,1	118	22	15	13	75	84
	,5	150	22	46	45	52	52
	1	164	22	60	59	38	38
6O°R-L	,05	116	44	12	11	75*	108
	,1	123	44	19	18	75*	101
	,5	154	44	50	49.	70	70
	1	169	44	65	63	55	55

Somit ist bezüglich der Sicherheit das vier Eingänge aufweisende Relais der vorliegenden Erfindung von Natur aus sicher für mehrere Zustände, die zuvor für jeden Anwendungsfall Berechnungen erforderten.

Für gewisse Anwendungsfälle sind Abwandlungen des zuvor beschriebenen, vier Eingänge aufweisenden Erddistanzrelais angezeigt.

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Beispielsweise kann für eine einpolige Auslösung und Wiedereinschaltung ein Erddistanzrelais mit einer drei Eingänge aufweisenden Phasenwinkelvergleichseinrichtung vorgesehen sein, wie es teilweise in Fig. 8 gezeigt ist. In einem derartigen Anwendungsfall wird das zweite Polarisierungssignal -V + c K_ I Z_ weg-

O OO i\O

gelassen, und das erste Polarisierungssignal kann V^ + KV,.

(positive bzw. mitlaufende Komponente der Spannung V₂.„) enthalten, da das Ouerpolarisierungssignal und -V während der Polöffnungsperiode falsch sein kann, wenn die Spannungsquelle auf der Leitungsseite des Schalters liegt. Bei einem anderen Erddistanzrelais mit einer drei Eingänge aufweisenden Phasenwinkelvergleichseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Stromüberwachungssignal I Z_R weggelassen sein, wie es teilweise in Fig. gezeigt ist. Das drei Eingänge aufweisende Relais gemäß Fig. 9 ist für Anwendungsfälle geeignet, bei denen die überstromübefwachung durch ein getrenntes Relaiselement vorgenommen wird.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Stromkompensationssignal c K I Z_n^ von dem zweiten Polarisierungssignal weggelas-

O O i\O

sen werden, wenn das Relais als ein Sperrelais verwendet wird, da bei einem derartigen Anwendungsfall die Leitungsimpedanz einen Teil der Schwellenimpedanz hinter dem Relais bildet. Zusätzlich kann das erste Polarisierungssignal V_ßC J90° in einem derartigen Sperrelais ein zusätzliches Stromkompensationssignal haben. Beispielsweise schiebt ein Signal R [(I_A-I_O) Z_R1 + I_Q K_Q Z_Rldas "erinnerte" Signal V„_r an dem Sperrelais näher in die Gleichphasigkeit mit dem "erinnerten" Signal V_„ an dem entfernten Aus-

löserelais, wenn die Last über die Leitung fließt, wodurch eine Winkeltrennung der Spannungen an den zwei Anschlüssen bewirkt wird.

Die Relais gemäß der Erfindung sind geeignet für eine direkte Auslösepflicht, wo die Relais für einen "Unterbereich" gegenüber dem entfernten Anschluß eingestellt sind und ohne Überwachung auslösen. Die Relais können auch überwacht werden durch "Außertritt-¹¹ Abtastrelais, Spannungsfehler-Abtastrelais usw. Die Relais können auch für Richtungsvergleichsrelais verwendet werden, wo das Relais

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für einen "Überbereich" bezüglich des entfernten Anschlusses eingestellt ist und der Auslöse-Ausgang des Relais durch ein Kommunikationssignal überwacht wird, das von dem entfernten. Anschluß empfangen wird, wo die Signalübertragung durch ein Auslöse- oder Sperrelais gesteuert wird.

Obwohl die Querpolarisierungsspannung beschrieben wurde in Verbindung mit einer Phasenverschiebung von 90 voreilend, können für gewisse Anwendungsfälle auch Abwandlungen davon geeignet sein, beispielsweise 120° voreilend. Weiterhin sei bemerkt, daß die Querpolarisierungsspannung zwar für viele Anwendungsfälle vorzuziehen ist, daß bei gewissen Anwendungsfällen jedoch auch andere Polarisierungssignale verwendet werden können.

Für einige allgemeine Überlegungen sei noch einmal auf das funktionelle Blockdiagramm gemäß Fig. 2 Bezug genommen. Daraus wird deutlich, daß die den Phasenströmen I_n, I , I_ von der geschützten Leitung proportionalen Signale in das Relais über nicht gezeigte Transaktoren eintreten, die eine Nachbildungsimpedanz der positiven bzw. mitdrehenden Leitungsimpedanz mit einem typischen Impedanzwinkel von beispielsweise 85 bilden. Ein Signal, das dem Null- oder Reststrom proportional ist, tritt in das Relais über einen weiteren, nicht gezeigten Transaktor ein, der eine Nachbildungsimpedanz der Nullimpedanz einer Leitung mit einem typischen Impedanzwinkel von beispielsweise 75° ist. Die Basisbereichs-Impedanzanzapfungen des Relais, die zur Festlegung der Größe der Nachbildungsimpedanzen verwendet werden, befinden sich auf der Primärwicklung der Transaktoren. Die Spannungskreise sind mit dem Relais über einen Stern/Stern/Dreiecks-Spannungstransformator verbunden, der für eine Trennung bzw. Entkopplung der Spannungssignale sorgt und ein Signal entwickelt, das die Nullspannung darstellt.

Die oben angegebenen Spannungskreise und der Phasenstrom werden durch die Signalableitungsschaltung 14 verarbeitet. Bezüglich einer allgemeinen Erläuterung der Signalableitungsschaltung und

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der schematischen SchaltungsdiagramnB für statische Relais sei auf die Druckschrift "Printed Circuit Cards for MODIII Static Relay Equipment", Instructions GEK-34158A, hingewiesen, die von der Power Systems Management Department, General Electric Company, Philadelphia, Pa., erhältlich ist.

Eine weitere Erläuterung des Hintergrundmaterials kann auch in anderen Publikationen gefunden werden. Beispielsweise sind die Symmetrischen Komponenten in dem Buch' "Symmetrical Components" von Wagner und Evans, veröffentlicht McGraw-Hill Company, 1933, und in der ÜS-PS 3 992 651 beschrieben. Ähnliche Transaktorschaltungen und -Vorrichtungen sind ebenfalls bekannt. Diesbezüglich sei auf die US-PS 3 374 399 verwiesen.

Bezüglich der Zeitsteuerung 20 wurde gefunden, daß vorzugsweise eine integrierende Zeitsteuerung verwendet wird, die mit 100 bezeichnet und in Fig. 1OA gezeigt ist. Die Zeitsteuerschaltung 100 enthält einen Sägezahngenerator 102, der einen Operationsverstärker enthalten kann. Der Sägezahngenerator 102 ist so geschaltet, daß er ansteigende und abfallende Eingangsgrößen auf entsprechende Weise über ein erstes AND-Gatter und einen Inverter 106 empfängt. Der Sägezahngenerator 102 erzeugt ein Sägezahn-Spannungssignal, das einem Pegeldetektor 108 zugeführt wird. Die Ausgangsgröße des Pegeldetektors 108 wird über einen Inverter 107 zum ersten AND-Gatter 104 zurückgeleitet und ferner einem zweiten AND-Gatter 110 zugeführt. Das zweite AND-Gatter 110 erhält auch das Eingangssignal zur Zeitsteuerschaltung 100. Die Ausgangsgröße des zweiten AND-Gatters 110 wird einer augenblicklich aufnehmenden (P) und mit einer Zeitverzögerung wieder abgebenden Zeitsteuerung (TDDO) zugeführt, deren Ausgangsgröße die Ausgangsgröße der Zeitsteuerung 100 darstellt.

Das Zeitsteuerungsdiagrairm gemäß Fig. 1OB zeigt, daß, wenn das Eingangssignal in die Zeitsteuerschaltung 100 hoch ist, der Sägezahngenerator 102 eine positiv ansteigende Spannung erzeugt. Wenn diese positive Sägezahnspannung die Schwellwertspannung des Pegel-

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detektors 108 erreicht, wird die Sägezahnspannung abgestumpft und die augenblicklich aufnehmende und mit einer Zeitverzögerung abgebende Zeitsteuerung 112 erzeugt dessen Ausgangsgröße. Diese Ausgangsgröße dauert solange an, wie die Eingangsgröße hoch ist und für eine Zeit, die gleich der Abfallzeit ist, nachdem die Eingangsgröße kleiner wird. Wenn die Eingangsgröße nach unten geht, bewirkt der Sägezahngenerator 102, daß die Sägezahnspannung eine negative Steigung hat, wobei das Ausgangssignal des Pegeldetektors nach unten geht.

Die Zeitsteuerschaltung 100 besitzt zwei Merkmale, die zu der Kombination von Schnelligkeit und Sicherheit beitragen. Erstens verwendet sie einen Sägezahngenerator mit sowohl "ansteigenden" als auch "abfallenden" Beträgen, um die Wirkung einer "integrierenden Zeitsteuerung" zu erzeugen. Das Ergebnis ist, daß, wenn die Eingangsgröße der Zeitsteuerung einen Spalt kurzer Dauer zwischen den Blöcken aufweist, die Zeitsteuerung nur teilweise zurückgesetzt ist und die Wirkung der Blöcke vor und nach dem Spalt integriert. Das zweite Merkmal besteht darin, daß die Zeitsteuerung sowohl eine "Pulsaufnahme-" als auch eine stationäre Aufnahmeeinstellung besitzt. Um bei dem ersten, an seinem Eingang auftretenden Block tätig zu werden, muß dieser Block breiter sein als die stationäre Einstellung. Typische Einstellungen sind 5,5 ms Pulsaufnahme und 4,2 ms bei stationärem Betrieb für ein System von 6O Hz.

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Claims

«Patentansprüche

f1. jErddistanzschutzrelais mit Phasenvergleichsmessung für eine —übertragungsleitung in einem Energieübertragungssystem mit einem AND-Gatter, das bei einer Phasengleichheit einer Mehrzahl von zugeführten Eingangssignalen ein Ausgangssignal erzeugt, wobei das eine Eingangssignal ein Betriebssignal und ein anderes Eingangssignal ein Polarisationssignal ist und wobei das Betriebssignal in Beziehung steht zu der Summe von einerseits dem Produkt des übertragungsleitungsstromes und einer Nachbildungsimpedanz der Übertragungsleitung und andererseits der Übertragungsleitungsspannung und wobei das Polarisierungssignal in Beziehung steht zu der Übertragungsleitungsspannung, und mit einer Zeitsteuerschaltung, die auf das Ausgangssignal des AND-Gatters anspricht und ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die

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Phasengleichheit der Eingangssignale in das AND-Gatter für eine vorbestimmte Dauer besteht, dadurch gekennzeichnet, daß dem AND-Gatter wenigstens ein zusätzliches Eingangssignal zugeführt wird, das in Beziehung steht zu der Null-Komponente der Spannung oder der Null-Komponente des Stromes der übertragungsleitung an dem Relais.
2. Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zugeführtes zusätzliches Eingangssignal ein Stromüberwachungssignal ist, das in Beziehung steht zu dem Produkt der Null-Komponente des Stromes der Übertragungsleitung an dem Relais und einer Nachbildungsimpedanz der Übertragungsleitung .
3. Schutzrelais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Eingangssignal ein zweites Polarisierungssignal ist, das in Beziehung steht zu der Nu11-Komponente der Übertragungsleitung an dem Relais.
4. Schutzrelais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Polarisierungssignal proportional dem negativen Wert der Null-Spannung ist.
5. Schutzrelais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Polarisierungssignal eine Stromkompensationskomponente enthält.

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