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Dokumentenidentifikation DE69304160T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0581015
Titel Verfahren zur Bestimmung von Fehlerströmen in Übertragungsleitungen und Fehlerstromfilter zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder Asea Brown Boveri AB, Västerås, SE
Erfinder Eriksson, Leif, S-73391 Sala, SE;
Saha, Murari Mohan, S-722 44 Västeras, SE
Vertreter Hansmann & Vogeser, 65929 Frankfurt
DE-Aktenzeichen 69304160
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 23.06.1993
EP-Aktenzeichen 931100002
EP-Offenlegungsdatum 02.02.1994
EP date of grant 21.08.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse H02H 7/26
IPC-Nebenklasse H02H 3/38   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Fehlerstromes auf Übertragungsleitungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Fehlerstromfilter zur Durchführung des Verfahrens.

Um in der Lage zu sein, in effektiver Weise die Schutzre lais-Algorythmen zu nutzen, die mit der heutigen Technik verfügbar sind, beispielsweise zur Bestimmung der Entfernung von einer Meßstation zu einem Fehler auf einer Übertragungsleitung oder in Distanzschutzeinrichtungen und so weiter, ist eine relativ schnelle Bestimmung des als Folge des Fehlers auftretenden Fehlerstroms erforderlich.

Die meisten Fehlerlokalisierungseinrichtungen basieren auf der Messung der Reaktanz zwischen dem Ort eines Kurzschlusses und dem Ende der Übertragungsleitung, an dem die Fehlerlokalisierungseinrichtung angeordnet ist. Die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung wird jedoch durch den Fehlerwiderstand beeinflußt. Der Grund hierfür besteht darin, daß der durch den Fehlerwiderstand fließende Strom in der Phase etwas verschoben ist gegenüber der Phasenlage des Stromes, der am Ende der Übertragungsleitung gemessen wird, was unter anderem bedingt ist durch den auf der Übertragungsleitung vor dem Auftreten des Fehlers fließenden Strom. Dies bedeutet, daß der Fehlerwiderstand als eine scheinbare Impedanz mit einer Wirkwiderstandskomponente und einer Blindwiderstandskomponente (reaktive Komponente) erfaßt wird. Es ist diese reaktive Komponente, welche die Ungenauigkeit oder den Fehler bei der Entfernungsbestimmung verursacht, da sie die gemessene Reaktanz beeinflußt.

Es wurde eine Anzahl verschiedener Wege zur Kompensation oder Verminderung des Einflusses der Phasendifferenz während der Fehlerentfernungsbestimmung beschrieben. Charakteristisch für die meisten Methoden ist, daß sie versuchen, auf irgendeinem Wege den Fehlerstrom so genau wie möglich zu bestimmen. Ein Verfahren wird beschrieben in einem Aufsatz in LEE Proc. Vol. 130, Pt. C, Nr. 6, November 1983, Seite 311 - 314, "Accurate fault impedance locating algorithm" von A. Wiszniewski. Zusammengefaßt, wird bei diesem Verfahren der Fehlerstrom durch Summierung der Phasenströme bestimmt, was bedeutet, daß angenommen wird, daß der Fehlerstrom gleich dem unausgeglichenen Strom im Erdielter ist. Eine Korrektur des Fehlers in der Entfernungsbestimmung gemäß diesem Aufsatz basiert ferner auf einer Schätzung der Phasendifferenz zwischen dem Gesamtstrom auf der Übertragungsleitung nach Eintritt eines Fehlers und dem Strom durch den Fehlerwiderstand. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der unausgeglichene Strom nicht immer ein gutes Maß für den an der Fehlerstelle fließenden Strom ist, bedingt durch die Tatsache, daß die Fehlerstromverteilung für den Strom des Nullspannungssystems, das heißt, der Verteilungsfaktor DA0, weniger zuverlässig ist als der Verteilungsfaktor DA für den Strom des mitläufigen Systems. Außerdem kann ein großer Teil des Stromes des Nullspannungssystems häufig in Transformatoren abgeleitet werden, die an das zu schützende Objekt angeschlossen sind.

Ein anderes Verfahren wird beschrieben in einem Aufsatz mit dem Titel "An accurate fault locator with compansation for apparent reactance in the fault resistance resulting from remote-end infeed", veröffentlicht in IEEE Transaction on PAS, Band PAS-104, Nr. 2, Feb. 1985, Seite 424 - 436. Außer der Berücksichtigung der Impedanz Z&sub1; der Übertragungsleitung, berücksichtigt diese Fehlerlokalisier-Einrichtung auch die Quellenimpedanzen der Übertragungsleitung, um in der Lage zu sein, das Netz und den Einfluß der Einspeisung von Strom aus beiden Richtungen in die Fehlerstelle mit Hilfe des Verteilungsfaktors DA zu beschreiben. Gemäß diesem Verfahren werden durch wiederholte diskrete Einzelmessungen (Sampling) erfaßte Phasenströme, die in einer Meßstation A an einem Ende der Leitung gemessen wurden, gespeichert, um in der Lage zu sein, die Änderung der Ströme in der Meßstation zu bestimmen, die beim Auftreten eines Fehlers eintreten, das heißt, die Stromänderung IFA ist gleich der augenblicklichenlast und dem Fehlerstrom IA minus dem Laststrom vor dem Eintritt des Fehlers. Die Spannung UA in der Meßstation A kann dabei ausgedrückt werden als die Summe des Spannungsfalles IA p Z&sub1; auf demjenigen Abschnitt der Leitung, der zwischen der Meßstation und der Fehlerstelle liegt, plus der Fehlerspannung IF RF, wobei IF der Strom ist, der durch den Fehlerwiderstand fließt, das heißt

UA = IA p Z&sub1; + IF RF (1)

wobei p die relative Entfernung zum Fehler ist.

Da der durch den Fehlerwiderstand fließende Strom IF einen Strombeitrag auch von der Speisestation am anderen Ende der Übertragungsleitung erhält, weicht IF von IFA ab. Die Beziehung zwischen diesen Strömen ergibt sich aus dem oben ge nannten Verteilungsfaktor wie folgt

IFA = DA IF (2)

Ohne ins Detail zu gehen, kann ferner gezeigt werden, daß

IFA 3/2 (ΔIA - I0A), (3)

wobei ΔIA die Summe der Anderungen der bei A gemessenen symmetrischen Stromkomponenten ist und I0A die Komponente des Nullsystems ist, die im Falle eines Fehlers auftritt. Da

ΔIA - IOA = ΔI1A + ΔI2A, (4)

bedeutet dies außerdem, daß die bei A gemessene Stromänderung, die bei einem Fehler auftritt, ausgedrückt werden kann mit Hilfe der Summe der Änderungen der Ströme des mitläufigen und gegenläufigen Systems im Meßpunkt A. Mit Kenntnis der Werte dieser Ströme kann IFA bestimmt werden, und da auch DA für das betrachtete Netz bekannt ist, kann IF bestimmt werden gemäß

IF = IFA/DA = 3/2(ΔI1A +ΔI2A)/DA (5)

Dies wird normalerweise derart ausgedrückt, daß als Fehlerstrom der nullsystemfreie Teil der Stromänderung verwendet wird, die im Falle eines Fehlers eintritt. Das Lösungsverfahren bedeutet, daß Gleichung (1) nun geschrieben werden kann als

UA = IA p Z&sub1; + (IFA/DA) RF, (1a)

was zu einer quadratischen Gleichung für die Lösung von p führt.

Dergrund für die Verwendung des nullsystemfreien Teils der Stromänderung als Maß für den Fehlerstrom besteht darin, daß die Nulisystemimpedanzen des Netzes einen kleineren Winkel haben und weniger verläßlich sind als die Impedanzen des mitläufigen Systems. Der entsprechende Verteilungsfaktor wird daher weniger zuverlässig und folglich wird auch der Phasenwinkel zwischen dem tatsächlichen und dem gemessenen Fehlerstrom weniger zuverlässig.

Das beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Fehlerstromes ist jedoch kein Verfahren, welches verwendet werden kann, wenn hohe Anforderungen an schnelle Schutzfunktionen gestellt werden. Der Grund hierfür besteht unter anderem darin, daß Ströme sowohl vor und nach Eintritt des Fehlers fourier-gefiltert sind, um die Grundwellen der Ströme zu erhalten, und daß das Verfahren zur Berechnung der Lösung p relativ umfangreich ist.

Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung eines Maßes für den Fehlerstrom wird beschrieben in einem Aufsatz mit dem Titel "Microprocessor-implemented digital filters for the calculation of symmetrical components" von A. J. Degens, veröffentlicht in IEEE Proc., Band 129, Pt. C, Nr. 3, Seite 111 - 118, Mai 1982. Dieses Verfahren zur Bestimmung des Fehlerstromes erfordert jedoch, daß die Sampling-Frequenz ein Vielfaches der Netzfrequenz ist und daß eine Anzahl älterer Samplingwerte gespeichert wird. Das bedeutet, daß eine beträchtliche Zeit vergeht, bevor das Filter zur Gewinnung des Fehlerstromes sich den neuen Bedingungen nach Eintritt eines Fehlers in dem Starkstromnetz angepaßt hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Fehlerstromes auf Übertragungsleitungen zu entwickeln, welches eine sehr schnelle Bestimmung des Fehlerstromes ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabezugrunde, eine Anordnung in Gestalt eines Fehlerstromfilters zu entwickeln, welches mit einer kurzen Aufbauzeitspanne den Fehlerstrom zu ermitteln vermag, der beim Auftreten eines Fehlers in Form eines Kurzschlusses zwischen Erde und einer oder mehrerer Phasen auftritt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Eine weitere Ausgestaltung der Verfahrens ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruchs 2.

Ein Fehlerstromfilter zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruches 3 gekennzeichnet.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zur schnellen Bestimmung des Fehlerstromes, der in einem Starkstromnetz beim Auftreten eines Fehlers fließt, basiert auf dem nullsystemfreien Teil der Stromänderung, die im Zusammenhang mit dem Fehler eintritt. Das Verfahren zur Schätzung des Fehlerstromes IF basiert auf der Summe IFA1,2 der Änderungen der Komponenten des mitläufigen und gegenläufigen Systems in der Meßstation, findet aber in einer Weise statt, die sich erheblich von dem oben bei der Behandlung des Standes der Technik beschriebenen Verfahren unterscheidet. Gemäß der Erfindung wird angenommen, daß IF gleich ist einer linearen Kombination der Summe gemessener Einzelwerte (Samples) des Stromes für jede Phase in zwei benachbarten Zeitpunkten, t&sub1; und t&sub2;, und wobei jeder dieser Samplingwerte mit einem Koeffizienten multipliziert wird, der in solcher Weise gewählt wird, daß der Fehlerstrom in Phase mit den Änderungen des mitläufigen und gegenläufigen Systems gelangt. Die Fehlerstromgleichung für IF hat daher folgende Form:

IF = kR1 IR1+kR2 IR2+kS1 IS1+kS IS2+kT1 IT1+kT2 IT2,

wobei IR1, IS1 und IT1 gleichzeitige Samplingmeßwerte der Ströme in den Phasen R, S und T im Zeitpunkt t&sub1; sind und IR2, IS2 und IT2 entsprechende gleichzeitige Samplingwerte im Zeitpunkt t&sub2; sind. Ein Beispiel dieser Annahme wird verständlich aus dem Folgenden.

Gemäß der obigen Gleichung (5) kann der Fehlerstrom beschrieben werden als

IF = IFA/DA = 3/2 (ΔI1A + ΔI2A)/DA (5)

Gemäß bekannter Technik können die Ströme des mitläufigen und gegenläufigen Systems auch mit Hilfe der Phasenströme ausgedrückt werden, und bei Einführung dieser bekannten Ausdrücke ergibt sich für den Fehlerstrom:

IF = 3/2 (2/3/DAIR + (1/DA/(a-a²) - 1/3/DA)IS + (-1/DA/(a-- a²) - 1/3/DA) IT)

wobei a = 1 exp (j2π/3), das heißt, der Einheitsvektor mit dem Argument 120º.

Dieser Ausdruck zeigt allgemein, daß der Fehlerstrom durch Addition der Phasenströme gewonnen werden kann, nachdem diese zunächst phasenverschoben worden sind.

Es gibt verschiedene alternative Wege zur Bestimmung der Koeffizienten kR1, kR2, kS1... usw. Um nur einen Weg zu zeigen, wird beschrieben, wie die Koeffizienten kR1 und kR2, das heißt die Koeffizienten, mit denen die Samplingwerte IR1 und IR2 zu den Zeitpunkten t&sub1; und t&sub2; multipliziert werden sollen,bestimmt werden können. Als Ausgangspunkt dient die folgende trigonometrische Beziehung:

. IR1 = sinωt&sub1; = sinω(t&sub2; - dt)

wobei dt der Zeitdifferenz zwischen den Samplingwerten entspricht und ωdt die Winkeldifferenz ist.

IR2 = sinωt&sub2;

Das obige Kriterium, das heißt, daß der Koeffizient so gewählt werden sollte, daß die Phasenlage des Ausgangssignals des Filters der Phasenlage des Fehlerstroms entspricht, kann übergeführt werden in die Bestimmung eines Samplingwertes IR3 zur Zeit t&sub2; eines sinusförmigen Stromes mit der gleichen Amplitude wie, in diesem Beispiel, der Strom der Phase R mit einem phasenverschobenen Winkel βR gegenüber der Phase R, das heißt

IR3 = sin (ωt&sub2; - βR)

Der Winkel βR kann bestimmt werden auf der Grundlage des betroffenen Netzes und des Verteilungsfaktors DA im Falle eines Fehlers am Ende der Leitung.

Mit Hilfe der trigonometrischen Berechnungen kann IR3 als Funktion von dt und βR bestimmt werden zu

IR3 = (sinβR/sinωdt)IR1+(cosβR - (cosωdt sinβR)sinωdt)IR2 = kR1IR1 + kR2IR2

In entsprechender Weise können die Koeffizienten der Stromsamplingwerte für die Phasen S und T bestimmt werden. Aus einer ganz allgemeinen Sicht sind die Koeffizienten auf diese Weise abhängig von dem Verteilungsfaktor DA und dem Winkel ωdt zwischen zwei aufeinander folgenden Samplingwerten, das heißt, daß

kx1,2 = f(DA,ωdt)

wobei x für R, S und T steht.

Die Zeichnung zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Fehlerstromfilters gemäß der Erfindung:

Zu der Erfindung gehört eine Anordnung in Gestalt eines Fehlerstromfilters zur Bestimmung des Fehlerstromes, der bei einem Kurzschluß zwischen Übertragungsleitungen und Erde auftritt. Die Erfindung ergibt sich aus der beigefügten Figur. Eine Übertragungsleitung L wird über die Stationen A und B versorgt. Bei F tritt ein Erdfehler auf, der zu einem Erdfehlerstrom IF führt, der von beiden Stationen gespeist wird. Die Impedanz der Leitung und die Quellenimpedanzen sind bekannt, wodurch auch der Verteilungsfaktor DA bekannt ist. In der Station A werden die drei Phasenströme IR, IS und IT in herkömmlicher Weise gemessen. Jeder dieser Meßwerte wird einem zugehörigen Tiefpassfilter (1,2,3) zugeführt und danach einem Samplingglied (4,5,6) für die entsprechende Phase. Über Zeitverzögerungsglieder (7,8,9) mit der Zeitverzögerung "dt", die der Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinander folgenden Samplingmessungen entspricht, wird ein kontinuierlicher und aufeinander folgender Zugang zu zwei Samplingwerten geschaffen, die mit der Zeitdifferenz "dt" für jede Phase gemessen wurden. Wie sich ebenfalls aus der vorangegangenen Beschreibung ergibt, werden die Samplingwerte für die R-Phase mit IR1 und IR2, für die S- Phase mit IS1 und 1S2 und für die T-Phase mit IT1 und IT2 bezeichnet.

Mit Kenntnis des Verteilungsfaktors DA für das betreffende Netz und der Zeitdifferenz "dt" zwischen benachbarten Samplingmessungen können die Koeffizienten kR1, kR2, kS1, kS2, kT1, kT2, beispielsweise wie oben beschrieben, nach der Fehlerstromgleichung

IF = kR1 IR1+kR2 IR2+kS1 IS1+kS2 IS2+kT1 IT1+kT2 IT2 bestimmt werden. Durch Multiplikation der Samplingwerte in den Koeffizienteneinheiten 10,11,12,13,14,15 mit dem entsprechenden Koeffizienten und Lieferung der Produkte an einen Summierer 16 zwecks ihrer Summierung entsprechend der Fehlerstromgleichung erhält man ein Maß für den gerade untersuchten Fehlerstrom IF.

Hinsichtlich der Verwirklichung kann der Fehlerstromfilter in unterschiedlichen, mehr oder weniger integrierten Formen aufgebaut werden. Er kann aus einzelnen Funktionseinheiten bestehen, wie sich ohne weiteres aus der beigefügten Figur ergibt, oder es können einige oder alle der Einheiten einen integrierten Schaltkrels bilden oder die Funktion des Filters kann in einem Computer realisiert werden.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Bestimmung des Fehlerstroms IF auf einer aufgrund eines Kurzschlusses (F) zwischen Erde und einer oder mehreren Phasen (R,S,T) fehlerhaften Übertragungsleitung (L), welches Verfahren auf Messung, Tiefpaßfilterung (1,2,3) und Sampling (wiederholte diskrete Einzelmessungen) (4,5,6) aller Phasenströme beruht, dadurch gekennzeichnet, daß zwei kontinuierlich und aufeinander folgende Samplingwerte jeder Phase IR1, IR2, IS1, IS2, IT1, IT2 mit einem entsprechenden vorbestimmten Koeffizienten kR1, kR2, kS1, kS2, kT1, kT2 multipliziert werden, die derart gewählt werden, daß der Fehlerstrom in Phase gelangt mit den Änderungen des mitläufigen und gegenläufigen Mehrphasensystems, und daß der Fehlerstrom aus der Summe der Produkte besteht, also aus

IF = kR1 IR1+kR2 IR2+kS1 IS1+kS2 IS2+kT1 IT1+kT2 IT2

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten auf Grund des Verteilungsfaktors DA des Starkstromnetzes und der Kreisfrequenz differenz " ωdt" zwischen zwei aufeinander folgenden Samplingwerten in solcher Weise bestimmt werden, daß die Phasenlage von IF der Phasenlage des Fehlerstromes entspricht.

3. Fehlerstromfilter zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 zur Bestimmung des Fehlerstroms IF auf einer aufgrund eines Kurzschlusses (F) zwischen Erde und einer oder mehreren Phasen (R,S,T) fehlerhaften Übertragungsleitung (L), wobei der Fehlerstromfilter auf der Messung aller Phasenströme basiert und Einrichtungen (1,2,3) zur Tiefpaßfilterung der Phaseströme enthält sowie Samplingglieder (4,5,6) zur kontinuierlichen und aufeinanderfolgenden Lieferung von Samplingmeßwerten IR2, IS2, IT2 der tiefpaß-gefilterten Phasenströme enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Fehlerstromfilter Zeitverzögerungsglieder (7,8,9) gehören, die kontinuierlich und aufeinanderfolgend zeitverzögerte Samplingmeßwert IR1, IS1, IT1 des vorangegangenen Samplingintervalis zu liefern vermögen, und daß sowohl die Samplingmeßwerte als auch die zeitverzögerten Samplingmeßwerte Eingangssignale für eine entsprechende Koeffizienten-Einheit (10,11,12,13,14,15) bilden, deren Ausgangssignale, welche die Produkte aus den Strom-Eingangssignalen und den entsprechenden Kolfizienten darstellen, an einen diese Ausgangssignale summierenden Summator (16) angeschlossen sind, dessen Ausgang ein den Fehlerstrom IF entsprechendes Signal liefert.







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