PROCESS AND DEVICE FOR LOCATING A GROUND FAULT

Abstract: 1. Method for locating a single-line-to-earth short in a meshed earth-short-compensated three-phase system, a) in which method a zero-potential point (4) which is common to all phase conductors (R, S, T) of the three-phase system is earthed (6), via an earth-short arc-suppression coil (5), b) in which the direction of energy flow of the earth-short leakage current flowing during an earth short is detected with the aid of wattmeter-type directional relays installed in the three-phase system or c) the direction of the recharging energy with onset of the earth short in the three-phase system is detected with the aid of momentary-contact-type earth-short relays installed in the three-phase system, d) in which the meshed three-phase system is simulated in a system simulation model and e) the directions of energy flow in the system simulation model are compared with the directions of energy flow in the three-phase system detected by the directional relays or momentary-contact-type earth-short relays, characterised in f) that the line resistances of the meshed three-phase system are simulated by resistive model line resistances (16 to 23) and that the earth-short arc-suppression coil (5) is simulated by a resistive model loss resistance (10), g) that the model line resistances (16 to 23) are associated with model energy flow direction indicating devices, h) that in the system simulation model a model voltage source (15) is connected to the model line resistance (16 to 23) which resistance is located at the suspected root (7) of the earth short, this model voltage source (15) being effectively connected to the model loss resistance (10).

Description: Anordnung zur Lokalisierung eines Erdschlusses. Die Erfindung bezieht sich auf eine Ariordnung zur Lokali- sierung eines einpoligen Erdschlusses in einem vermaschten gelöschten Drehstromnetz mit induktiv über eine Erdschlu3- löschspule geerdetem Nullpunkt, wobei die Energie-Richtung des bei Erdschluss fliessenden Erdschluss-Reststromes bzw. die Richtung der Umlade-Energie bei Eintritt eines Erdschlusses mit Hilfe von im Netz eingebauten wattmetrischen Richtung relais bzw. Erdschlusswischerrelais feststellbar ist und findet Anwendung in der Netzleittechnik. In elektrischen Energieversorgungs-Drehstromnetzen mit in duktiv über eine Erdschlusslöschspule geerdetem Nullpunkt haben einpolige Erdschlüsse lediglich eine Spannungsverlagerung des Nullpunktes zur Folge, d.h. der Betrieb wird nicht unterbrochen Der Nullpunkt des Drehstromsystems wandert aus dem Mittelpunkt des gleichseitigen Spannungsdrei ecks heraus in Richtung auf den Eckpunkt der erdschlussbe- hafteten Phase, d. h der Nullpunkt nimmt Potential gegen Erde an und bei den beiden anderen "gesunden", nicht erdschlussbehafteten Phasen tritt eine Spannungserhöhung gegen Erde ein. Dadurch tritt zu dem symmetrischen 3-Phasensystem ein sogenanntes Nullsystem hinzu, dessen Quelle im Fusspunkt des Erdschlusses gedacht werden kann. Dieses Nullsystem beaufschlagt einen Parallschwingkreis, der in dem galvanisch verbundenen, erdschlussbehafteten- Netz von der an einem Nullpunkt des Netzes gegen Erde geschalteten Erdschlusslöschspule und der Leiter-Erd-Kapazität der beiden gesunden, d.h. nicht erdschlussbehafteten Phasenleiter des Netzes gebildet wird. Bei richtiger Resonanzab stimmung des so gebildeten Parallelschwingkreises auf die Netzfrequenz durch entsprechende Einstellung der Spulenin duktivitat der Erdschlusslöschspule wird im Fusspunkt des Erdschlusses der induktive Spulenstrom von dem kapazitiven Leiter-Erd-Strom gerade kompensiert und es fliesst über die Fehlerstelle gerade noch der sogenannte Erdschluss-Reststrom (= Wattreststrom), ein Wirkstrom, der seine Ursache in der Dämpfung des Schwingkreises hat, in der Hauptsache von dem ohmschen Verlustwiderstand der Spule herrührt, nur zu einem geringen Teil vom ohmschen Ableitungswiderstand herrührt, und nur einen Bruchteil des induktiven Spulenstromes bzw. des kapazitiven Ableitungsstromes beträgt. Die Energierichtung der so über die Fehlerstelle fliessenden Erdschluss-Wirkleistung, d.h. das Produkt aus der Verlagerungsspannung (der Spannung des Nullsystems) und dem ohmschen Erdschluss-Reststrom (Wattreststrom) kann in allen Punkten des erdschlussbehafteten Netzes z.B. am Zeigerausschlag eines Wattmeters festgestellt werden, wobei die Ver lagerungsspannung z.B. an drei sekundärseitig im offenen Dreieck geschalteter. Einphasenspannungswandlern erhalten werden kann, die primrseitig in Stern geschaltet sind und der Summenstrom, der den Wattreststrom als Komponente enthält, über einen Summenstromwandler erhalten wird. Die Energierichtung der Erdschluss-Wirkleistung zeigt somit von allen Punkten des Netzes auf die Fehlerstelle. Eine andere Möglichkeit, den Erdschluss zu orten, besteht darin, die Richtung der bei Eintritt des Erdschlusses anfallenden Umlade-Energie der Leiter-Erd-Kapazitäten zu messen. Die an allen Punkten des Netzes feststellbare Erdschluss-Reststrom-Energierichtung beschreibt somit ein Vektorfeld, dessen Quelle der Fusspunkt des Erdschlusses ist. An allen Netzknoten (sammelschienen) muss dabei die Divergenz gleich Null sein und nur für die erdschlussbehaftete Masche (Leitung) ist sie ungleich Null (ein erdschlussbehafteter Knoten ist in der Praxis sehr selten). Theoretisch wäre es somit bei entsprechendem Aufwand einfach, den Erdschluss zu lokalisieren. Zur Energierichtungsbestimmung gibt es wattmetrische Erdschlussrichtungsrelais bzw. Erdschluss-Wischerrelais, die überall im Netz eingebaut werden können. Jedoch ist die Empfindlichkeit dieser Geräte begrenzt, bzw. sie ist absichtlich verringert, damit Wand- lerfehler keine Fehlanzeigen hervorrufen können. Ferner können solche Geräte aus Kostengründen nur in einigen Hauptknoten des oft vermaschten Netzes installiert werden. In vermaschten Netzen teilt sich desweiteren der Energiefluss des Erdschluss-Reststromes immer mehr auf, je weiter der Fusspunkt des Erdschlusses entfernt ist. Dies wirkt sich dadurch aus, dass nur ein Teil der Geräte anspricht und eine Ermittlung des Fusspunktes des Erdschlusses aus den verblei- benden Richtungsanzeigen schwierig bzw. unmöglich ist. In der Praxis ist es dann nötig, das Netz an mehreren Stellen aufzutrennen und festzustellen in welchem Netzteil der Erdschluss verbleibt (d.h. die Spannungsverlagerung bestehen bleibt) um die Fehlerstelle einzukreisen. Das erfordert Schaltungsmassnahmen, die zum einen die Gefahr von Schalt-Überspannungen und damit von Doppelfehlern mit sich bringen und zum anderen teilweise für den Stromabnehmer störende Abschaltungen verursachen. Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Lokalisierung eines einpoligen Erdschlusses in einem vermaschten gelöschten Drehstromnetz mit induktiv über eine Erschlusslöschspule geerdetem Nullpunkt zu schaffen, die eine schnelle, sichere und für die Stromabnehmer nicht störende Auffindung des Erdschlussfusspunktes ermöglicht, wobei die Richtung des fliessenden Erdschluss-Reststromes mit Hilfe von im Netz eingebauten Relais feststellbar sein soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein Netzsimulationsmodell vorgesehen ist, bei dem die Leitungen des vermaschten Netzes sowie die Erdschlusslöschspule durch ohmsche Leitungswiderstände nachgebildet sind, bei dem in den simulierten Leitungen Richtungsglieder angeordnet sind und bei dem am mutmasslichen Fusspunkt des Erdschlusses zur Simulierung des Erdschlusses eine mit der simulierten Erdschlusslöschspule verbundene simulierte Spannungsquelle eingliederbar ist und dass die im Netz angezeigten mit den im Netzsimulationsmodell simulierten Erdschluss-Reststrom#R < ch- tungsangaben vergleichbar sind. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das eingangs beschriebene bekannte Verfahren zur Lokalisierung eines Erdschlusses wesentlich erleichtert wird und auch bei stark vermaschten Netzen eine rasche Auffindung des Fusspunktes des Erdschlusses ermög licht wird. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Drehstromnetz mit Erdschlusslöschspule bei einpoligem Erdschluss, Fig. 2 ein Ersatzschaltbild des Nullsystems, Fig. 3 ein einpoliges Gleichstromsimulationsmodell für simulierte Erdschlussrichtungsanzeigen in einem vermaschten gelöschten Netz. In Fig. 1 ist ein Drehstromnetz mit Erdschlusslöschspule bei einpoligem Erdschluss dargestellt. Mit Bezugsziffern 1, 2, 3 sind Transformatorwicklungen bezeichnet, die mit den Phasenleitern R, S, T eines Drehstromnetzes verbunden sind. Die Transformatorwicklungen 1, 2, 3 sind sternförmig verbunden und bilden einen gemeinsamen Nullpunkt 4, der über eine einstellbare Erdschlusslöschspule 5 an Erde liegt. Mit Bezugsziffer 7 ist der Fusspunkt eines Erdschlusses im Phasenleiter T bezeichnet. Desweiteren sind in Fig. i die Leiter-Erdkapazität 8 der Phase S und die Leiter-Erd-Kapa- zität 9 der Phase R dargestellt. Durch den Erdschluss im Phasenleiter T tritt, wie eingangs beschrieben, zum symmetrischen 3-Phasensystem ein Nullsystem hinzu, dessen Quelle im Fusspunkt des Erdschlusses gedacht werden kann. In Fig. 2 ist ein Ersatzschaltbild dieses Nullsystems dargestellt. Die Erdschlusslöschspule 5 weist einen ohmschen Verlustwiderstand 10 auf. Der ohmsche Leitungswiderstand zwischen dem Fusspunkt 7 des Erdschlusses und der Erdschlusslöschspule 5 ist mit 11 sowie der ohmsche Leitungswiderstand zwischen dem Fusspunkt 7 des Erdschlusses und der resultierenden Leiter-Erd-Kapazität 13 der "gesunden", nicht erdschluss behafteten Phasenleiter R, S ist mit 12 bezeichnet. Der Leiter#Erd-Kapazität 13 liegt ein Ableitwiderstand 14 parallel. Die ¯gedachte" Nullsystem-Spannungsquelle 15 speist den aus den Zweigen 11 - 5 - 10 - 6 und 12 - 13 - 14 - 6 bestehenden Parallelschwingkreis am Verbindungspunkt der Leitungswiderstände 11/12. Bei richtiger Resonanzabstimmung des so gebildeten Parallelschwingkreises auf die Netzfrequenz durch Einstellung der Erdschlusslöschspule 5 wird, wie eingangs bereits erwähnt, im Fusspunkt 7 des Erdschlusses der induktive Spulenstrom vom kapazitiven Leiter-Erd-Strom gerade kompensiert und es fliesst nur noch der Erdschluss-Reststrom über den Fusspunkt. Die Flussrichtung des Reststromes kann am Zeigerausschlag von im Netz eingebauten Richtungsrelais festgestellt werden. Die festgestellten Richtungen zeigen von allen Seiten des Netzes aus auf den Fusspunkt des Erdschlusses hin. In Fig. 3 ist ein einpoliges Gleichstromsimulationsmodell für eine Erdschlussrichtungsanzeige in einem vermaschten, gelöschten Netz dargestellt. Die einzelnen zwischen dem Fusspunkt 7 des Erdschlusses und der Erdschlusslöschspule mit ohmschen Verlustwiderstand 10 liegenden Leitungen der erdschlussbehafteten Phase T, jeweils repräsentiert durch ihre ohmschen Leitungswiderstände, sind mit den Bezugsziffern 16, 17, 18, 19, 20, 21 und 22 bezeichnet. Da im vorliegenden Beispiel aufgrund der im Netz erhaltenen unvollkommenen Richtungsangaben des Reststromes vermutet wird, dass der Erdschluss in der Masche 23 auftritt, wird eine mit Erde verbundene Gleichspannungsquelle 15 an den ohmschen Leitungswiderstand der Masche 23 angelegt. Am einpoligen Gleichstrommodell wird in der vermuteten erdschlussbehafte- ten Masche 23 ein Erdschluss simuliert und die durch die Simulation erhaltenen Richtungsangaben werden mit den echt erhaltenen Richtungsangaben verglichen. Die Richtungen des fliessenden Erdschluss-Reststromes in den einzelnen Maschen ist dabei durch +/--Kennzeichnung an den einzelnen Lei- tungswiderständen 16 . 23 eingezeichnet, bzw durch die Richtung des Spannungsabfalls. Die Empfindlichkeiten der Richtungsanzeigen im Gleichstromsimulationsmodell müssen dabei denen im Netz entsprechen und die Erdschlussenergie wird im Gleichstromsimulationsmodell entsprechend der Höhe der gemessenen Verlagerungsspannung und des Erdschlusslöschspulenstromes eingestellt. Sind dann die echt erhaltenen Richtungsangaben mit den simulierten Richtungsangaben identisch, so wird die erdschlussverdächtige Masche im Netz freigeschaltet, d.h. die Freischaltung erfolgt gezielt dort, wo im Gleichstromsimulatonsmodell der simulierte Erdschluss auf Verdacht eingebaut wurde. Dabei kann der Vergleich der echten mit den simulierten Richtungsangaben mittels eines Digitalrechners vorgenommen werden, wobei dann das Gleichstrommodell in Form eines Netzmodells in diesem Rechner abgespeichert ist. Bei Verwendung von wattmetrischen Erdschlussrichtungsrelais im Netz kann das Netzmodell die Form eines oben beschriebenen einpoligen Gleichstromnetzmodells haben, da es nur die Richtung des Erdschluss-Reststromes zu simulieren gilt (das Nullsystem ist auf Resonanz mit der Netzfrequenz ab gestimmt). Das Gleiche gilt für Erdschlusswischerelais, da die Umladeenergie bei Eintritt des Erdschlusses die gleiche Richtung nimmt. Der Leitungswiderstand der anderen beiden Phasenleiter R, S und deren ohmschen Beläge können vernachlässigt werden, da die Wattkomponente des Ableitungsstromes im Netz sehr viel geringer ist als der Wattreststrom durch die Löschspule. Das dermassen simulierte Nullsystem wird gespeist von einer Gleichspannungsquelle im Fusspunkt des angenommenen Erdschlusses. Analog der Erdschlussrichtung ist dann die Polarität des Gleichspannungsabfalles über den Ersatzwiderständen der Leitungen.

Claims: Ansprüche 1. Anordnung zur Lokalisierung eines einpoligen Erdschlusses in einem vermaschten, gelöschten Drehstromnetz mit induktiv über eine Erdschlusslöschspule geerdeten Null punkt, wobei die Energie-Richtung des bei Erdschluss flie enden Erdschluss-Reststromes bzw. die Richtung der Umladeenergie bei Eintritt des Erdschlusses mit Hilfe von im Netz eingebauten wattmetrischen Richtungsrelais bzw. Erd- schluss-Wischerrelais feststellbar ist, dadurch #ekennz#ich- net, dass ein Netzsimulationsmodell vorgesehen ist, bei dem die Leitungen des vermaschten Netzes sowie die Brdschluss- löschspule (5) durch ohmsche Leitungswiderstände (10, 16, .¯. 23) nachgebildet sind, bei dem in den simulierten Leitungen Richtungsglieder angeordnet slnd und bei dem am mutmasslichen Fusspunkt (7? des Erdschlusses zur Simulierung des Erdschlusses eine mit der simulierten Erdschlusslöschspule (10) verbundene simulierte Spannungsquelle (15) eln- gliederbar ist und dass die Im Netz angezeigten mit den im Netzsimulationsmodell simulierten Erdschluss-Reststrom-Richtungsangaben vergleic#ibar sind. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzsimulationsmodell als einpoliges Gleichstrom- modell lftt Gleichspannungsquelle (15) ausgeführt ist, wobe be@ die Polarität des Gleichspannungsabfalles über den ohm- schen Leitungswiderständen die Richtung des simulierten Erdschluss-Reststromes bzw. der Umladeenergie angibt.

Inventors: HECHT, SIEGFRIED
Applicants: BBC AKTIENGESELLSCHAFT BROWN, BOVERI & CIE.
Application year: 1981
Main classification: G01R31
IPC codes: G01R31, G01R27