SELECTIVE PROTECTION EARTH FAULT CIRCUIT FOR A HIGH-VOLTAGE CABLE LINE

Abstract: 1. A selective earth protection circuit arrangement for a high-voltage cable section (HKS) having at each end a power circuit breaker (LS, LS') with tripping means (S, S') and current transformers (Iw , Uw , Iw' , Uw' ) detecting the neutral current and the neutral voltage, characterised in that each power circuit breaker (LS, LS') has associated with it a signal-processing facility (ESV, ESV') in the form of a logic gating circuit arrangement having two inputs connected to the outputs of an earth fault direction relay (OER, OER') energized from the current transformers (Iw , Uw , Iw' , Uw' ), while a third input of the logic gating circuit arrangement is connected, by way of means (UST, UST') for detecting the measured value of the voltage transformer, to the current transformer (UW, UW') detecting the neutral voltage, and two connections are provided for an information channel (HAV) common to the two signal-processing facilities (ESV, ESV').

Description: Selektive Erdschlussschutzschaltung für eine Hocbspannungskabelstrecke Die Erfindung bezieht sich auf eine selektive Erd schlussschutzschaltung für eine Hochspannungskabelstrecke, an deren Enden je ein Leistungsschalter mit Auslöseeinrichtung sowie den Nullstrom und die Nullspannung erfassende Wandler vorgesehen sind. In Hochspannungsnetzen mit Erdschlusskompensation wird ein Erdschluss von den eingebauten Netzschutzeinrichtungen, beispielsweise Uberstromzeitschutz, Distanzschutz usw., nicht erfasst und daher nicht abgeschaltet. Die erdschlussbehaftete Leitungs- bzw. Kabel strecke muss zuerst geortet werden. Nachdem die Erdschlussstelle lokalisiert ist, kann die Abschaltung vorgenommen werden. Die Ortung der erdschlussbehafteten Leitung bzw. Kabelstrecke kann, insbesondere in weit ausgedehnten Hochspannungsnetzen, recht zeitaufwendig sein. Im allgemeinen dauert die Lokalisierung der Erdschlussstelle einige Stunden. Die thermische Auswirkung eines Erdschluss-Lichtbogens kann beispielsweise bei in Brücken verlegten Kabelstrecken grosse Schäden verursachen. Hier muss ein Erdschluss spätestens nach 30 s abgeschaltet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine selektive Erdschlussschutzschaltung zu schaffen, mit der ein Erdschluss auf der Hochspannungskabelstrecke schnell erfasst und abgeschaltet wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass jedem Leistungsschalter eine Signalverarbeitungsein richtung in Form einer logischen Verknüpfungsschaltung zugeordnet ist, von der zwei Eingänge an die Ausgänge eines aus den Wandlern gespeisten Erdschlussrichtungsrelais angeschlossen sind, und ein dritter Eingang über eine die Messgrösse des Spannungswandlers erfassende Einrichtung mit dem die Nullspannung erfassenden Wandler verbunden ist, und zwei Anschlüsse für einen beide Signalverarbeitungseinrichtungen gemeinsam zugeordneten Informationskanal vorgesehen sind. Der Vorteil dieser Anordnung ist der, dass die erschlussbehaftete Leitung sofort nach Eintritt des Fehlers automatisch selektiv gemeldet wird, im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, bei denen sie aus einer Anzahl von Meldungen vom Personal im Lastverteiler eruiert werden mussten. Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die die Messgrösse des Spannungswanders erfassende Einrichtung ein Schwellenwertschalter, insbesondere ein S-hmitt-Trigger ist. Damit wird vorteilhafter Weise erreicht, dass die Messung der Richtung der Oberwellenströme erst bei Überschreitung des Schwellenwertes der Verlagerungsspannung erfolgt. Dadurch wird ein fehlerhaftes Ansprechen der Schutzeinrichtung durch Schwebungen im Normalbetrieb des Netzes vermieden. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Erdschlussrichtungsrelais ein auf die bei Erdschluss in den Leitungen auftretenden Oberwellen ansprechendes Relais ist. Die Folge davon ist, dass die Oberwellenströme weder in ihrer Grösse noch in ihrer Richtung durch die 50 Hz-Nullströme bzw. durch die Löschspulen beeinflusst werden. Zur Abgabe einer logisch selektiven Meldung und zur Richtungskontrolle der Oberwellenströme weist die Erfindung das Merkmal auf, dass die als logische Verknüpfungsschaltung ausgebildete Signalverarbeitungseinrichtung zwei UND-Glieder enthält, denen je ein Relais zugeordnet ist, von denen eines zur Uberwachungs des Ausgangs signals und eines zur Überwachung des Informationskanals vorgesehen ist. Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht schliesslich darin, dass der Informationskanal ein die beiden Signalverarbeitungseinrichtungen verbindender Hilfsaderschaltkreis ist, der in jeder Signalverarbeitungseinrichtung über einen Kontakt des den Informationskanal überwachenden Relais geführt ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass sowohl für die Signalübertragung als auch für die Signalkanalüberwachung nur ein einziges Kabel erforderlich ist. Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine prinzipielle Ausbildung der Erdschlussschutzschaltung und Fig. 2 eine genauere Ausbildung einer bei der Schutz- schaltung verwendeten Signalverarbeitungs-Einrichtung. In Fig. 1 sind zwei Netzstationen A, B angedeutet, zwischen denen sich die gegen Erdschluss zu schützende Dreiphasen-Hochspannungskabelstrecke HKS befindet; an jedem Ende der Kabelstrecke ist ein Leistungsschalter LS, LS' mit Auslösespulen S, S' angeordnet, mit dem die Kabelstrecke abgeschaltet werden kann. Zur Erfassung der Erdschlussrichtung werden die Netzgrössen - Strom und Spannung - im sogn. Nullsystem benötigt. Entsprechend der Theorie der symmetrischen Komponenten ist das Nullsystem für die Erdschlussermittlung massgebend. Die nullstromproportionale Messgrösse wird aus Stromwandlern 1w' lw (beispielsweise Eabelum- bau-Stromwandler) in sogenannter Summenstromschaltung und die nullspannungsproportionale Messgrösse aus der in offenem Bereich geschalteten Hilfswicklung von Spannungs wandlern Uw, U' entnommen. w Jedem Ende der Kabel strecke EKS ist ein Schwellenwertschalter UST, UST' beispielsweise in Form eines Schmitt-Triggers, ein die Erdschlussrichtung aus den Oberschwingungen des Netzes ermittelndes ErdschluBrichtungsrelais OER, OER' und eine diesen nachgeordnete Si gnalverarbeitungseinrichtung ESV, ESV' zugeordnet; beide Einrichtungen ESV, ESV' sind in Form einer logischen Verknüpfungsschaltung ausgeführt und über einen HilRsadern- Schaltkreis flAV verbunden, der von ihnen beeinlut wird. Mit den Schwellwertschaltern US, UST' wird der Wert der nullproportionaien Nelsgrösse überwacht, die bei einem ErdschluS-im Hochspannungsnetz auftritt. Wenn der Schwellwert (beispielsweise 25 V) erreicht ist, wird ein Signal UO, U0, erzeugt, das der Signalverarbeitungs-Einrichtung ESV, ESV' zur Weiterverarbeitung zugeführt wird. Die Oberschwingungs-Erdschlussrichtungsrelais OER, OER' dienen zur Richtungserfassung der Erdschlussstelle. Hiezu werden zunächst aus der nullstrom- und nullspannungsproportionalen Messgrösse die Oberschwingungsanteile herausgefiltert, die entweder die netzharmonischen oder die mittels Rundsteueranlage fremdeingespeisten Oberschwingungen sind. Anschliessend wird die Blindleistung ermittelt, die als Kriterium für die Richtung der Erdschlussstelle genommen wird. Die Erdschlussstelle befindet sich in Richtung Leitung bzw. in Richtung Sammelschiene, wenn die Blindleistung induktiv bzw. kapazitiv ist. Die Verwendung der Netzoberschwingung ist vorteilhaft, weil die Erdschlusskompensation nur auf die Kompensation der nullstromproportionalen MeUgrösse mit der Netzgrundschwingung abgestimmt ist. Die Oberschwingungs-Erdschlussrichtungsrelais geben ein Ausgangssignal E-Ltg, E-Ltg' oder E-SS, E-SS' ab, wenn der Erdschluss in Richtung Leitung oder in Richtung Sammelschiene festgestellt wird. Das Ausgangssignal wird der Signalverarbeitungs-Einrichtung ESV, ESV' zugeführt. Die Signalverarbeitungs-Einrichtungen ESV, ESV' in Form logischer Verknüpfungsschaltungen mit dem Hilfsadern-Schaltkreis HAV haben die Aufgabe, nur Erdschlüsse auf der zu schützenden Kabel strecke zu erfassen und mit dem Auskommando AUSK, AUSK' abzuschalten und/oder eine selektive Meldung zur Einleitung von Umschaltvorgängen abzugeben. Der Hilfsadern-Schaltkreis HAV ist nur an einem Ende, beispielsweise in der Station A, an eine Hilfsgleichspannung L+ und L- angeschlossen. Am anderen Ende, in der Station B, sind die beiden Hilfsadern miteinander verbunden, so daM eine geschlossene Stromschleife gebildet ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, umfasst jede Signalver arbeitungs-Einrichtung ESV, ESV' vier Pegelumsetzer PU1 bis PU4, beispielsweise in Form von Optokopplern, ein UND-Glied UG7 mit nachgeordnetem Verzögerungsglied VG7 und Relais Kl mit Arbeitskontakt f, ein weiteres UND Glied UG2, das ein weiteres Relais K2 mit Ruhekontakt d ansteuert. Dem Pegelumsetzer PU I wird das Signal UO, UO' des Schwellwertschalters UST, UST zugeführt; dem Pegelumsetzer PU2 das Signal E-Ltg, E-Stg' des ErdschluBrich- tungsrelais OER, OER'; dem Pegelumsetzer PU5 das Signal E-SS, E-SS' des Erdschlussrichtungsrelais OER, OER' und dem einen Anschluss a des Pegelumsetzers PU4 der einen Signalverarbeitungs-Einrichtung, beispielsweise ESV, der Pluspol L+ einer nicht weiter dargestellten Spannungsquelle, während der andere Anschluss b an eine Leitung c geführt ist, in der der Ruhekontakt des Relais K2 liegt. Der Anschluss e der Signalverarbeitungs-Einrichtung ESV ist über eine der Hilfsadern g (Fig,l) mit dem Anschluss a' des nicht weiter dargestellten Pegelumsetzers PU4' der anderen Signalverarbeitungs-Einrichtung ESV' verbunden, deren Anschluss e' mit dem Minuspol L- der Spannungsquelle verbunden ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird das UND-Glied UG1 von den Pegelumsetzern PU1 bis PU4 angesteuert; der mit dem Pegelumsetzer PUf verbundene Eingang des UND-Gliedes UG1 ist negiert. Am Ausgang des UND-Gliedes UG1 tritt ein Signal entsprechend L auf, wenn vom Schwellwertschalter UST ein Signal UO entsprechend L und vom Erd schlussrichtungsrelais OER ein Signal E-Ltg entsprechend L und vom Hilfsadern-Schaltkreis HAV ein Signal entsprechend L(L+) (Kontakte d geschlossen) sowie vom ErdschluBrich- tungsrelais OER ein Signal entsprechend 0 ausgegeben wird. In diesem Fall wird das Verzögerungsglied mit einstellbarer Einschaltverzögerung VG1 gestartet und nach Ablauf der Verzögerungszeit das Relais Kl angesteuert, mit dessen Arbeitskontakt f das Aus-Kommando AUSK für den jeweiligen Leistungsschalter (Fig. I) gebildet wird. Durch die Berücksichtigung des Signals entsprechend L des Hilfsadern-Schaltkreises HAV (geschlossen) ist sichergestellt, dass eine Ausschaltung erst vorgenommen wird, wenn keines der beiden Oberschwingungs-Erd schlulirichtungsrelais OER, OER' eine Erdschlussstelle in Richtung Sammelschiene feststellt. Wie weiter aus Fig. 2 ersichtlich, wird das UND Glied UGH von den Pegelumsetzern PU1 bis PU3 angesteuert; der mit dem Pegelumsetzer PU2 verbundene Eingang des UND-Gliedes UG2 ist negiert. Am Ausgang des UND-Gliedes UG2 tritt ein Signal entsprechend L auf, wenn vom Schwellwertschalter UST ein Signal U entsprechend L und vom Erdschlunrichtungsrelais OER ein Signal E-SS entsprechend L und ein Signal E-Ltg entsprechend 0 ausgegeben wird. In diesem Fall wird das Relais K2 angesteuert und der zugeordnete Ruhekontakt d geöffnet und der Hilfsadern-Schaltkreis HAV unterbrochen. Damit wird eine absichtliche Unterbrechung des Hilfsadern-Schaltkreises HAV vorgenommen, wenn bei einem Erdschlub vom jeweiligen Oberschwingungs-Erdschlussrichtungsrelais, beispielsweise OER die dschluustelle in Richtung Sammelschiene festgestellt wird. Diese Unterbrechung wirkt als Signal entsprechend 0 auf den Pegelumsetzer PUX der jeweilig anderen Slgnalverarbeitungs-Einrichtung ESV, der damit eingangsseitig spannungslos wird, so daD an dessen Ausgang das bisherige Signal entsprechend L (da das Oberschwingungs-Erdschlussrichtungsrelais OER einen brdschluss in Richtung Leitung festgestellt hat) in entsprechend 0 wechselt, so dab das UND Glied UG1 blockiert wird, das nachgeordnete Relais Kl nicht ansprechen kann und damit auch nicht der Ein-Zu- stand des Leistungsschalters LS (Fig.1) geändert wird. beim Brdschlub treten Ausgleichsvorgänge mit Oberschwingungen auf; das Verzögerungsglied VG1 ist vorgesehen, um eine Ausschaltung des jeweiligen Leistungsschalters erst bei stationlirern Erdschluss zu bewirken. Die Verzögerungszeit ist einstellbar und liegt beispielsweise zwischen etwa 1 und 10 s. Der die beiden Signalverarbeitungs-Einrichtungen verbindende Hilfsadern-Schaltkreis HAV ist nicht zwingend notwendig. Es kann hiefür ein Sende-Emptangs-Kanal, beispielsweise unter Anwendung des Eunkweges, verwendet werden. Die der Station A zugeordnete Signalverarbeitungs- Einrichtung ESV sendet beispielsweise die an den Eingängen h, in ei des UND-Gliedes UG1 stehende Information U0, E-Ltg, S-SS an die der Station B zugeordnete Signalverarbeitungs-Einrichtung ESV'; hat diese einrichtung festgestellt, dass der Erdschluss in Richtung Sammelschiene liegt, so sendet diese Signalverarbeitungs-Einrichtung ESV' keine lnformation an die der Station A zugeordnete Signalverarbeitungs-Einrichtung ESV, so dass der dieser zugeordnete Leistungsschalter LS seinen Schaltzustand unverändert beibehält.

Claims: Patentansprüche: 1. Selektive Erdschlussschutzschaltung für eine Hochspannungskabelstrecke, an deren Enden je ein Leistungsschalter mit Auslöseeinrichtung sowie den Nullstrom und die Nullspannung erfassende Wandler vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Leistungsschalter (IS,LS') eine Signalverarbeitungseinrichtung (ESV,ESV') in Form einer logischen Verknüpfungsschaltung zugeordnet ist, von der zwei Eingänge an die Ausgänge eines aus den Wandlern (Iw UiY,I,' U,') gespeisten Erdschlussrichtungsrelais (OER,OER') angeschlossen sind, und ein dritter Eingang über eine die Messgrösse des Spannungswandlers (usw, Uw') erfassende Einrichtung (UST,UST') mit dem die Nullspannung erfassenden Wandler (UTw,Uw') verbunden ist, und zwei Anschlüsse für einen beiden Signalverarbeitungseinrichtungen (ESV,ESV') gemeinsam zugeordneten Informationskanal (HAV) vorgesehen sind. 2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Messgrösse des Spannungswandlers < U, (Uw,Uw') erfassende Einrichtung (UST,UST') ein Schwellenwertschalter, insbesondere ein Schmitt-Trigger ist. 3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdschlussrichtungsrelais (OER,OER') ein auf die bei Erdschluss in den Leitungen auftretenden Oberwellen ansprechendes Relais ist. 4. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als logische Verknüpfungsschaltung ausge- bildete Signalverarbeitungseinrichtung (ESV,ESV') zwei UND-Glieder (UG1,UG2) enthält, denen je ein Relais (K1,K2) zugeordnet ist, von denen eines (K1) zur Überwachung des Ausgangssignals und eines (g2) zur Überwachung des Informationskanals (HAV) vorgesehen ist. 5. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Informationskanal (HAV) ein die beiden Signalverarbeitungseinrichtungen (ESV,ESV?) verbindender Hilfsadernschaltkreis ist, der in jeder Signalverarbeitungseinrichtung (ESV, ESV') über einen Kontakt (d) des den Informationskanal (HAV) überwachenden Relais (K2) geführt ist.

Inventors: ZIMMERL LUDWIG, ZIMMERL, LUDWIG, ING.
Applicants: AEG AUSTRIA GMBH
Application year: 1983
Main classification: H02H3
IPC codes: H02H3