Stromdifferentialschutzanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromdifferentialschutz¬ anordnung für eine elektrische Energieversorgungseinheit mit einer Meß ertvorverarbeitungseinrichtung, in der aus bei einem Fehlerfall an den Enden der Energieversorgungseinheit erfaßten Strömen fortlaufend jeweils Differenzstromwerte gebildet werden, und mit einer Auswerteeinrichtung, in der anhand einer vorgegebenen Abhängigkeit des Differenzstromes vom Stabilisierungsstrom (Ansprechkennlinie) geprüft wird, ob die jeweils gebildeten Differenz- und Stabilisierungsstrom¬ werte einen Punkt auf der einen Seite der Ansprechkennlinie (Sperren-Gebiet) oder einen Punkt auf der anderen Seite der Ansprechlinie (Auslösen-Gebiet) beschreiben, wobei die Aus¬ werteeinrichtung hinsichtlich der Bildung des Sperren-Gebie¬ tes so ausgelegt ist, daß im Sperren-Gebiet zur Erzielung einer Zusatzstabilisierung ein Zusatzstabilisierungs-Bereich vorhanden ist, der durch einen unterhalb einer an einem vorbestimmten Stabilisierungsstromwert beginnenden und in vorgegebener Weise linear mit dem Stabilisierungsstrom ansteigenden Grenzkennlinie liegenden Abschnitt des Sperren- Gebietes definiert ist.

Eine Stromdifferentialschutzanordnung dieser Art ist in Form des Siemens-Digitalen Differentialschutzes 7UT51 V2.1 offen¬ kundig vorbenutzt und in seinem wesentlichen Aufbau in dem zugehörigen Gerätehandbuch mit der Bestell- Nr. C 73000-G 1100-C77-7 beschrieben. Bei dieser bekannten Stromdifferentialschutzanordnung werden - wie bei Stromdif¬ ferentialschutzanordnungen allgemein üblich - die Ströme I-j_ und I2 (vergleiche auch Figur 1) an Enden 1 und 2 einer elek¬ trischen Energieversorgungseinheit 3 erfaßt, bei der es sich beispielsweise um einen Motor, einen Transformator oder einen zu überwachenden Leitungsabschnitt eines elektrischen

Energieversorgungsnetzes handeln kann. Wie Figur 1 ferner erkennen läßt, ist dabei die positive Stromrichtung der Ströme l und _2 so gewählt, daß jeweils in die zu überwa¬ chende elektrische Energieversorgungseinheit 3 hineinflie- ßende Ströme positive Zählrichtung aufweisen. Wie ferner allgemein üblich, werden auch bei der offenkundig vorbenutz¬ ten Stromdifferentialschutzanordnung 4 in einem Fehlerfalle in der elektrischen Energieversorgungseinheit 3 aus den er¬ faßten Strömen I^ und ∑2 Differenzstromwerte gebildet, die sich durch folgende Gleichung (1) beschreiben lassen:

I _DIFF = | _! + I ₂ I (1)

Ferner werden jeweils den Differenzstromwerten zugeordnete Stabilsierungsstromwerte ISTAB erzeugt gemäß folgender Bezie¬ hung (2) :

_ _S TAB = I Iχ | + I I ₂ I (2)

Die Bildung der Differenzstromwerte und der Stabilisierungs¬ stromwerte erfolgt in einer Meßwertvorverarbeitungseinrich- tung, die in der Figur 1 im einzelnen nicht dargestellt ist. In der Meßwertvorverarbeitungseinrichtung wird außerdem - wie dem oben erwähnten Handbuch auf Seite 27 zu entnehmen ist - im Falle eines Transformators als elektrischer Energiever¬ sorgungseinheit die jeweilige Schaltgruppe berücksichtigt, und es werden auch die Nullströme eliminiert.

In einer der Meßwertvorverarbeitungseinrichtung nachgeordne- ten Auswerteeinrichtung erfolgt bei der bekannten Stromdiffe- rentialschutzanordnung eine Auswertung der jeweils gebildeten Differenz- und Stabilisierungsstromwerte dahingehend, daß an¬ hand einer vorgegebenen Abhängigkeit des Differenzstromes vom Stabilisierungsstrom (Ansprech-Kennlinie) geprüft wird, ob die jeweils gebildeten Stromwerte einen Punkt auf der einen Seite der Ansprech-Kennlinie, also im Sperren-Gebiet, oder

einen Punkt auf der anderen Seite der Ansprech-Kennlinie, also im Auslösen-Gebiet, beschreiben. Ergeben sich Strom¬ werte, die im Auslösen-Gebiet liegen, dann wird von der Stromdifferentialschutzanordnung ein Auslöse-Befehl gegeben; bei einem von dem Differenz- und dem zugeordneten Stabilisie¬ rungsstromwert beschriebenen Punkt im Sperren-Gebiet wird ein Auslösebefehl nicht gegeben, weil dies auf einen bezüglich der zu überwachenden elektrischen Energieversorgungseinrich¬ tung außenliegenden Fehler hindeutet.

Wie dem genannten Geräte-Handbuch auf Seite 19 ferner zu ent¬ nehmen ist, wird bei dem offenkundig vorbenutzten Gerät eine Zusatzstabilisierung benutzt, mit der eine Stabilisierung bei Sättigung der zur Stromerfassung erforderlichen Wandler, z.B. der Wandler 5 und 6 gemäß Fig. 1, erreicht werden soll; durch Wandlersättigung kann nämlich ein innerer Fehler vorgetäuscht werden. Im Sperren-Gebiet ist deshalb von der Auswer¬ teeinrichtung ein Zusatzstabilisierungs-Bereich definiert, der einen Abschnitt des Sperren-Gebietes darstellt. Dieser Abschnitt ist durch einen unterhalb einer an einem vorbe¬ stimmten Stabilisierungswert beginnenden und in vorgegebener Weise linear mit dem Stabilisierungsstrom ansteigenden Grenzlinie liegenden Abschnitt des Sperren-Gebietes defi¬ niert.

Durch den beschriebenen Aufbau der bekannten Stromdifferenti¬ alschutzanordnung ist sichergestellt, daß trotz der unver¬ meidbaren Wandlersättigung bei einem bezüglich der zu überwa¬ chenden elektrischen Energieversorgungseinheit außenliegenden Fehler ein Auslösebefehl nicht gegeben wird; dies ist dadurch ermöglicht, daß die Wandler für einige Millisekunden die Ströme noch richtig übertragen und erst danach unter Verfäl¬ schung der Stromwerte in Sättigung gehen. Wird also vor der Sättigung ein außenliegender Fehler erkannt, dann wird bei der bekannten Differentialschutzanordnung eine Blockierung

vorgenommen, die bei einer einen inneren Fehler vortäuschen¬ den Wandlersättigung einen Auslösebefehl verhindert.

Es ist ferner eine Stromdifferentialschutzanordnung für einen Transformator bekannt (Aufsatz von H.-J. Herrmann und U.

Förster "Einsatz von Mikrorechnern für den digitalen Trans¬ formatordifferentialschutz" in der Zeitschrift "msr", 28 (1985) 4, Seiten 157 bis 160, insbesondere Seite 158), in der Differenzstromwerte und Stabilisierungsstromwerte gebildet werden. Die Bildung dieser Stromwerte erfolgt dabei unter Einsatz von Δ-Strömen, die Differenzgrößen zwischen zwei phasengleichen Augenblickswerten der jeweils selben Größe zu unterschiedlichen Zeitpunkten darstellen. Werden mit derarti¬ gen Δ-Strömen gebildete Differenz- und Stabilisierungsstrom- werte zur Auswertung herangezogen, lassen sich aufgrund einer dadurch definierten Pufferzone schwächste innere Fehler von stärksten äußeren Fehlern unterscheiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs be- schriebene, bekannte Stromdifferentialschutzanordnung so weiter zu bilden, daß auch bei einem auf einen äußeren Fehler mit Wandlersättigung folgenden inneren Fehler dieser innere Fehler schnell und zuverlässig erfaßt und ein entsprechender Auslösebefehl gegeben werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält bei einer Stromdifferenti¬ alSchutzanordnung der eingangs angegebenen Art erfindungsge¬ mäß die Auswerteeinrichtung in einer Stabilisierungsschaltung eine Prüfanordnung, die die jeweils gebildeten Differenz- und Stabilisierungsstromwerte dahingehend untersucht, ob sie einen Punkt im Zusatzstabilisierungs-Bereich beschreiben, und die bei einem ersten festgestellten Punkt im Zusatzstabili¬ sierungs-Bereich nach Eintritt des Fehlerfalles ein Sperr¬ signal abgibt; der Prüfanordnung ist eine Blockiereinrichtung mit zugeordneter Rückstelleinrichtung derart nachgeordnet, daß durch das Sperrsignal einerseits die Blockiereinrichtung

aktiviert wird und andererseits bei einem ersten festge¬ stellten Punkt außerhalb des Zusatzstabilisierungs-Bereichs im Verlaufe desselben Fehlerfalles ein in der Rückstellein¬ richtung vorhandenes Zeitglied mit vorgegebener Zeitverzöge- rung gestartet wird, das ausgangsseitig mit einem Rück¬ setzeingang der Blockiereinrichtung in Verbindung steht und nach der vorgegebenen Zeitverzögerung die Blockiereinrichtung zurücksetzt.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Stromdifferen¬ tialschutzanordnung besteht darin, daß auch bei einem auf einen äußeren Fehler unmittelbar folgenden inneren Fehler der zu überwachenden elektrischen Energieverεorgungseinheit ein Auslösebefehl korrekt erzeugt wird, indem die Differenz- und Stabilisierungsstromwerte hinsichtlich der von ihnen be¬ schriebenen Punkte darauf überprüft werden, ob sie im Zu¬ satzstabilisierungs-Bereich liegen. Wenn nach Auftreten eines Fehlers erstmals mit den Differenz- und Stabilisierungs¬ stromwerten ein Punkt im Zusatzstabilisierungs-Bereich fest- gestellt wird, wird ein Sperrsignal zur Aktivierung der

Blockiereinrichtung erzeugt. Da nur bei einem äußeren Fehler die Stabilisierungs- und Differenzstromwerte einen Punkt im Zusatzstabilsierungs-Bereich beschreiben, ist damit bereits festgestellt, daß ein äußerer Fehler vorliegt und insofern eine Blockierung der Blockiereinrichtung erfolgen kann, um die nachfolgend zu erwartende Sättigung der Stromwandler ohne Einfluß auf das Auslöseverhalten der erfindungsgemäßen Stromdifferentialschutzanordnung zu halten. Verläßt die Kurve der Stabilisierungs- und Differenzstromwerte nach einigen Millisekunden den Zusatzstabilisierungs-Bereich, dann wird durch das Zeitglied mit vorgegebener Zeitverzögerung dafür gesorgt, daß während der Wandlersättigung die Blockierein¬ richtung blockiert ist und daher kein Auslösesignal abgeben kann. Es wird also bei der erfindungsgemäßen Stromdifferen- tialschutzanordnung bei einem auf einen äußeren Fehler unmit¬ telbar folgenden inneren Fehler eine Blockierung nicht vom

Bei der erfindungsgemäßen Stromdifferentialschutzanordnung sind das Zeitglied, die Zeitstufe und die Zähleinrichtung vorteilhafterweise über ein Logik-Glied mit dem Rücksetzein¬ gang der Blockiereinrichtung verbunden.

Um bei der erfindungsgemäßen Stromdifferentialschutzanordnung Einflüsse der Phasenlage der erfaßten Ströme auf die Erzeu¬ gung eines Auslösebefehls auszuschließen, enthält bei der er¬ findungsgemäßen Stromdifferentialschutzanordnung die Meßwert- vorverarbeitungseinrichtung eine Berechnungseinheit, in der aus den erfaßten Strömen effektivwertproportionale Meßgrößen gebildet werden, mit denen die Differenz- und Stabi¬ lisierungsstromwerte gewonnen werden. Die Bildung effekti- vwertproportionaler Größen kann dabei beispielsweise durch Filterung oder Gleichrichtung erfolgen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in Figur 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Stromdifferentialschutzanordnung, in

Figur 3 ein Teil einer Auswerteeinrichtung gemäß Figur 2 mit

Prüfanordnung und Rückstelleinrichtung, in Figur 4 ein Diagramm mit Ansprech-Kennlinie und Grenzlinie des Zusatzstabilisierungs-Bereiches, in Figur 5 mehrere Diagramme zur Erläuterung des Verhaltens der erfindungsgemäßen Stromdifferentialschutzanordnung bei einem äußeren Fehler, in Figur 6 mehrere Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Stromdifferentialschutzanord- nung bei einem inneren Fehler und in

Figur 7 mehrere Diagramme zur Darstellung des Verhaltens der erfindungsgemäßen Stromdifferentialschutzanordnung bei einem auf einen äußeren Fehler folgenden inneren Fehler dargestellt.

Das in Figur 2 dargestellte Blockschaltbild der erfindungsge¬ mäßen Stromdifferentialschutzanordnung enthält eine Meßwert- vorverarbeitungseinrichtung 10, die an ihren Eingängen 11 und 12 mit dem erfaßten Strom I^ (vergleiche auch Figur 1) und an ihren Eingängen 13 und 14 mit dem Strom I2 beaufschlagt ist. Die Meßwertvorverarbeitungseinrichtung 10 ist eingangsseitig mit einem Meßwerterfassungsblock 15 versehen, in dem in be¬ kannter Weise Differenzströme und Stabilisierungsströme ge¬ bildet werden. Dabei wird im Falle eines Transformators als zu überwachender elektrischer Energieversorgungseinheit in dem Meßwerterfassungsblock 15 auch eine Schaltgruppenanpas¬ sung vorgenommen; außerdem erfolgt hier zusätzlich eine Be¬ tragsanpassung. Die Meßwertvorverarbeitung erfolgt in dem Meßwertverarbeitungsblock 15 nach Analog-Digital-Umsetzung auf digitale Weise, so daß dem jeweiligen Differenzstrom entsprechende Differenzstromwerte IDIFF über einen Datenbus 16 einer Berechnungseinheit 17 zugeführt werden. Diese Be¬ rechnungseinheit 17 erhält über einen weiteren Datenbus 18 von dem Meßwertverarbeitungsblock 15 dem Stabilsierungsstrom proportionale Stabiliserungsstromwerte ISTAB *-- ⁿ digitaler Form.

In der Berechnungseinheit 17 werden durch Filterung oder Gleichrichtung aus den Differenz- und Stabilisierungsstro - werten IDIFF ^un( - ---STAB ^e -**-*-ektivwertproportionale Größen

•--DIFFe ^un< ---STABe gebildet, die über jeweils einen weiteren Datenbus 19 und 20 einer Auswerteeinrichtung 21 zugeführt werden. Die Auswerteeinrichtung 21 enthält eine Auslöseein¬ richtung 22, eine Stabilisierungsschaltung 23 für harmonische Oberschwingungen, eine Schnellauslöseeinrichtung 24 und eine weitere Stabilisierungsschaltung 25.

Ergänzend ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, daß die Meßwertvorverarbeitungseinrichtung 10 auch eine Filter- einheit 26 enthält, die eingangsseitig ebenfalls an dem Da¬ tenbus 16 liegt und die Grundschwingung sowie die zweite und

genüber einem Auslösen-Gebiet 35 abgegrenzt ist. Die Figur 4 zeigt also, daß bei jeweils einander zugeordneten Stromdifferenz- und Stabilisierungsstromwerten mit Punkten im Sperren-Gebiet 33, ein Auslösebefehl nicht gegeben wird, dagegen die Ausgabe eines Auslösebefehls dann erfolgt, wenn einander zugeordnete Differenz- und Stabilisierungsstromwerte einen Punkt im Auslösegebiet 35 beschreiben.

Zurückgehend zur Figur 3 ergibt sich unter Berücksichtigung der Ausführungen zu Figur 4, daß die Prüfanordnung 30 über¬ prüft, ob nach Eintritt eines Fehlerfalles sich einander zu¬ geordnete Differenz- und Stabilisierungsstromwerte IpiFFe ^unc ^ I _S T _A Be ^er 9' ^e - ^Der -' <-i- ^e *-- ⁿ den Zusatzstabilisierungs-Bereich 31 fallen; im besonderen wird überprüft, wann ein erster von den Stromwerten gebildeter Punkt in den Zusatzstabilisierungs- Bereich 31 fällt. Liegt beispielsweise ein äußerer Fehler vor, auf den Figur 5 Bezug nimmt, dann wird - wie das Dia¬ gramm B der Figur 5 zeigt, in dem der Differenzsrom IDIFF -*- ⁿ Abhängigkeit vom Stabilisierungsstrom ISTAB dargestellt ist - nach wenigen Millisekunden zum Zeitpunkt TI ein derartiger Punkt festgestellt. Von der Prüfanordnung 30 wird daraufhin ein Sperrsignal in Form eines "1"-Signales an ihrem Ausgang

36 erzeugt, durch das eine nachgeordnete Blockiereinrichtung

37 aktiviert wird; die Ausgabe eines Auslösebefehls wird also blockiert. Das Diagramm F der Figur 5 zeigt, daß die

Blockiereinrichtung 37 vom Zeitpunkt TI an blockiert ist. Wird nachfolgend von der Prüfanordnung 30 festgestellt, daß sich die durch jeweils aufeinanderfolgende Punkte der Strom¬ werte ergebende Kurve 38 im Diagramm B der Figur 5 aus dem Zusatzstabilisierungs-Bereich 31 hinaus bewegt, dann wird zu diesem Zeitpunkt T2 ein "0"-Signal erzeugt, das über einen Invertierer 39 (vergleiche Figur 3) eine nachgeordnete Zeit¬ stufe 40 in einer Rückstelleinrichtung 41 für eine vorbe¬ stimmte Zeitdauer e startet.

Wie das Diagramm B der Figur 5 ferner zeigt, durchschneidet die Kurve 38 nach etwa 10 ms die Ansprechkennlinie 34, wo¬ raufhin die Auslöseeinrichtung 22 der Auswerteeinrichtung 21 (vergleiche Figur 2) ausgangsseitig ein Signal abgibt. Dieses Signal darf aber nicht zu einem Auslösebefehl führen, weil im vorliegenden Falle ein äußerer Fehler bezüglich der zu über¬ wachenden elektrischen Energieversorgungseinheit angenommen worden ist, das Oberschreiten der Ansprechkennlinie 34 also nur auf Sättigungserscheinungen der beteiligten Stromwandler zurückzuführen ist. Das Ausgangsεignal der Auslöseeinrichtung 22 ist im Diagramm E der Figur 5 dargestellt.

Mit abklingender Sättigung der beteiligten Stromwandler nimmt die Kurve 38 nachfolgend auch wieder niedrigere Werte an, um schließlich zum Zeitpunkt T3 die Grenzlinie 32 des Zusatzsta- bilisierungs-Bereichs 31 zu kreuzen. Zum Zeitpunkt T3 wird damit - vergleiche Diagramm F der Figur 5 - die Blockierein¬ richtung 37 wiederum blockiert; die Blockiereinrichtung 37 war nämlich zum Zeitpunkt T4 wieder deaktiviert worden, nach- dem die Zeitstufe 40 abgelaufen war.

Ergänzend zu der schon bisher im Zusammenhang mit der Be¬ schreibung der Figur 3 erfolgten Erläuterung der Figur 5 ist zu dieser Figur 5 noch darauf hinzuweisen, daß in ihrem Dia- gramm A der Verlauf der an den Enden der zu überwachenden elektrischen Energieversorgungseinheit erfaßten Ströme I- _j _ und 12 in Abhängigkeit von der Zeit in Perioden des Netzes wiedergegeben ist, wobei die in diesem Diagramm strichliert eingezeichnete Kurve den Differenzstrom IDIFF wiedergibt. Es ist deutlich zu erkennen, daß innerhalb der ersten beiden

Perioden der Differenzstrom relativ große Werte annimmt, was bei dem angenommenen äußeren Fehlerfall vor allem auf Wand¬ lersättigung zurückzuführen ist.

Das Diagramm H der Figur 5 zeigt in Abhängigkeit von der Zeit in Perioden den zeitlichen Verlauf des Auslösebefehls und

In Figur 7 sind die Verhältnisse dargestellt, wie sie sich bei einem auf einen äußeren Fehler folgenden inneren Fehler ergeben. Das Diagramm A der Figur 7 zeigt wiederum den Ver¬ lauf der Ströme 1-^ und I2 in Abhängigkeit von der Zeit in Perioden sowie den sich jeweils ergebenden Differenzstrom I- F- Das Diagramm B zeigt, daß zum Zeitpunkt T10 die von den einzelnen Punkten der nacheinander erfaßten Differenz- und Stabilisierungsstromwerte gebildete Kurve 61 in den Zu¬ satzstabilisierungsstrom-Bereich 31 eintritt, woraufhin von der Prüfanordnung 30 (siehe Fig. 3) über ihren Ausgang 36 die Blockiereinrichtung 37 sofort aktiviert wird. Zum Zeitpunkt TU schneidet die Kurve 61 die Grenzlinie 32 des Zusatzstabi- lisierungs-Bereichs 31, woraufhin die Prüfanordnung 30 an ihrem Ausgang 36 ein "0"-Signal erzeugt, das nach Inver- tierung das Zeitglied 40 für die vorbestimmte Zeitverzögerung e anlaufen läßt. Die Kurve 61 schneidet anschließend wegen auftretender Wandlersättigung zum Zeitpunkt T12 die Ansprech- Kennlinie 34, woraufhin von der Auslöseschaltung 22 (vgl. Fig. 2) der Auswerteeinrichtung 21 ein "1"-Signal erzeugt wird, wie das Diagramm E der Figur 7 erkennen läßt. Zum Zeit¬ punkt T13 schneidet die Kurve 61 erneut die Ansprech-Kenn¬ linie 34 (Wandlersättigung ist abgeklungen) , woraufhin die Auslöseschaltung 22 wieder in den "0"-Zustand zurückfällt. Die zwischen den Zeitpunkten T12 und T13 aufgetretene Wand- lersättigung hat keinen Einfluß auf das Auslöseverhalten der Differentialschutzanordnung, weil im Zeitintervall zwischen T12 und T13 die Blockiereinrichtung 37 aktiviert war.

Wie das Diagramm B der Figur 7 ferner erkennen läßt, tritt etwa zum Zeitpunkt T14 ein innerer Fehler auf, woraufhin die Kurve 61 ein drittes Mal die Ansprech-Kennlinie 34 schneidet. Gemäß dem Diagramm H der Figur 7 wird daraufhin am Ausgang 29 der Stromdifferentialschutzeinrichtung ein Auslösesignal ab¬ gegeben, weil vorher die Aktivierung der Blockiereiririchtung 37 zum Zeitpunkt T15 dadurch rückgängig gemacht worden war, daß bei den dargestellten Verhältnissen gemäß den Diagrammen

C und D die Kurve nach dem Diagramm D zum Zeitpunkt T15 ein zweites Mal den oberen Schwellenwert c überschritten hatte. Dies führte über die Zähleinrichtung 53 und das ODER-Glied 46 zu einer Deaktivierung der Blockiereinrichtung 37.

Steigt bei einem auf einen äußeren Fehler unmittelbar folgen¬ den inneren Fehler der Quotient Q - anders als in dem Diagramm C der Fig. 7 dargestellt - steiler an und erreicht er vergleichsweise schnell den Schwellenwert b, dann wird die Auslösung dadurch bewirkt, daß nach Ablauf der Zeitver¬ zögerung f die Blockiereinrichtung 37 deaktiviert wird.