DZIENIS, Cezary (Hugo-Cassierer-Straße 36, Berlin, 13587, DE)
KEREIT, Matthias (Albestr. 2, Berlin, 12159, DE)
BLUMSCHEIN, Jörg (Eilertstr. 4a, Berlin, 14165, DE)
DZIENIS, Cezary (Hugo-Cassierer-Straße 36, Berlin, 13587, DE)
KEREIT, Matthias (Albestr. 2, Berlin, 12159, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum Erkennen eines Kurzschlusses (16) auf einer Leitung (10) eines mehrphasigen elektrischen Energieversor- gungsnetzes mit geerdetem Sternpunkt, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden: - Aufnehmen von Strom- und Spannungsabtastwerten an einer Messstelle (15a) an einem Ende (A) der überwachten Leitung (10) durch ein elektrisches Schutzgerät (12a); und - Erzeugen eines einen Kurzschluss (16) auf der Leitung (10) angebenden ersten Fehlersignals, wenn eine von dem elektrischen Schutzgerät (12a) durchgeführte Fehlerauswertung der Strom- und Spannungsabtastwerte auf einen auf der Leitung (10) vorhandenen Kurzschluss (16) hinweist; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - zur Fehlerauswertung der Strom- und Spannungsabtastwerte folgende Schritte durchgeführt werden: - Berechnen von momentanen Referenzspannungswerten für eine Referenzstelle (18) auf der Leitung (10) aus vor Eintritt des Kurzschlusses (16) aufgenommenen momentanen Strom- und Spannungsabtastwerten; - Berechnen von momentanen Vergleichsspannungswerten für die Referenzstelle (18) auf der Leitung (10) aus vor Eintritt des Kurzschlusses (16) aufgenommenen momentanen Strom- und Spannungsabtastwerten und während des Kurzschlusses (16) aufgenommenen momentanen Strom- und Spannungsabtastwerten; - Berechnen eines gleichgerichteten Referenzspannungswertes aus aufeinander folgenden momentanen Referenz- spannungswerten und eines gleichgerichteten Vergleichsspannungswertes aus aufeinander folgenden momentanen Vergleichsspannungswerten; - Vergleichen des gleichgerichteten Referenzspannungswertes und des gleichgerichteten Vergleichsspannungswertes; und - Erzeugen des ersten Fehlersignals, wenn die Differenz aus dem gleichgerichteten Vergleichsspannungswert und dem gleichgerichteten Referenzspannungswert einen Auslö¬ seschwellenwert übersteigt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - die Berechnung der momentanen Referenzspannungswerte gemäß folgender Gleichung erfolgt: i An) - i (n - 1) uref{n) = up{n) - Lref -z ^ Rref ■ ip{n) , mit uref(n) : momentaner Referenzspannungswert; up(n)= u (n-N) : Vorfehler-Spannungsabtastwert eine Pe¬ riodendauer vor dem momentanen Spannungsabtastwert u (n) ; ip(n)= i (n-N) : Vorfehler-Stromabtastwert eine Perio¬ dendauer vor dem momentanen Stromabtastwert i (n) ; T : Periodendauer; N : Anzahl der Abtastwerte pro Periodendau- er; n : Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt; Lref : Induktivität der Leitung von der Messstelle zur Referenzstelle; Rref : Resistanz der Leitung von der Messstel¬ le zur Referenzstelle. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - die Berechnung der momentanen Vergleichsspannungswerte maß folgender Gleichung erfolgt: AiAn)- Aif(n-\) uv(n) = Auf(n)-Lref^ ^ Rref■ Aif(n) , mit uv(n) : momentaner Vergleichsspannungswert; Auf(n) : momentaner Delta-Spannungswert nach Fehlereintritt; Aif(n) : momentaner Delta-Stromwert nach Fehlerein¬ tritt; Lref : Induktivität der Leitung von der Messstelle zur Referenzstelle; Rref : Resistanz der Leitung von der Messstelle zur Referenzstelle; T : Periodendauer; n : Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt. 4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - die momentanen Delta-Spannungswerte gemäß der folgenden Gleichung ermittelt werden: Auf (n) = u(n) - up (n) mit Auf(n) : momentaner Delta-Spannungswert nach Fehlereintritt ; u (n) : momentaner Spannungsabtastwert nach Fehlereintritt ; up(n)= u (n-N) : Vorfehler-Spannungsabtastwert eine Pe¬ riodendauer vor dem momentanen Spannungsabtastwert u (n) ; n : Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt; N : Anzahl der Abtastwerte pro Periodendau¬ er und - die momentanen Delta-Stromwerte gemäß der folgenden Glei¬ chung ermittelt werden: Aif (n) = i(n) - ip (n) mit Aif(n) : momentaner Delta-Stromwert nach Fehler¬ eintritt; i (n) : momentaner Stromabtastwert nach Fehler- eintritt; ip(n)= i (n-N) : Vorfehler-Stromabtastwert eine Perio¬ dendauer vor dem momentanen Stromabtastwert i (n) ; n : Nummer des Abtastwertes nach Fehlerein- tritt; N : Anzahl der Abtastwerte pro Periodendau¬ er . 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - die Berechnung des gleichgerichteten Referenzspannungswer tes gemäß folgender Gleichung erfolgt: mit Uref (n) gleichgerichteter Referenzspannungswert ; Uref (k) : momentaner Referenzspannungswert für den Abtastwert k; n Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt; N Anzahl der Abtastwerte pro Periodendauer; k Aufsummierungsindex und - die Berechnung des gleichgerichteten Vergleichsspannungswertes gemäß folgender Gleichung erfolgt: mit Uv(n) : gleichgerichteter Vergleichsspannungswert; uv (k) : momentaner Vergleichsspannungswert für den Abtastwert k; n Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt; N Anzahl der Abtastwerte pro Periodendauer; k Aufsummierungsindex . 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - als Referenzstelle (18) das Ende einer von dem Schutzgerät (12a) überwachten Überwachungszone (17) auf der Leitung (10) verwendet wird. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - das Schutzgerät (12a) den Beginn eines Kurzschlusses (16) erkennt, wenn die aufgenommenen Stromabtastwerte einen Stromsprung aufweisen, der einen Sprungschwellenwert übersteigt; - ein erstes Anregesignal erzeugt wird, wenn das Schutzgerät (12a) den Beginn eines Kurzschlusses (16) erkannt hat; und - das Schutzgerät (12a) erst nach Vorliegen des ersten Anre¬ gesignals mit der Fehlerauswertung der Strom- und Spannungs- abtastwerte beginnt. 8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - das Schutzgerät (12a) bei vorliegendem ersten Anregesignal zunächst eine Untersuchung der Strom- und Spannungsabtastwerte dahingehend durchführt, hinsichtlich welcher Phasenleiter der Leitung (10) der Kurzschluss (16) aufgetreten ist; - ein zweites Anregesignal erzeugt wird, das zumindest einen von dem Kurzschluss (16) betroffenen Phasenleiter angibt; und - das Schutzgerät (12a) die Fehlerauswertung nur hinsichtlich des zumindest einen von dem zweiten Anregesignal angegebenen Phasenleiters durchführt. 9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - der Auslöseschwellenwert derart dynamisch festgelegt wird, dass mit steigender Anzahl der für die Berechnung des gleichgerichteten Vergleichsspannungswertes herangezogenen Strom- und Spannungsabtastwerte der Wert des Auslöseschwellenwertes zumindest in Stufen abnimmt. 10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - die momentanen Strom- und Spannungsabtastwerte auch dazu verwendet werden, einen komplexen Impedanzwert der von dem Schutzgerät (12a) überwachten Leitung (10) zu berechnen; und - von dem Schutzgerät (12a) ein zweites einen Kurzschluss (16) auf der Leitung (10) angebendes Fehlersignal erzeugt wird, wenn der komplexe Impedanzwert innerhalb eines vorgege¬ benen Auslösegebietes in der komplexen Ebene liegt. 11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - das Schutzgerät (12a) ein Auslösesignal zur Auslösung eines die Leitung (10) begrenzenden Leistungsschalters (IIa) er¬ zeugt, sobald das erste oder das zweite Fehlersignal vor¬ liegt . 12. Schutzgerät (12a) zur Überwachung einer Leitung (10) eines mehrphasigen elektrischen Energieversorgungsnetzes mit geerdetem Sternpunkt hinsichtlich auf der Leitung (10) auftretender Kurzschlüsse (16), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - das Schutzgerät (12a) zur Durchführung eines Verfahrens ge¬ mäß einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist. |
Schneller Distanzschutz für Energieversorgungsnetze Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Kurzschlusses auf einer Leitung eines mehrphasigen elektrischen Energieversorgungsnetzes mit geerdetem Sternpunkt, bei dem Strom- und Spannungsabtastwerte an einer Messstelle an einem Ende der überwachten Leitung durch ein elektrisches Schutzge- rät aufgenommen werden und ein einen Kurzschluss auf der Leitung angebendes erstes Fehlersignal erzeugt wird, wenn eine von dem elektrischen Schutzgerät durchgeführte Fehlerauswertung der Strom- und Spannungsabtastwerte auf einen auf der Leitung vorhandenen Kurzschluss hinweist. Die Erfindung be- zieht sich auch auf ein entsprechend eingerichtetes elektri ¬ sches Schutzgerät.
In elektrischen Energieversorgungsnetzen mit geerdetem Sternpunkt muss bei eindeutigen Kurzschlüssen eine besonders schnelle Abschaltung der fehlerbehafteten Leitung ermöglicht werden. Aufgrund der hohen Kurzschlussleistung sind in solchen Energieversorgungsnetzen Kurzschlüsse besonders gefährlich, weil sie zum einen Betriebsmittel des Energieversorgungsnetzes wie Leitungen, Transformatoren, Kompensationsan- lagen, Generatoren usw. stark thermisch beanspruchen und zum anderen einen „unstabilen", oszillatorischen Betrieb mit sogenannten elektrischen Pendelungen verursachen können. Diese beiden Effekte können zu einem dauerhaften Netzausfall (einem sogenannten „Blackout") führen, so dass die Energielieferung in bestimmten Netzgebieten nicht mehr gewährleistet wird. Um den sicheren Betrieb eines Energieversorgungsnetzes zu ge ¬ währleisten ist daher eine schnelle Abschaltung des Kurzschlusses auf der fehlerbehafteten Leitung von großem Belang. Eine der grundlegenden Schutzmethoden zur automatischen Überwachung von Leitungen elektrischer Energieversorgungsnetze ist die sogenannte Distanzschutzmethode. Ein häufig im Rahmen des Distanzschutzes eingesetzter Algorithmus zum Erkennen ei ¬ nes Kurzschlusses auf einer Leitung basiert auf der Messung einer sogenannten Kurzschlussimpedanz. Schutzgeräte messen hierbei die Impedanz bis zum Fehlerort und schließen damit auf die Entfernung (Distanz) zum Fehlerort. Die Kurzschluss- impedanz (umgerechnet auf die Fehlerdistanz) wird verwendet, um festzustellen, ob der erfasste Kurzschluss tatsächlich auf der zu schützenden Leitung liegt. Dazu müssen die Länge der Leitung sowie deren Impedanzbelag bekannt sein. Wenn festge ¬ stellt wird, dass der Kurzschluss auf der zu schützenden Lei- tung liegt, wird die betroffene Leitung abgeschaltet und der fehlerbehaftete Netzabschnitt vom System getrennt. Dadurch wird der weitere konforme Betrieb des Netzes gewährleistet.
Zur Durchführung dieses Distanzschutzalgorithmus werden an Messstellen an jedem Ende der überwachten Leitung Strom- und Spannungssignale abgetastet und ausgewertet. Daraufhin müssen die zeitlichen Größen in komplexe Größen umgewandelt werden. Das erfolgt mit speziell für diese Aufgabe ausgelegten Fil ¬ tern, die die unerwünschten Störsignale (z.B. DC-Anteile) eliminieren und den Real- und Imaginärteil der Strom- bzw. Spannungszeiger liefern. Vereinfacht lässt sich die Kurzschlussimpedanz auf der Basis der komplexen Größen als Quotient aus der komplexen Spannung und dem komplexen Strom berechnen. Ist diese Kurzschlussimpedanz kleiner als die be- kannte Leitungsimpedanz, dann liegt ein interner Fehler in der überwachten Schutzzone der Leitung vor. Die Distanzmessung kann ferner auch mit Hilfe von komplexen „Delta-Größen" von Strom und Spannung durchgeführt werden. Diese Delta-Größen können durch den Vergleich von vor dem Kurzschluss erfassten Messwerten mit solchen, die während des Kurzschlusses aufgenommen werden ermittelt werden. Hierbei wird quasi der durch den Kurzschluss auf der Leitung erzeugte Anteil des Strom- und Spannungsverlaufs ausgewertet.
Beide beschriebenen Methoden haben den Nachteil, dass für die Berechnung der komplexen Strom- und Spannungswerte abhängig von der Größe des verwendeten Messfensters eine Mindestanzahl von Abtastwerten vonnöten ist, so dass eine Entscheidung über das Vorliegen eines Kurzschlusses auf der Leitung erst mit einer gewissen Verzögerung getroffen werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein entsprechendes Schutzgerät derart anzugeben, dass insbesondere bei eindeutigen Fehlern auf einer überwachten Leitung ein Fehlersignal noch schneller als bisher erzeugt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird ein Verfahren der eingangs angegebenen Art derart ausgebil ¬ det, dass zur Fehlerauswertung der Strom- und Spannungsabtastwerte momentane Referenzspannungswerte für eine Referenz ¬ stelle auf der Leitung aus vor Eintritt des Kurzschlusses aufgenommenen momentanen Strom- und Spannungsabtastwerten und momentane Vergleichsspannungswerte für die Referenzstelle auf der Leitung aus vor Eintritt des Kurzschlusses aufgenommenen momentanen Strom- und Spannungsabtastwerten und während des Fehlers aufgenommenen momentanen Strom- und Spannungsabtastwerten berechnet werden. Aus aufeinander folgenden momentanen Referenzspannungswerten wird daraufhin ein gleichgerichteter Referenzspannungswert und aus aufeinander folgenden momenta ¬ nen Vergleichsspannungswerten ein gleichgerichteter Vergleichsspannungswert berechnet. Der gleichgerichtete Refe ¬ renzspannungswert wird mit dem gleichgerichteten Vergleichs- spannungswert verglichen und es wird ein erstes Fehlersignal erzeugt, wenn die Differenz aus dem gleichgerichteten Vergleichsspannungswert und dem gleichgerichteten Referenzspannungswert einen Auslöseschwellenwert übersteigt. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch die Verwendung von Momentanwerten (anstelle komplexer Werte) für die Referenzspannungswerte und die Vergleichsspannungswerte eine sehr schnelle Entscheidung über das Vorliegen eines Kurzschlusses auf der Leitung ge- troffen werden kann, da nicht erst die vollständige Länge ei ¬ nes verwendeten Messfensters abgewartet werden muss. Da aus diesen Momentanwerten daraufhin gleichgerichtete Werte erzeugt werden, kann die Gefahr einer Fehlentscheidung aufgrund einzelner Messfehler oder Ausreißer bei den Abtastwerten von Strom und Spannung verhindert werden.
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei stromstarken Kurzschlüssen auf der Leitung bereits nach wenigen Millisekunden ein entsprechendes Fehlersignal gebil- det werden. Da das Verfahren ausschließlich mit an der lokalen Messstelle erfassten Strom- und Spannungsabtastwerten arbeitet, ist eine Kommunikation mit anderen Schutzgeräten (beispielsweise am anderen Leitungsende) nicht notwendig.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Berechnung der momentanen Referenzspannungswerte gemäß folgender Gleichung erfolgt: i (n)— i (n— 1)
U re ) = U p ( n ) ~ L ref ~ R ref ' (Ό '
mit
u r e f (n) : momentaner Referenzspannungswert;
u p (n)= u (n-N) : Vorfehler-Spannungsabtastwert eine
Netzperiodendauer vor dem momentanen Spannungsabtastwert u (n) ;
i p (n)= i (n-N) : Vorfehler-Stromabtastwert eine Netzpe ¬ riodendauer vor dem momentanen Stromab- tastwert i (n) ;
T : Periodendauer;
N : Anzahl der Abtastwerte pro Periodendau ¬ er;
n : Nummer des Abtastwertes nach Fehlerein- tritt;
L ref : Induktivität der Leitung von der Mess ¬ stelle zur Referenzstelle;
R ref : Resistanz der Leitung von der Messstel ¬ le zur Referenzstelle.
Auf diese Weise können die Referenzspannungswerte allein an ¬ hand der vor Eintritt des Fehlers erfassten Abtastwerte und bekannter Leitungsparameter ermittelt werden. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemä ¬ ßen Verfahrens sieht vor, dass die Berechnung der momentanen Vergleichsspannungswerte gemäß folgender Gleichung erfolgt:
u v (n) = Au f (n)- L ref R ref ■ Ai f (n) , mit
u v (n) : momentaner Vergleichsspannungswert; : momentaner Delta-Spannungswert nach Fehlereintritt;
: momentaner Delta-Stromwert nach Fehlereintritt;
: Induktivität der Leitung von der Messstelle zur Referenzstelle;
: Resistanz der Leitung von der Messstelle zur Referenzstelle ;
: Periodendauer;
: Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt.
Auf diese Weise können die Vergleichswerte anhand von Delta- Größen für Ströme und Spannungen und der bekannten Leitungsparameter ermittelt werden.
Konkret kann zur Ermittlung der Delta-Größen vorgesehen sein, dass einerseits die momentanen Delta-Spannungswerte gemäß der folgenden Gleichung ermittelt werden: Au f (n) = u(n) - u p (n)
mit
Au f (n) : momentaner Delta-Spannungswert nach
Fehlereintritt ;
u (n) : momentaner Spannungsabtastwert nach
Fehlereintritt;
u p (n)= u (n-N) : Vorfehler-Spannungsabtastwert eine Pe ¬ riodendauer vor dem momentanen Spannungsabtastwert u (n) ;
n : Nummer des Abtastwertes nach Fehlerein- tritt;
N : Anzahl der Abtastwerte pro Periodendau ¬ er und dass andererseits die momentanen Delta-Stromwerte gemäß der folgenden Gleichung ermittelt werden:
M f (n) = i(n) - i p (n)
mit
Ai f (n) : momentaner Delta-Stromwert nach Fehler ¬ eintritt;
i (n) : momentaner Stromabtastwert nach Fehlereintritt;
i p (n)= i (n-N) : Vorfehler-Stromabtastwert eine Perio ¬ dendauer vor dem momentanen Stromabtastwert i (n) ;
n : Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt;
N : Anzahl der Abtastwerte pro Periodendau ¬ er .
Auf diese Weise können die Delta-Größen anhand der vor
Kurzschluss und während des Kurzschlusses aufgenommenen tastwerte berechnet werden.
Hinsichtlich des gleichgerichteten Referenzspannungswertes und des gleichgerichteten Vergleichsspannungswertes kann fer ¬ ner konkret vorgesehen sein, dass einerseits die Berechnung des gleichgerichteten Referenzspannungswertes gemäß folgender Gleichung erfolgt:
mit
U r e f (n) : gleichgerichteter Referenzspannungswert;
u r e f (k) : momentaner Referenzspannungswert für den
Abtastwert k; Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt;
Anzahl der Abtastwerte pro Periodendauer; Aufsummierungsindex und dass andererseits die Berechnung des gleichgerichteten Vergleichsspannungswertes gemäß folgender Gleichung erfolgt:
mit
U v (n) : gleichgerichteter Vergleichsspannungswert; u v (k) : momentaner Vergleichsspannungswert für den
Abtastwert k;
n Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt; N Anzahl der Abtastwerte pro Periodendauer; k Aufsummierungsindex .
Als besonders vorteilhaft wird es ferner angesehen, wenn als Referenzstelle das Ende einer von dem Schutzgerät überwachten Überwachungszone auf der Leitung verwendet wird.
Bei dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Fehlersignal sehr einfach für die kom ¬ plette überwachte Überwachungs- bzw. Schutzzone auf der Lei ¬ tung ermittelt werden (beispielswe.LSG 85 % der Leitungslänge, ausgehend von der Messstelle, an der sich das betreffende Schutzgerät befindet) .
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemä ¬ ßen Verfahrens sieht vor, dass das Schutzgerät den Beginn ei- nes Kurzschlusses erkennt, wenn die aufgenommenen Stromab ¬ tastwerte einen Stromsprung aufweisen, der einen Sprungschwellenwert übersteigt, ein erstes Anregesignal erzeugt wird, wenn das Schutzgerät den Beginn eines Kurzschlusses er ¬ kannt hat, und das Schutzgerät erst nach Vorliegen des ersten Anregesignals mit der Fehlerauswertung der Strom- und Spannungsabtastwerte beginnt.
Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders Ressourcen schonend durchgeführt werden, da die Fehlerauswertung der Strom- und Spannungsabtastwerte erst dann initiiert wird, wenn das Schutzgerät anhand eines Stromsprungs das Vor ¬ liegen eines Kurzschlusses auf der Leitung detektiert hat, und andernfalls keine weitere Rechenleistung für die Auswer ¬ tung der Strom- und Spannungsabtastwerte aufgewendet werden muss .
In diesem Zusammenhang sieht eine weitere vorteilhafte Aus ¬ führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass das Schutzgerät bei vorliegendem ersten Anregesignal zunächst ei ¬ ne Untersuchung der Strom- und Spannungsabtastwerte dahinge ¬ hend durchführt, hinsichtlich welcher Phasenleiter der Leitung der Kurzschluss aufgetreten ist, ein zweites Anrege ¬ signal erzeugt wird, das zumindest einen von dem Kurzschluss betroffenen Phasenleiter angibt, und das Schutzgerät die Feh ¬ lerauswertung nur hinsichtlich des zumindest einen von dem zweiten Anregesignal angegebenen Phasenleiters durchführt.
Hierdurch kann das Verfahren noch Ressourcen schonender ausgeführt werden, da eine Fehlerauswertung der Strom- und Spannungsabtastwerte lediglich hinsichtlich der tatsächlich von dem Kurzschluss behafteten Fehlerschleife durchgeführt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemä ¬ ßen Verfahrens sieht vor, dass der Auslöseschwellenwert der ¬ art dynamisch festgelegt wird, dass mit steigender Anzahl der für die Berechnung des gleichgerichteten Vergleichsspannungswertes herangezogenen Strom- und Spannungsabtastwerte der Wert des Auslöseschwellenwertes zumindest in Stufen abnimmt.
Hierdurch kann die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft an die Anzahl der für die Aus ¬ wertung zugrunde gelegten Abtastwerte angepasst werden. Mit steigender Anzahl von Abtastwerten wird das Ergebnis der Fehlerauswertung nämlich zuverlässiger, so dass der für die Bildung des Fehlersignals verwendete Auslöseschwellenwert ver ¬ ringert werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemä ¬ ßen Verfahrens sieht außerdem vor, dass die momentanen Strom- und Spannungsabtastwerte auch dazu verwendet werden, einen komplexen Impedanzwert der von dem Schutzgerät überwachten Leitung zu berechnen, und von dem Schutzgerät ein zweites ei ¬ nen Kurzschluss auf der Leitung angebendes Fehlersignal er ¬ zeugt wird, wenn der komplexe Impedanzwert innerhalb eines vorgegebenen Auslösegebietes in der komplexen Ebene liegt.
Auf diese Weise kann quasi parallel zu dem vorstehend be ¬ schriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ein klassischer Dis- tanzschutzalgorithmus , der auf der Berechnung von komplexen Fehlerimpedanzen beruht, ausgeführt werden. Hierdurch kann eine Entscheidung über das Vorliegen eines Kurzschlusses noch zuverlässiger getroffen werden.
In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schließlich vorgesehen, dass das Schutzgerät ein Auslösesignal zur Auslö ¬ sung eines die Leitung begrenzenden Leistungsschalters er- zeugt, sobald das erste oder das zweite Fehlersignal vor ¬ liegt .
Auf diese Weise kann ein Fehlersignal bereits dann erzeugt werden, wenn lediglich einer der beiden Distanzschutzalgorithmen einen Kurzschluss auf der Leitung erkannt hat, so dass der für den speziellen Kurzschlussfall jeweils schnells ¬ te Algorithmus eine Abschaltung der Leitung bewirken kann. Hierdurch wird die Sicherheit des Verfahrens weiter erhöht.
Hinsichtlich des Schutzgeräts wird die oben genannte Aufgabe durch ein Schutzgerät zur Überwachung einer Leitung eines mehrphasigen elektrischen Energieversorgungsnetzes mit geerdetem Standpunkt hinsichtlich auf der Leitung auftretenden Kurzschlüssen gelöst, bei dem das Schutzgerät zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ein ¬ gerichtet ist.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand von Ausführungsbei- spielen näher erläutert werden. Hierzu zeigen
Figur 1 eine schematische Ansicht einer überwach ¬ ten Leitung eines mehrphasigen elektrischen Energieversorgungsnetzes;
Figur 2 drei elektrische Ersatzschaltbilder der überwachten Leitung zur Erläuterung des
Superpositionsprinzips ;
Figur 3 drei Diagramme mit Spannungsverläufen zur
Erläuterung des Superpositionsprinzips; Figur 4 ein Diagramm mit einem Spannungsverlauf zur Erläuterung der numerischen Ermittlung von Delta-Größen; Figur 5 zwei Ersatzschaltbilder der überwachten
Leitung zur Erläuterung de Funktion eines schnellen Distanzschutzalgorithmus ;
Figur 6 ein Diagramm mit einem Spannungsverlauf bei einem Kurzschluss auf der überwachten
Leitung;
Figur 7 ein Diagramm zur Erläuterung der dynamischen Anpassung eines Auslöseschwellen- wertes;
Figur 8 drei Diagramme mit Stromverläufen bei ei ¬ nem Kurzschluss auf der überwachten Lei ¬ tung zur Erläuterung eines Sprungdetek- tors; und
Figur 9 ein schematisches Blockschaltbild zur Er ¬ läuterung der Funktionsweise einer
Schleifenauswahl .
Figur 1 zeigt eine Leitung 10 eines ansonsten nicht näher dargestellten mehrphasigen elektrischen Energieversorgungsnetzes. Die Leitung 10 wird an ihren beiden Enden A und B von Leistungsschaltern IIa und IIb begrenzt, über die im Fehler- fall eine Abschaltung der betroffenen Phasenleiter der Leitung 10 vorgenommen werden kann. Zu diesem Zweck sind an den Leitungsenden A und B an Messstellen 15a und 15b elektrische Schutzgeräte 12a und 12b vorgesehen. Diesen werden an den je- weiligen Messstellen 15a, 15b mittels lediglich schematisch dargestellten Stromwandlern 13a, 13b und Spannungswandlern 14a, 14b aufgenommene Strom- und Spannungssignale zugeführt. Die Schutzgeräte 12a, 12b führen mittels einer A/D-Wandlung eine Abtastung der Strom- und Spannungssignale durch und führen für die so erzeugten Strom- und Spannungsabtastwerte eine Fehlerauswertung durch, um eventuelle Kurzschlüsse 16 auf der Leitung 10 erkennen zu können. Bei einem solchen Kurzschluss 16 kann es sich entweder um einen einpoligen Kurzschluss zwischen einem Phasenleiter und Erde oder um einen zwei- oder mehrpoligen Kurzschluss mit Beteiligung mehrerer Phasenleiter handeln. Ergibt die Fehlerauswertung einen Kurzschluss 16 auf der Leitung, so wird ein Auslösesignal S aus erzeugt und dem jeweiligen Leistungsschalter IIa, IIb zugeführt, um diesen zum Öffnen seiner Schaltkontakte zu veranlassen und so den/die von dem Kurzschluss 16 betroffenen Phasenleiter vom übrigen Energieversorgungsnetz abzutrennen. Eine solche Fehlerauswertung anhand lediglich an einem Ende aufgenommener Strom- und Spannungsabtastwerte kann üblicherweise nicht für die komplette Leitungslänge durchgeführt wer ¬ den, da die an einer Messstelle, z. B. der Messstelle 15a an dem Leitungsende A, ermittelten Abtastwerte im Falle eines in der Nähe des jeweils anderen Leitungsendes, beispielsweise des Leitungsendes B, liegenden Kurzschlusses aufgrund der ho ¬ hen Leitungsimpedanz von der Messstelle bis zur Fehlerstelle nur sehr ungenau erfasst werden können. Aus diesem Grund stellt man in den Schutzgeräten 12a, 12b üblicherweise soge- nannte Überwachungs- oder Schutzzonen ein, die diejenige Lei ¬ tungslänge beginnend an der jeweiligen Messstelle 15a, 15b angeben, die von dem Schutzgerät 12a bzw. 12b effektiv überwacht wird. In Figur 1 ist eine solche Überwachungszone 17 schematisch durch eine Schraffierung eines von dem Schutzgerät 12a überwachten Teils der Leitung 10 dargestellt. Die Länge einer Überwachungszone wird üblicherweise als Parameter in dem jeweiligen Schutzgerät 12a, 12b in Prozent der Lei- tungslänge vorgegeben; beispielsweise kann eine Überwachungs ¬ zone 85~6 der gesamten Länge der Leitung 10 betragen. Das Ende 18 der jeweiligen Schutzzone 17 wird auch als sogenannte Kippgrenze bezeichnet. Anhand der folgenden Figuren sollen nun Ausführungsbeispiele für ein von dem Schutzgerät 12a an dem Leitungsende A durch ¬ geführtes Distanzschutzverfahren erläutert werden, um einen in der Überwachungszone 17 aufgetretenen Kurzschluss 16 schnell erkennen und abschalten zu können.
Das im Folgenden erläuterte schnelle Distanzschutzverfahren bedient sich zur Fehlerauswertung der Strom- und Spannungsabtastwerte sogenannten „Delta-Werten", die nach dem Superpositionsprinzips ermittelt werden, das daher im Folgenden zu- nächst kurz erläutert werden soll.
Jeder lineare elektrische Stromkreis kann gemäß dem Superpo ¬ sitionsprinzip in mehrere äquivalente Kreise zerlegt werden kann, wobei alle äquivalenten Kreise die gleichen passiven Topologien aufweisen müssen, die auch der ursprüngliche Kreis aufweist. Darüber hinaus muss die im elektrischen Sinne be ¬ trachtete Summe von allen aktiven Elementen (Energiequellen und -senken) der nach dem Superpositionsprinzip zerlegten Kreise den aktiven Elementen des realen Ausgangskreises ent- sprechen. In Figur 2 ist ein Ersatzschaltkreis 20a der von dem Kurzschluss 16 behafteten Leitung 10 aus Figur 1 gezeigt (in Figur 2 sind für den Komponenten aus Figur 1 entsprechende Komponenten gleiche Bezugszeichen gewählt worden) . Die Leitung 10 wird von Spannungsquellen E S , A und E S , B mit entspre ¬ chenden Vorimpedanzen Z S , A und Z S , B von beiden Leitungsenden A, B gespeist. An der Messstelle 15a lassen sich das Stromsignal i A und das Spannungssignal u A abgreifen. Der Kurzschluss 16 wird durch Schließen eines Schalters simuliert. Die Leitungs ¬ impedanz Z L bezieht sich auf die gesamte Länge der Leitung 10; entsprechend kann die Leitungsimpedanz von der Messstelle 15a am Leitungsende A bis zur Fehlerstelle mit a-Z L angegeben werden (a ist die auf die gesamte Leitungslänge bezogene Ent- fernung vom Leitungsende A zur Fehlerstelle) .
Der Ersatzschaltkreis 20a in Figur 2 lässt sich nach dem Su ¬ perpositionsprinzip in einen Ersatzschaltkreis 20b, der den Betriebszustand der Leitung 10 vor Eintritt des Kurzschlusses 16 wiedergibt, und einen Ersatzschaltkreis 20c, der die durch den Eintritt des Kurzschlusses 16 hervorgerufenen Änderungen des Zustands der Leitung 10 angibt, zerlegen.
Der Ersatzschaltkreis 20b umfasst die Spannungsquellen E SiA und E S , B - An der Stelle, an der im Ersatzschaltkreis 20a der Kurzschluss 16 auftritt, liegt die Spannung Uk an. An der Messstelle 15a liegen die Vorfehlerspannung u p , A und der Vorfehlerstrom -Lp, A vor. Der weitere Ersatzschaltkreis 20c stellt die Situation nach der Änderung der Netztopologie dar. Die aus diesem Kreis ge ¬ wonnenen Strom- und Spannungsgrößen nennt man Delta-Größen Aif, A und ÄUf,A, da sie sich auf die durch den Kurzschluss her ¬ vorgerufenen Änderungen von Strom- und Spannung beziehen. Diese Delta-Größen werden durch die den Kurzschluss 16 reprä ¬ sentierende fiktive Spannungsquelle -Uk an der Fehlerstelle getrieben . Bei Überlagerung ( Superposition) der Ersatzschaltkreise 20b (Situation vor dem Kurzschluss) und 20c (Änderungen durch den Kurzschluss) ergibt sich folglich der Ersatzschaltkreis 20a. Da in Wirklichkeit aufgrund der fehlenden Information über die Distanz a zur Fehlerstelle die Netztopologie und ihre Komponenten unbekannt sind, lassen sich die Delta-Größen von Strömen und Spannungen nicht aus der Berechnung des Netzkreises bestimmen. Sie können aber durch Differenzbildung der Vorfehlergrößen ip,A und U ( j mit den Fehlergrößen i Ai u A be ¬ stimmt werden. Hierbei wird angenommen, dass die Vorfehlergrößen ein stabiles Verhalten des Netzes widerspiegeln.
Figur 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Fehlergrößen i A , u A , Vorfehlergrößen i p , A , u P,A und Delta-Größen Ai ffA , /\u f(A nochmals in Form dreier Diagramme 30a, 30b und 30c. Das Diagramm 30a zeigt hierbei den zeitlichen Verlauf der real an der Mess ¬ stelle 15a vor und nach Eintritt des Kurzschlusses bei t=0 gemessenen Spannung u A . Das Diagramm 30b stellt die Situation so dar, als sei kein Fehler eingetreten, bezieht sich also lediglich auf den Verlauf der Vorfehlergrößen u p , A , während sich der in Diagramm 30c gezeigte Verlauf der Delta-Spannung ÄUf,A ausschließlich auf die durch den Kurzschluss erzeugten Änderungen bezieht. Bei Addition der Verläufe der Vorfehlergrößen u p , A und Deltagrößen Au f , A ergibt sich wiederum der Ver- lauf der real an der Messstelle 15a erfassten Spannung u A , daher lassen sich die jeweiligen Delta-Größen durch Differenzbildung der Verläufe für die Spannung u A und die Vorfehlerspannung u p , A berechnen. Die Vorgehensweise bei der praktischen Berechnung der Delta- Größen für Strom und Spannung ist in Figur 4 näher dargestellt. Figur 4 zeigt ein Diagramm 40, in das in durchgezoge ¬ ner Linie der Verlauf der tatsächlich an der Messstelle 15a erfassten Spannung u A eingezeichnet ist. Man erkennt, dass die Spannung u A mit Beginn des Kurzschlusses bei t=0 sprung ¬ haft absinkt und danach mit entsprechend niedrigerer Amplitu ¬ de verläuft. In gestrichelter Linie ist nach Fehlereintritt bei t=0 der - fiktive - Verlauf der Vorfehler-Spannung u p , A eingetragen, der sich ergeben würde, wenn kein Kurzschluss bei t=0 eingetreten wäre. Der Wert der jeweiligen Vorfehler- Spannung U P , A lässt sich durch zeitliche Verschiebung entlang der Zeitachse um eine volle Schwingungsperiode T (oder ein Vielfaches einer vollen Schwingungsperiode) ermitteln, wie durch einen Pfeil 31 in Figur 3 angedeutet wird. Folglich gilt für die Vorfehler-Spannung die Beziehung: u p,A (t) = u A (t - T) .
Praktisch müssen in dem die Fehlerauswertung durchführenden Schutzgerät 12a (siehe Figur 1) folglich die erfassten Ab ¬ tastwerte für die Dauer mindestens einer vollen Schwingungs ¬ periode gespeichert werden, um den Verlauf der fiktiven Vor- fehlergrößen u p , A berechnen zu können. Wie Figur 3 ferner ent ¬ nommen werden kann, lässt sich der Verlauf der Delta-Spannung ÄUf,A ~ wie durch einen weiteren Pfeil 32 angedeutet - durch Differenzbildung gemäß Au f Ä (t) = u p Ä (t) - u Ä (t) bestimmen .
Zwischen den Vorfehlergrößen und den Delta-Größen tritt noch eine mathematische Verbindung auf, nämlich die Spannung Uk an der Fehlerstelle, die sich aus den beiden Größen bestimmen lässt. Diese fiktive Spannungsquelle ist der Entscheidungs ¬ faktor zur Distanzbestimmung des Fehlers: u k — u A aZ L ■ i A
und
U k = AU f,A - aZ L - Ai f,a wobei wie oben erläutert u A und i A messbare und ÄUf, A und Ai f , A berechnete Größen sind.
Eine unbekannte Größe ist jedoch die Impedanz aZ L bis zur Fehlerstelle, die den Kurzschlusspunkt des Netzes widerspie ¬ gelt. Um zu entscheiden, ob der Kurzschluss in dem zu schüt ¬ zenden Bereich (Überwachungszone 17, siehe Figur 1) liegt, muss ein Einstellwert Z ref für eine Referenzstelle 18, die vorteilhaft am Ende der Überwachungszone 17 liegt, eingeführt werden, der somit die entsprechende Überwachungszone be ¬ stimmt. Dieser Einstellwert Z re f lässt sich in die Berechnung so integrieren, dass eine Bestimmung der Fehlerposition derart möglich ist, dass in der Überwachungszone liegende Fehler von solchen außerhalb der Überwachungszone unterschieden wer- den können. Mittels des Einstellwertes Z re f lässt sich zum ei ¬ nen hinsichtlich der Vorfehlerspannungen eine fiktive Referenzspannung am Ende der eingestellten Überwachungszone vor dem Fehlereintritt berechnen. Zum anderen lässt sich unter Verwendung des Einstellwertes Z re f und der Delta-Spannungen auch eine fiktive Vergleichsspannung an der Fehlerstelle bestimmen, die vorliegen würde, wenn der Fehler am Ende der Überwachungszone eingetreten wäre. Aus der Analyse der beiden berechneten Spannungen lassen sich folgende Rückschlüsse ziehen :
- Liegt der Kurzschluss am Ende der Überwachungszone
, stimmen die Werte der Referenzspannung und der Vergleichsspannung (nahezu) überein. - Liegt der Kurzschluss in der Überwachungszone
(aZ L <Z re f) , wird die aus den Delta-Spannungen berechnete Vergleichsspannung größer als die Referenzspannung.
- Liegt der Fehler außerhalb der Zone (aZ L >Z re f oder aZ L <0), wird die Referenzspannung größer als die sich aus den Delta-Spannungen ergebene Vergleichsspannung.
Somit können die Delta-Größen für die Distanzmessung behilflich sein. Um bei der auf den Delta-Größen basierenden Metho- de keinen Zeitverzug aufgrund der Verwendung von Zeitfenstern zur Berechnung komplexer Größen zu haben, wird sie in der zeitlichen Form mit Momentanwerten implementiert. Hierbei ist die Umwandlung von Vorfehler- und Delta-Größen in die komplexe Form nicht notwendig. Dadurch kann die Entscheidung des Schutzgeräts über das Vorliegen eines Kurzschlusses beschleu ¬ nigt werden, weil man nicht warten muss, bis ein Messfenster mit Messwerten gefüllt ist und die komplexen Größen berechnet werden können. Analog zur bisher beschriebenen Vorgehensweise werden zuerst die momentanen Referenzspannungswerte und die momentanen Vergleichsspannungswerte ermittelt. Diese Ermitt ¬ lung soll anhand der in Figur 5 gezeigten Ersatzschaltkreise 50a und 50b erläutert werden.
Die Berechnung der Referenzspannung u re f kann anhand des Er- satzschaltkreises 50a in Figur 5 erläutert werden. Dieser Er ¬ satzschaltkreis spiegelt die Vorfehlergrößen wider. Die Refe ¬ renzspannung u r ef wird mittels der folgenden auf die Abtast ¬ werte n bezogenen Gleichung bestimmt: wobei die Impedanz Z re f durch die äquivalente Induktivität L re f und die Resistanz R re f ersetzt wurde. Ferner bedeuten Up (n) =u (n-N) einen Vorfehler-Spannungsabtastwert, der eine Periodendauer T vor dem momentanen Spannungsabtastwert u (n) aufgetreten ist, und i p (n)=i(n-N) einen Vorfehler- Stromabtastwert, der eine Periodendauer T vor dem momentanen Stromabtastwert u (n) aufgetreten ist. Die Anzahl von Abtast ¬ werten pro Periodendauer ist N. Der Index n steht für die Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt.
Zur Fehlerauswertung muss zudem eine sich aus den Delta- Größen (also der durch den Kurzschluss hervorgerufenen Änderungen) von Strom und Spannung ergebene Vergleichsspannung u v am Ende der durch Impedanz Z re f eingestellten Überwachungszone bestimmt werden. Diese Vergleichsspannung u v lässt sich mit ¬ tels des Ersatzschaltkreises 50b aus Figur 5 berechnen. Dabei müssen zuerst die Delta-Größen als Differenz aus den momentanen Abtastwerten und den entsprechenden Vorfehler- Abtastwerten, also den gespeicherten Abtastwerten, die eine Schwingungsperiode (oder ein Vielfaches davon) vor den aktu ¬ ellen Abtastwerten erfasst worden sind. Mit diesen Delta- Größen Au f und Ai f ergibt sich die Vergleichsspannung bezogen auf die Abtastwerte n zu:
Ai f (n) - Ai f (n - 1)
u v {n) = Au f (n) - L ' i ref ef - ^f
T Die dargestellten Gleichungen für u re f und u v erlauben zu ¬ nächst nur eine Berechnung von Momentanwerten, die zur Fehlerauswertung zu ungenau sind, da sie von Messfehlern, Ausreißern oder zufälligen Schwankungen behaftet sein könnten. Momentanwerte sind daher keine zuverlässige Basis zur Fehler- auswertung. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, die Bewertung aufgrund von gleichgerichteten Werten der Referenzspannung u r ef und der Vergleichsspannung u v durchzuführen. Die gleichgerichtete Referenzspannung U ref wird wie folgt ermit ¬ telt :
1 N
k =n-( 1)
2
mit
Uref (n) : gleichgerichteter Referenzspannungswert;
Uref (k) : momentaner Referenzspannungswert für den
Abtastwert k;
n Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt; N Anzahl der Abtastwerte pro Periodendauer; k Aufsummierungsindex .
Um die Berechnung zu verkürzen und dabei die Geschwindigkeit des Verfahrens zu erhöhen, kann die gleichgerichtete Refe ¬ renzspannung während einer halben Netzperiode bestimmt werden. Da die gleichgerichtete Referenzspannung vor dem Fehlereintritt konstant bleibt, ist ihre messtechnische Erfassung unproblematisch .
Die gleichgerichtete Vergleichsspannung U v wird entsprechend gemäß der folgenden Gleichung bestimmt:
iV N
k = n-( 1)
2
mit
U v (n) : gleichgerichteter Vergleichsspannungswert; u v (k) : momentaner Vergleichsspannungswert für den
Abtastwert k;
n : Nummer des Abtastwertes nach Fehlereintritt;
N : Anzahl der Abtastwerte pro Periodendauer; k : Aufsummierungsindex . Das bedeutet, dass das Verfahren bei einer Abtastfrequenz 1kHz maximal 10 Abtastwerte benötigt, um die gleichgerichtete Vergleichsspannung U v bestimmen zu können. Die Entscheidung bezüglich eines auf der Leitung liegenden Kurzschlusses kann folglich nach maximal 10 Abtastwerten getroffen werden, wodurch eine deutliche Geschwindigkeitssteigerung erreicht wird .
In Figur 6 ist das Ergebnis der Fehlerauswertung für einen einpoligen Kurzschluss innerhalb der Überwachungszone darge ¬ stellt. In Figur 6 sind in einem Diagramm 60 die zeitlichen Verläufe der tatsächlich an der Messstelle 15a (vgl. Figur 1) gemessenen Spannung u, der gleichgerichteten Referenzspannung U ref und der gleichgerichteten Vergleichsspannung U v darge- stellt. Bis zum Eintritt des Kurzschlusses bei t=0 stimmen die Werte für die gleichgerichtete Referenzspannung U ref und die gleichgerichtete Vergleichsspannung U v überein, d.h. die Differenz aus beiden liegt unterhalb eines Auslöseschwellenwertes. Hingegen erkennt man bereits kurz nach Eintritt des Kurzschlusses an der Stelle 61 eine Erhöhung der gleichge ¬ richteten Vergleichsspannung U v , während die gleichgerichtete Referenzspannung U ref , da sie anhand der Vorfehlergrößen ge ¬ bildet wird, weiter konstant bleibt. Somit übersteigt an der Stelle 61 die Differenz aus der gleichgerichteten Referenz- Spannung und der gleichgerichteten Vergleichsspannung erstmalig den Auslöseschwellenwert und es wird ein entsprechendes Fehlersignal zum Abschalten de Leitung erzeugt.
Anhand des Verlaufs der gleichgerichteten Vergleichsspannung U v in Figur 6 lässt sich erkennen, dass immer eine gewisse
Anzahl n von Abtastwerten benötigt wird, um bei Kurzschlüssen innerhalb der Überwachungszone den Auslöseschwellenwert zu überschreiten. Dennoch kann bei dem Beispiel gemäß Figur 6 eine Entscheidung innerhalb einer Zeitdauer unter eine halben Periodendauer getroffen werden.
Zusammengefasst kann festgestellt werden, dass das vorge- stellte Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses auf einer Leitung eines elektrischen Energieversorgungsnetzes vorteil ¬ haft eine Fehlerauswertung anhand von gleichgerichteten Werten der momentanen Referenzspannung u ref und der Vergleichs ¬ spannung u v nutzt. Die Verwendung gleichgerichteter Werte hat gegenüber den Momentanwerten den Vorteil, dass eine wesentlich zuverlässigere Entscheidung hinsichtlich eines Kurzschlusses innerhalb der Überwachungszone möglich ist, da Aus ¬ reißer von einzelnen Abtastwerten nicht sofort zu einer möglichen Fehlauslösung führen. Zudem können kurzzeitige Mess- fehler nach dem Eintritt eines externen, also außerhalb der Überwachungszone liegenden, Kurzschlusses nicht unmittelbar zu einer Fehlauslösung führen und haben damit einen geringeren Einfluss auf das Verhalten der Fehlerauswertung. Außerdem kann sichergestellt werden, dass auch bei ungenauer Vorgabe der Leitungsparameter die Genauigkeit der Fehlerauswertung nicht so stark beeinflusst wird.
Für die Stabilisierung der Entscheidung der Fehlerauswertung kann zusätzlich die in Figur 7 dargestellte Charakteristik des Auslöseschwellenwertes eingesetzt werden. Hierzu zeigt Figur 7 eine sogenannte Auslösecharakteristik 70, die den Verlauf des Auslöseschwellenwertes (der in der Auslösecharak ¬ teristik 70 durch positiven Anteil 71a und einen negativen Anteil 71b angegeben ist) mit zunehmender Anzahl n von zur Berechnung der gleichgerichteten Vergleichsspannung U v verwendeten Abtastwerte von Strom und Spannung angibt. Der schraffierte Bereich 72a oberhalb des positiven Anteils 71a des Auslöseschwellenwertes gibt den Bereich für die Differenz aus der gleichgerichteten Referenzspannung U ref und der gleichgerichteten Vergleichsspannung U v an, innerhalb dessen auf einen internen Kurzschluss innerhalb der Überwachungszone geschlossen wird, während der Bereich 72b unterhalb des nega- tiven Anteils 71b des Auslöseschwellenwertes auf einen außer ¬ halb der Überwachungszone liegenden externen Kurzschluss hin ¬ deutet. Innerhalb des zwischen diesen beiden Bereichen 72a und 72b liegenden Zwischenbereichs kann hingegen keine ein ¬ deutige Aussage getroffen werden. Man erkennt, dass mit stei- gender Anzahl n von für die Fehlerauswertung verwendeten Abtastwerten von Strom und Spannung der Zwischenbereich 73, innerhalb dessen keine Entscheidung möglich ist, in Stufenschritten abnimmt, da mit steigender Anzahl von Abtastwerten der Wert der gleichgerichteten Vergleichsspannung U v immer zuverlässiger bestimmt werden kann und damit die Zuverlässig ¬ keit der gesamten Fehlerauswertung steigt.
In Figur 7 sind drei Verläufe 74a - 74c der Differenz aus der gleichgerichteten Vergleichsspannung U v und der gleichgerich- teten Referenzspannung U ref beispielhaft dargestellt. Der Ver ¬ lauf 74a nimmt früh negative Werte an und führt schließlich zur Erkennung eines externen Fehlers an der Stelle 75a. Der Verlauf 74b nimmt gleich nach Fehlereintritt positive Werte an und führt bereits früh an der Stelle 75b zur Erkennung ei- nes internen Kurzschlusses auf der überwachten Leitung. Der Verlauf 74c hingegen nimmt zunächst negative Werte an, wird danach doch positiv und führt schließlich an Stelle 75c zu einer Erkennung eines internen Kurzschlusses auf der überwachten Leitung.
Neben der Anzahl der für die Fehlerauswertung herangezogenen Abtastwerte können auch weitere Faktoren den Verlauf des Aus ¬ löseschwellenwertes bestimmen (in Figur 7 nicht dargestellt) . Beispielsweise kann der Bereich 73, innerhalb dessen keine Entscheidung getroffen werden kann, umso größer ausfallen, je mehr Störungen in Form von z.B. Oberschwingungen oder Frequenzabweichungen hinsichtlich der erfassten Ströme und Span- nungen vorliegen.
Das beschriebene Verfahren kann durch der Fehlerauswertung vorgelagerte Maßnahmen Ressourcen schonender durchgeführt werden, so dass der Anteil an Rechenkapazität, die eine Da- tenverarbeitungseinrichtung (CPU, DSP) eines Schutzgerätes zur Durchführung der Fehlerauswertung aufwenden muss verringert werden kann. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zunächst lediglich anhand einfacher Kriterien eine Überprüfung durchgeführt wird, ob überhaupt ein Kurzschluss auf der Leitung vorliegt. Hierzu wird ein sogenannter Sprungde ¬ tektor eingesetzt, der die Phase-Phase-Ströme der jeweiligen Phasenleiter oder von den Phase-Phase-Strömen abgeleitete Werte (z.B. auf den Phase-Phase-Strömen basierende Delta- Größen, ggf. in gleichgerichteter Form) auf auffällige Strom- sprünge untersucht und ein erstes Anregesignal angibt, wenn ein solcher Stromsprung, also eine Stromänderung, die einen Stromschwellenwert übersteigt, erkannt worden ist.
Figur 8 zeigt in diesem Zusammenhang einen von einem Sprung- detektor erfassten Stromverlauf Ιψ ψ ; die Indizes φ und ψ die ¬ nen hierbei als Platzhalter für die einzelnen betrachteten Phasenleiter (Phase 1, Phase 2, Phase 3) der 3-phasigen Leitung. So ist in einem ersten Diagramm 81 der Stromverlauf des Phase-Phase-Stroms I 1 - 2 für die Phasenleiter Phase 1 und Phase 2 in durchgezogener Linie dargestellt. Im Diagramm 82 ist in durchgezogener Linie der Phase-Phase-Strom I 2 -3 für die Phasenleiter Phase 2 und Phase 3 dargestellt, während schließ ¬ lich im Diagramm 83 in durchgezogener Linie der Phase-Phase- Strom I3-1 für die Phasenleiter Phase 3 und Phase 1 aufgezeigt ist. In gestrichelter Linie sind in den einzelnen Diagrammen 81, 82, 83 jeweils zugehörige Sprungschwellenwerte ±1-2*, I2- 3*, I3-1* gezeigt, wobei in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 diese Sprungschwellenwerte zur Stabilisierung der Sprungerkennung dynamisch z.B. an die Größe des fließenden Nullstromes angepasst werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 soll angenommen wer- den, dass die Phase 1 von einem einpoligen Kurzschlussschluss betroffen ist. Entsprechend zeigen die Stromverläufe I1-2 im Diagramm 81 und I3-1 im Diagramm 83 an den Stellen 84 und 85 eine Schwellenwertverletzung, während im Diagramm 82 der Stromverlauf I2-3 deutlich unterhalb des Verlaufes des Sprung- Schwellenwertes ±2-3* bleibt. Der Sprungdetektor gibt in die ¬ sem Beispiel mit Verletzung der entsprechenden Sprungschwellenwerte an den Stellen 84 und 85 ein erstes Anregesignal ab, das beispielsweise als Triggersignal für die nachfolgende Fehlerauswertung der Strom- und Spannungsabtastwerte genutzt werden kann. Solange kein erstes Anregesignal vom Sprungde ¬ tektor erzeugt wird, findet dementsprechend auch keine Aus ¬ wertung der Strom- und Spannungsabtastwerte hinsichtlich eines Kurzschlusses auf der Leitung statt, so dass durch Vor ¬ schaltung des Sprungdetektors erhebliche Rechenressourcen der CPU des Schutzgeräts eingespart werden können.
Eine weitere Möglichkeit, um Rechenleistung bei der Fehler ¬ auswertung einzusparen, besteht darin, bei Vorliegen des ersten Anregesignals eine Schleifenerkennung durchzuführen, mit der die jeweilige von dem Kurzschluss betroffene Schleife
(z.B. Phase 1 - Erde oder Phase 2 - Phase 3) erkannt werden kann und die Auswertung der Strom- und Spannungsabtastwerte danach ausschließlich für die erkannte Fehlerschleife durch- geführt wird. Dies soll anhand von Fig. 9 näher erläutert werden .
Figur 9 zeigt hierzu ein Blockschaltbild der Funktionsweise einer Schleifenerkennungsfunktion. Ein von dem Sprungdetektor erzeugtes erstes Anregesignal S an i wird einem ersten Verarbei ¬ tungsblock 91 zugeführt. Das erste Anregesignal S an i dient da ¬ mit quasi als Trigger zum Start der Schleifenerkennung und bewirkt, dass an dem ersten Verarbeitungsblock 91 zusätzlich anliegende Abtastwerte u und i eingelesen werden. In dem ers ¬ ten Verarbeitungsblock 91 werden daraufhin gleichgerichtete Delta-Größen der Ströme und Spannungen berechnet und einem zweiten Verarbeitungsblock 92 zugeführt. Der zweite Verarbeitungsblock 92 führt diverse Schwellenwertvergleiche hinsicht- lieh der aus den Stromabtastwerten gewonnenen Delta-Größen durch .
Das Ergebnis dieser Abrufung wird an einen dritten Verarbeitungsblock 93 weitergegeben, der anhand weiterer Abprüfungen hinsichtlich von aus den Strom- und/oder Spannungsabtastwerten gewonnen Delta-Größen die in dem zweiten Verarbeitungsblock 92 gewonnenen Ergebnisse überprüft. Können bei der Prü ¬ fung in dem dritten Verarbeitungsblock 93 die Ergebnisse aus dem zweiten Verarbeitungsblock 92 bestätigt werden, so gibt der dritte Verarbeitungsblock 93 ein zweites Anregesignal S an 2 ab, das die von dem Kurzschluss behaftete Fehlerschleife an ¬ gibt .
Zur Überprüfung auf einen einpoligen Phase-Erde-Kurzschluss kann in dem zweiten Verarbeitungsblock 92 beispielsweise die folgende Bedingung abgeprüft werden (die Indizes φ, ψ und γ dienen hierbei als Platzhalter für die Bezeichnung der drei Phasen der Leitung) :
I30 steht hierbei für die Nullsystemspannung, k mit ver ¬ schiedenen Indizes steht für vorgegebene Vergleichs- Parameter. Ist die vorgenannte Bedingung erfüllt, so wird an den dritten Verarbeitungsblock 93 ein entsprechendes Zwischensignal abgegeben. Der dritte Verarbeitungsblock 93 führt daraufhin eine Überprüfung des Ergebnisses des zweiten Verarbeitungsblocks 92 durch, indem beispielsweise folgende Bedin ¬ gung abgeprüft wird: υ ψ >Κ ρρ ·ΜΙ φγ ODER { M ¥ > k ip - M y UND ΑΙ ψ > k ip ■ ΑΙ φ ) .
Ist diese Bedingung erfüllt, so bestätigt der dritte Verar ¬ beitungsblock 93 die Ergebnisse des zweiten Verarbeitungs ¬ blocks 92 und gibt ein zweites Anregesignal S ari 2 ab, dass die Schleife „Phase ψ - Erde" als von dem Kurzschluss behaftet angibt .
Bei der Schleifenauswahl kann im Block 92 auch folgende Bedingung überprüft werden:
Ist diese Bedingung erfüllt, so gibt der Verarbeitungsblock 92 ein entsprechendes Zwischensignal an den Verarbeitungs ¬ block 93 ab. Dieser führt eine Überprüfung anhand der folgenden Bedingung durch: r Ist dies erfüllt, so wird von dem dritten Verarbeitungsblock 93 ein zweites Anregesignal S an 2 abgegeben, das die Schleife „Phase ψ - Phase φ" von dem Fehler behaftet ausgibt. In dem dritten Verarbeitungsblock 93 wird ferner die folgende Bedingung abgeprüft:
AU, > k v - AU f . Ist diese Bedingung erfüllt, so wird ein zweites Anregesignal S a n2 ausgegeben, das die Schleife „Phase ψ - Erde" als von dem Fehler betroffen angibt.
Zudem führt der dritte Verarbeitungsblock 93 die folgende Prüfung durch:
AU f > k v - AU, .
Ist diese Bedingung erfüllt, so wird ein zweites Anregesignal S ari 2 ausgegeben, das die Schleife „Phase φ - Erde" als von dem Fehler betroffen angibt.
Durch die bei der Phasenauswahl durchgeführten Überprüfungen kann sehr zuverlässig die tatsächlich von dem Fehler behafte- te Schleife angegeben werden, so dass die Auswertung der
Strom- und Spannungsabtastwerte lediglich bezüglich der von der Schleifenauswahl angegebenen fehlerbehafteten Schleife durchgeführt werden muss. Schließlich kann vorgesehen sein, dass parallel zu der beschriebenen Fehlerauswertung auch ein „klassisches" Distanz- schutzverfahren durchgeführt wird, das anhand komplexer
Strom- und Spannungswerte die Kurzschlussimpedanzen bestimmt und diese mit vorgegebenen Auslösegebieten vergleicht. Derje ¬ nige Algorithmus, der zuerst einen internen Kurzschluss in der Überwachungszone der Leitung erkannt hat, gibt ein ent ¬ sprechendes Fehlersignal ab, das von dem betreffenden Schutz- gerät in ein Auslösesignal zur Auslösung des entsprechenden Leistungsschalters umgesetzt wird. Auf diese Weise kann si ¬ chergestellt werden, dass eindeutige Kurzschlüsse, bei denen sich die gleichgerichtete Referenzspannung und die gleichge ¬ richtete Vergleichsspannung stark voneinander unterscheiden, mit der hier vorgestellten Fehlerauswertung zu einer schnellen Auslösung führen, während bei weniger eindeutigen Kurzschlüssen, beispielsweise in unmittelbarer Nähe der Kippgrenze, auf die Zuverlässigkeit des mithin langsameren klassi ¬ schen Distanzschutzverfahrens zurückgegriffen werden kann.