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Verfahren und Einrichtung zum Schutz von Gleichstrom-Übertragungsleitungen
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Relaisschutztechnik von Energiesystemen, insbesondere
ein Schutzverfahren und eine -einrichtung gegen Kurzschlüsse bei Gleichstrom-Übertragungsleitungen,
Es ist ein Schutzverfahren gegen Kurfsch4üsse bei GleichstromÜbertragungsleitungen
bekannt, wo die Fehlererfassung sowohl in den Umformerstationen als. auch auf der
eigentlich zu schützenden Leitung durch Auswertung der Mittelwertdifferenz gleichgerichteter
Spannung in der Elektroenergie-Übertragungsleitung zustande kommt, während die Störungserfassung
auf der eigentlich zu schützenden Leitung durch Auswertung des Unterschiedes in
den Werten der zeitlichen Ableitungen von Spannungsaugenblickswerten in der zu schützenden
Leitung vorgenommen wird. Hierbei-kommen die Fehler sowohl in den Umformerstationen
als auch auf der eigentlich zu schützenden Gleichstrom-Übertragungsleitung (vgl.
z. B. UdSSR-Urheberschein Nr. 237/981, Kl.
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21c, 68/50; IPK H 02d) in Frage.
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Schutzeinrichtungen gegen Kurzschlüsse bei Gleichstrom-Übertragungsleitungen
sind bekannt. Unter einer Gleichstrom-Ubertragungsleitung werden hier und im folgenden
die eigentlich zu schützende Leitung und die an deren Anfang und Ende angeschlossenen
Umformerstationen verstanden. Diese Einrichtungen weisen Einheiten-zur Fehlererfassung
sowohl auf der eigentlich zu schützenden Leitung als rauch in einer Umformerstation
der Gleichstrom-Übertragungsleitung auf. Die letztere enthält einen Spannungsübertragungsweg,
dessen Eingang an einen Spannungsmittelwertgeber in der zu schützenden Leitung angeschlossen
ist, und einen Stromübertragungsweg, dessen Eingang an einen Gleichstromgeber in
der zu schützenden Elektroenergie-Übertragungsleitung angeschaltet ist. Die Einheit
zur Fehlererfassung in der eigentlich zu schützenden Lei tung umfaßt ein Meßorgan,
dessen Eingang an einen Spannungsaugenblickswertgeber in der zu schützenden Leitung
angeschlossen ist, und ein Stellorgan, das an den Ausgang des Meßorgans angeschaltet
ist (vgl. z. B. UdSSR-Urheberschein Nr. 226 705, Kl. 21c, 68/50; IPK H 02d).
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Ein Nachteil des bekannten Schutzverfahrens-besteht in der Ermöglichung
einer derartigen Betriebsart der Gleichstrom-Übertragungsleitung, bei der sich die
zu messenden Mittelwerte der gleichgerichteten Spannung in der zu schützenden Leitung
bei Störungen und im Normalbetrieb voneinander wenig unterscheiden.
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Darüber hinaus haftet dem bekannten Schutzverfahren der Mangel an,
daß die Größe der zeitlichen AbleitPung des Spannungsaugenblickswertes in der zu
schützenden Leitung von der Anzahl der normal betriebenen Umformerbrücke;n -i:n.
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der zu schützenden Leitung abhängt.
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Gleichzeitig weisen die bekannten Einrichtungen eine unzureichende
Empfindlichkeit bei der Fehlerermittlung in zu schützender Leitung größerer Länge
auf, weil bei entfernten Störungsstellen der Mittelwert der gleichgerichteten Spannung
am Anfang der zu schützenden Leitung erheblich ansteigt. Infolgedessen kann der
Unterschied zwischen dem genannten und einem dem Ansprechwert der Einrichtung entsprechenden
Spannungswert nicht groß genug sein. Darüber hinaus bat die Ausnutzung des Spannungsmittelwertes
bei der zu schützenden Leitung als Ansprechwert der Einrichtung zum Schutz der Elektroenergie-Übertragungsleitung
eine Herabsetzung der Schnellansprechbarkeit der Einrichtung zur Folge.
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Außerdem besitzen die bekannten Einrichtungen keine ausreichende
Empfindlichkeit bei der Störungserfassung in der eigentlich zu schützenden Elektroenergie-Übertragungsleitung
größerer Länge wegen der Verkleinerung des Unterschiedes bei den Werten der zeitlichen
Ableitungen des Spannungsaugenblickswertes am Anfang der zu schützenden Leitung
bei einer Verkleinerung der Anzahl der normal betriebenen Umformerbrücken einer
Gleichs trom-Übertragungs leitung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter -Vermeidung der genannten
Mängel eine derartiges Schutzverfahren für Gleichstrom-Übertragungsleitungen und
eine derartige Einrichtung zu dessen Durchführung zu schaffen, so daß eine Erhöhung
von Empfindlichkeit und schnellem Ansprechen bei der Fehlererfassung sowohl in den
Umformerstationen als auch auf der eigentlich zu schützenden Leitung möglich und
bei der im Falle einer Störungserfassung
in der eigentlich zu schützenden
Leitung derMeßwert der zeitlichen Ableitung des Spannungsaugenblickswertes am Anfang
der zu schützenden Leitung von der Anzahl der arbeitenden Umformerbrücken einer
Elektroenergie-Übertragungsleitung unabhängig ist0 Diese Aufgabe wird bei einem
Verfahren zum Schutz von Gleichstrom-Übertragungsleitungen, bei dem elektrische
Größen eines der Spannung in der Leitung proportionalen Kontrollsignals mit den
Kenngrößen eines Vergleichssignals verglichen werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß als Vergleichswert des Kontrollsignals der Momentanwert der Spannung genommen
wird, die mit einer Vergleichs spannung im Laufe von mindestens zwei aufeinanderfolgenden
festgelegten Zeitintervallen verglichen wird, deren Gesamtdauer eine Periode des
umzuformenden Wechselstromes unterschreis tet, wobei die Dauer des ersten Zeitintervalls
nicht größer als die des zweiten ist.
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Es ist zweckmäßig, bei der Fehlererfassung in der eigentlich zu schützenden
Leitung, daß als Vergleichswert des Kontrollsignals ein auf'ein Zeitintervall vom
Augenblick der Entstehung eines Zuwachses des durch eine Störung auf der Leitung
ausgelösten Kontrollsignals bis zum Augenblick des Eintreffens im Meßpunkt einer
Anderung der Front einer an der Störstelle entstandenen und sich in Richtung des
genannten Punktes in einem durch Leiter und Erde gebildeten Stromkreis fortpflanzenden
elektromagnetischen Welle bezogener relativer Zuwachs dieses Kontrollsignals gewählt
wird.
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Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einer Einheit-zur Fehlerermittlung
in der eigentlich zu schützenden
Elektroenergie-Übertragungsleitung,' die ein Meßorgan, an dessen Eingang ein dem
Spannungsaugenblickswert in der Elektroenergie-Übertragungsleitung proportionales
Signal eintrifft, und ein an den Ausgang des Meßorgans angeschlossenes Stellorgan
aufweist, sowie mit einer Störungen in der eigentlich zu schützenden Leitung und
in einer Umformerstation erfassenden Einheit einschließlich einem Spannungs- und
Stromübertragungsweg, die miteinander durch eine logische Schaltung verbunden sind,
ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Meßorgan der Einheit zur Fehlererfassung
in der eigentlich zu schützenden Leitung in Form einer an einen Spannungsgeber in
der zu schützenden Leitung angeschalteten Reihenschaltung aus einem mit einem Widerstand
überbrückten Kondensator und einer Diode ausgeführt ist, und daß die Durchlaßrichtung
der Diode mit der Richtung des Ausgangsstromes des Spannungsgebers bei Normalbetrieb
der zu schützenden Leitung zusammenfällt, während der Ausgang des Meßorgans durch
die Elektroden der Diode gebildet ist.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
und beiliegender Zeichnung näher erläutert werden, in der zeigen Fig, 1 a den erfindungsgemSßen
Spannungsverlapf am Anfang der zu schützenden Gleich stromrUber tragunçsleitung
für den Fall einer Störung ds Normalbetriebes der Um£-rmerßtation in gewa41--ten
Zeitintervallen;
Fig. 1 b den erfindungsgemäßen Spannungsverlauf
am Anfang der zu schützenden Gleichstrom-"1bertragungs= leitung für den Fall einer
Störung auf der eigentlich zu schützenden Leitung in gewählten Zeitintervallen;
Fig. 2 a den erfindungsgemäßen Verlauf eines relativen Spannungswertes am Anfang
der zu schützenden Gleichstrom-Übertragungsleitung bei einer Störung am Ende der
eigentlich zu schützenden Leitung; Fig. 2 b den erfindungsgemäßen Verlauf eines
relativen Spannungswertes am Anfang der zu schützenden Gleichstrom-Übertragungsleitung
bei einer Störung in der Umformerstation; Fig. 3 das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Schutz einrichtung für eine Gleichstrom-Übert'ragungsleitung; Fig. 4 das Prinzipschaltbild
deserfindun-gsgemäßen Mteß organs einer Störungen in der eigentlich zu schützenden
Leitung erfassenden Einheit.
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Der Spgnnungsverlauf am Anfang der zu sçhützenden Energioüber-tragBngsleitung
hat bei einer Störung ein Aussehen von, abklingenden Schwingungen, deren Periode
und Abkling-, zeit mit steigender Entfernung der Störung auf der Leitung anwachsen.-
Der
Spannangsterlauf am Anfang der zu schützenden Leitung hat bei einer Störung des
Normalbetriebes der Umformerstationen ebenfalls eine Form von periodischen Schwingungen
(Fig. 1a), jedqch im Unterschied zu dem Fall einer Störung auf der Elektroenergie-Übertragungsleitung
klingen die gegenannten Schwingungen nicht ab, und die Periode dieser Schwingungen
wird bei einer stabilen Störung durch die Schwingungsperiode des umzuformenden Wechselstromes
bestimmt.
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Hierbei bleibt die Spannung U0 am Anfang der zu schützenden Leitung
unterhalb der Vergleichsspannung U1, die bei Normalbetrieb der Elektroenergie-Übertragungsleitung
Im Laufe eines Zeitintervalls von #To bei jeder Schwingungsperiode nicht mehr als
die Hälfte von Uo betragen soll.
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Wahlt man mindestens zwei feste aufeinanderfolgende Zeitintervalle
T1und T2, deren Gesamtdauer den Wert der Schwingungsperiode T des umzuformenden
Wechselstromes unterschreitet, und übersteigt hierbei die Dauer des ersten Zeitintervalls
/ST1 nicht die des zweiten 2\ T2, so erweist es sich, daß im Laufe eines Teils i
To des ersten Zeitintervallss # T1 die Spannung U0 unterhalb der Vergleichsspannung
U1 und im Laufe eihes ganzen zweiten Zeitintervalls T2 oberhalb der Vergleichs spannung
U1 liegen wird.
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Bei einer Störung auf der Elektroenergie-Übertragungsleitung wird
der Spannungsverlauf am Anfang der eigentlich zu schützenden Leitung für die in
Frage kommenden Zeitintervalle i\T1 und #T2 (Fig. 1b) einen derartigen Charakter
aufwelten, daß im Laufe eines Teils oder des ganzen ersten Zeitintervalls A T1 und
im Laufe von mindestens
einem Teil des zweiten Zeitintervalls T2
die Spannung U -am Anfang der Leitung unterhalb der Vergleichs spannung U1 liegen
wird.
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Wenn also im Laufe von wenigstens einem Teil des zweiten-Zeitintervalls
T2 die Spannung UO am Anfang der zu schütz-enden Leitung unterhalb der Vergleichs
spannung U1 lie-gt, so bedeutet es, daß eine Störung der Elektroenergie-' Übertragungsleitung
vorliegt. Daraus ergibt sich auch, daß die Zeit der Fehlerermittlung bei einer Elektroenergie-Übertragungsleitung
nicht größer ist als die Gesamtdauer vom ersten (/i T1) und zweiten (2\ T2) Zeitintervall.
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Die Größe des relativen Zuwachses ß U2 (Fig. 2a) der Spannung U am
Anfang der eigentlich zu schützenden Lei-0 tung, bezogen auf ein vom Zeitpunkt der
Entstehung des Zuwachses ix Ua der Spannung U0 am Leitungsanfang bis zum Zeitpunkt
der Beendigung dieses.Zuwachses-gemessenes Zeitintervall t, ist vom Dämpfungsgrad
der Flanken der an der Störstelle entstandenen elektromagnetischen Wellen in dem
Maße von deren Fortpflanzung in Richtung des Meßpunktes auf der Leitung abhängig.
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Es liegt auf der Hand, daß bei einer Störung außerhalb der eigentlich
zu schützenden Leitung (beispielsweise bei einem Kurzschluß in der Wechselrichterstation
- Fig. 2b -) die Dämpfung der Fronten der genannten elektromagnetischen Wellen wesentlich
höher als bei einer Störung auf der eigentlich zu schützenden Leitung (beispielsweise
bei einem Kurzschluß im entferntesten Punkt - Fig. 2a -) ist, da im ersten Fall
die elektromagnetischen Wellen eine "Glättung"-der Front bei deren Durchgang in
die eigentlich zu schützende
Leitung über an den Enden der zu
schützenden Gleichstrom-Übertragungsleitung montierte Glättungseinrichtungen (nicht
gezeigt) erleiden.
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Es ist hervarzuheben, daß das Zeitintervall nt (Fig.
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2a) im vorliegenden Fall kleiner als das Zeitintervall*8 t1 ist, das
vom Zeitpunkt der Entstehung des Zuwachses # Ua bis zum Zeitpunkt t1 des Eintreffens
am Meßpunkt der Flanke einer an der Störungsstelle entstandenen und in Richtung
des genannten Punktes über einen durch Leiter und Erde ("Leiter-Erde") gebildeten
Stromkreis fortschreitenden elektromagnetischen Welle gemessen wird.
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In den vorliegenden Beispielen (Fig. 2a, b) betragen die zu messenden
Vergleichswerte entsprechend: # Ua = relativer Zuwachs der Spannung U0, bezogen
# t auf die Dauer a t des genannten Zuwachses bei einer Störung auf der eigentlich
zu schützenden Leitung; # Ub = relativer Zuwachs der Spannung U0, bezogen # T auf
die Dauer A T dieses Zuwachses bei einer Störung in der Elektroenergie-Übertragungsleitung.
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Wie aus Fig. 2 (-a, b) ersichtlich ist, ist der Meßwert # Ua bei
einer Störung auf der eigentlich zu schützenden # t
# Ub Leitung
viel größer als der Meßwert # t bei einer Störung in der Elektroenergie-Ubertragungsleitung.
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Die angeführten Beziehungen bleiben praktisch bei Änderung der Anzahl
der arbeitenden Umformerbrücken- einer Gleichstrom-Ubertragungsleitung unverändert,
da für die in Frage kommenden Zeitintervalle die Regel einwirkung der Gleichrichterstation
vernachlässigt und die vorliegende Elektroenergie-Ubertragungsleitung als ein linearer
Stromkreis angenommen werden kann.-Die Einrichtung zur Durchführung eines Kurzschlußschutzverfahrens
bei einer Gleichstrom-Übertragungsleitung (Fig. 3) enthält eine Einheit 1 zur Fehlererfassung
in der Elektroenergie-Übertragungsleitung und eine Einheit 3 zur Fehlererfassung
auf der eigentlich zu schützenden Leitung.
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Die Einheit 1 enthält einen mit seinem Eingang an einen Gleichstromgeber
5 der zu schützenden Elektroenergie-Übertragungsleitung angeschalteten Stromübertragungsweg
4; einen an einen Spannungsgeber 7 auf der genannten Leitung angeschlossenen Spannungsübertragungsweg
6 und eine die Ausgänge von Stromübertragungsweg 4 und Spannungsübertragungsweg
6 miteinander verbindende logische Schaltung 8.
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Die Einheit 3 zur Fehlerermittlung in der eigentlich zu schützenden
Leitung enthält ein an einen Spannungsgeber 7 auf der zu schützenden Leitung angeschlossenes
Meßorgan 9 und ein an den Ausgång-des Meßorgans 9 angekoppeltes Stellorgan 10.
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Das ZeBorgan 9 teig. 4) der Einheit 3 enthält einen
Kondensator
11 mit einem zu ihm parallelgeschalteten Widerstand 12 sowie eine mit dem Kondensator
11 und dem Widerstand 12 in Reihe liegende Diode 13.
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Die Durchlaßrichtung der Diode 13 fällt mit der Richtung des Ausgangsstromes
1. des Spannungsgebers 7 der zu schützenden Leitung bei, Normalbetrieb der Gleichstrom-Übertragungsleitung
zusammen. Die Elektroden, nämlich die Anode 14 und die Kathode 15, der Diode 13
stellen den Eingang des Meßorgans 9. dar.
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Die Einrichtung arbeitet wie folgt: Bei einer Störung auf der eigentlich
zu schützenden Leitung 2 nimmt der Momentanwert der Spannung Uo (Fig. ib) ab.
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In einem Teil des Zeitintervalls #T1 ist die Spannung U kleiner als
die Vergleichsspannung U1, und im zwei-0 ten Zeitintervall b T2, nämlich zu einem
Zeitpunkt, wo 4>e Spannung U unter die Vergleichsspannung U1 sinkt, schal-0 tet
der SpannungsUbertragungsweg 6 durch, worauf an einem der Eingänge der logischen
Schaltung 8 ein Signal erscheint.
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Beim Vorhandensein eines Stromes in der eigentlich zu schützenden
Leitung 2 liegt am anderen Eingang der logischen Schaltung 8 ebenfalls ein Signal
vor.
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Die logische Schaltung 8 führt die Funktion einer Koinzidenzschaltung
aus, weshalb beim Vorliegen an deren beiden Eingängen je eines Signals vom Stromtlbertragungsweg
4 und -Spannungsübertragungsweg 6 an deren Ausgang ein zur Abschaltung und Auslösung
einer automatischen Wiedereinschalteinrichtung
(nicht gezeigt)
verwendbares Signal erscheint.
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Darüber hinaus bewirkt der Vorgang der Spannungsänderung am Anfang
der eigentlich zu schützenden Leitung 2 im Falle einer Störung einen Zuwachs A Ua
des Momentanwertes a der Spannung U0 (Fig. 2a) für das Zeitintervall iX t.
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Dieser Zuwachs löst eine Entladung des Kondensators 11 des Meßorgans
9 aus.
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Hierbei wird bei einer Störung auf der eigentlich zu schützenden
Zeitung in Abhängigkeit vom Meßwert b Ua im Vergleich zu der einem Produkt aus den
Werten C und R der c Kapazität des Kondensators 11 bzw. des Widerstandswertes des
Widerstandes 12 gleichen Zeitkonstante Tc die Entladung des Kondensators eventuell
über zwei Stromkreise erfolgen: AUa 1. Ist t größer als Tc, so fließt der Entladestrom
des Kondensators 11 über den Spannüngsgeber 7 und den Eingang des an den Ausgang
des Meßorgans 9 angeschalteten Stellorgans 10, wobei die Richtung des Entladestroms
des Kondensators 11 der Durchlaßiichtung der Diode 13 entgegengesetzt ist. Darüber
hinaus entlädt sich der Kondensator 11 am Widerstand 12.
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# Ua 2. Ist dagegen # t kleiner als Tc, so gelingt dem Kondensator
11 lediglich eine EntladUng am Widerstand 12, weshalb ein Signal am Ausgang des
Meßorgans 9 ausbleibt.
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Die Zeit Tc wird-derart gewählt, daß bei einer Störung
in
der Energieübertragungsleitung (beispielsweise in einer Umrichterstation) der Meßwert
a Ua gegebenenfalls kleiner als Tc ausfällt.
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Im vorliegenden Fall erscheint also am Ausgang des Meßorgans 9 ein
Signal, das das Stellorgan 10 ansprechen läßt, dessen Ausgangssignal zur Abschaltung
der Elektroenergie-Übertragungsleitung und zur Auslösung einer automatischen Wiedereinschalteinrichtung
(nicht gezeigt) ausgenutzt wird.
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Bei einer Störung des Normalbetriebes einer Umformerstation (beispielsweise
beim Zündausfall in einem Ventil des Gleichrichters während der Arbeit mit einer
Umformrbrücke in jeder der Unterstationen der zu schützenden Gleichstrom-Ubertragungsleitung)
wirkt die Schutzeinheit 1 nicht, weil im vorliegenden Fall (Fig. la) im Teil 2\
T des Zeitintervalls iv T1 die Spannung UO in der zu schützenden Leitung 2 kleiner
als die Vergleichsspannung U1 und im Laufe eines ganzen zweiten Zeitintervalls iv
T2 die Spannung U in-der zu schützenden Leitung 2 größer als die Ver-0 gleichsspannung
U1 ist.
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Im vorliegenden Fall ebenso wie bei einer Störung in der Elektroenergie-Übertragungsleitung
(Fig. 2b) -erweist sich der Meßwert zur Fehlererfassung auf der eigentlich zu schützenden
Leitung 2 kleiner als die Zeitkonstante Tc. Infolgedessen bleibt das Auseangssignal
des Meßoregans 9 der 't'Eiheit 3 aus, und die Einheit 3 arbeitet nicht.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht im Vergleich zu dem bekannten Stand
der Technik in einer hohen Empfindlichkeit,
die praktisch von der
Länge der zu schützenden Leitung und der Anzahl der normal arbeitenden Umformerbrücken
einer Gleichstrom-Übertragungsleitung nicht abhängt.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in einer hohen Empfindlichkeit
nicht nur bei der Fehlererfassung auf der eigentlich zu schützenden Leitung, sondern
auch bei der Fehlererfassung in der Umformerstation einer Gleichstrom-Ubertragungsleitung.