Einrichtung zur Ermittlung des Erdschlussreststromes. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung des Erdschlussreststromes, insbesondere seiner Wirk- und Blindkompo nente, in mit Erdschlusslöscheinrichtungen versehenen elektrischen Netzen.
Es ist bekannt, zur Feststellung des durch Erdschlusslöscheinrichtungen erzielten Kom- pensationsgrades in Hochspannungsnetze zwi schen eine Phase und Erde einen rein ohm- schen oder rein induktiven Widerstand bezw. eine Kombination von beiden einzuschalten, die solche Grösse haben, dass dadurch nur eine geringe, den Betrieb nicht beeinträeh- tigende Spannungsabsenkung eintritt und ein künstlicher, unvollkommener Erdschluss her gestellt wird, der zur Messung des Grades der Abgleichung dient.
Hierbei werden jeweils eine Netzgrösse mit eurer an dem Erdungs- widerstand auftretenden elektrischen Grösse verglichen. Dies hat den Nachteil, dass die Messung nicht an jeder beliebigen Stelle des Netzes durchgeführt werden kann. Man müsste also zur Anzeige an verschiedenen Stellen Fernübertragungseinrichtungen ver wenden, die jedoch teuer und umständlich werden.
Erfindungsgemäss werden bei Verwendung einer rein ohmschen Erdung zwei dem Netz entnommene Spannungen verglichen; und zwar die Spannung der erdgeschlossenen Phase gegen Erde mit der Nullpunktsver- lagerungsspannung.
Der Quotieret der Grössen dieser beiden Spannungen ergibt, ohne Berücksichtigung der Phasenlage gemessen, ein Mass für den Erdschlussreststrom (also die Wirk- und Blind komponente nicht getrennt). Wird dieser Reststrom ein Minimum, so ist der Erd- schlussreststrom rein ohmsch, so dass hiermit auch der durch die Löscheinrichtung erzielte Kompensationsgrad festgestellt werden kann. Wie später erläutert werden soll, ist das Minimum nicht scharf, so dass auch bei nicht vollkommener Resonanzabstimmung die Wirk- kompociente reit guter Annäherung gemessen werden kann.
Vergleicht man die Spannungen unter Berücksichtigung des zwischen ihnen be stehenden Phasenwinkels, so ergibt sieh in einem geeignet geeichten Resistanzmesser die Wirkkomponente und in einem Reaktanz- niesser die Blindkomponente des Erdschluss- stromes. Die herrschenden Verhältnisse lassen sich am besten anhand des Diagramms der Ab bildung betrachten.
Die Löschwirkung von Erdsehlussapulen (Petersen Spulen, Löschtransformatoren oder verwandte Bauarten) hängt vom Kompen sationsgrad ab. Bekanntlich sollen die Spulen so eingestellt werden, dass sie zusammen mit der Erdkapazität des Netzes auf die Netz frequenz abgestimmt sind. Es wird dann wegen der unvermeidlichen Verluste nur Wirkstrom durchgelassen. Wird nun eine Phase des Netzes, beispielsweise U, über einen Wirkwiderstand R geerdet, so entsteht eine Verlagerung EN des Potentials des Netz nullpunktes gegenüber dem Erdpotential.
Ans der Theorie der hochohmigen Widerstands erdung einer Netzphase ist bekannt, dass die Verlagerung bei variabler Abstimmung der Löschspule einen Kreis beschreibt, der im angenommenen Beispiel der Widerstands erdung der Phase U die eingezeichnete Lage besitzt.
Die von 0 aus an den Kreis gezeich rieten Vektoren geben die Nullpunktverla gerung ENdes Netzes gegenüber Erde, und zwar ist FN <I>=</I> J# <I>Z,</I> wenn mit<I>J</I> der Erdschluss- reststrom und mit Z der resultierende Wider stand bezeichnet wird, der sich aus der Parallelschaltung der Erdschlusseinrichtungen und der Erdkapazitäten des Netzes ergibt.
Dabei entspricht der Punkt B Unterkompen sation des Netzes (Z ist kapazitiv), der Punkt A exakter Kompensation (Z=W) und Punkte links von A Überkompensation (Z= induktiv, Überschuss von Spulenstrom). Im besonderen Falle exakter Kompensation ist UA <I>= J.
R</I> und 0A =J-W, wobei mit J jetzt der Wattrestatrom (Z = W) bezeich- net wird. UA ist Ei; die Erdspannung der geerdeten Phase<I>U</I> und UA <I>=</I> EN die Null punktverlagerung des Netzes.
Wird J eli miniert, so bleibt .Ei <I>:</I> EN <I>= R : W.</I> Daraus folgt
EMI0002.0033
oder der Wattrestatrom bei satter Phasenerdung
EMI0002.0035
In dieser Formel sind Esi,,. und R bekannte Grössen, so dass der Wattreststrom J. er mittelt werden kann, wenn der Quotient
EMI0002.0039
gemessen wird. Bei nicht exakter Kompen sation (Z = W) gibt derselbe Messwert den Reststrom
EMI0002.0043
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird zur Ermittlung des Reststromes bei satter Erdung das cha rakteristische Spannungsverhältnis bestimmt.
Wird ein Quotientenmessgerät angeordnet, das den Quotienten der beiden Spannungen Ei und EN direkt misst,@ so ist die Grösse des Reststromes besonders einfach bestimmt. Wie aus der Abbildung ersehen werden kann, ist es gar nicht notwendig, diesen Quotienten zur Bestimmung des Wattreststromes tatsäch lich bei ganz exakter Kompensation (Punkt A) zu messen, denn die Grössen von A und EN ändern sich nicht sehr wesentlich, wenn der kapazitive Erdschlussstrom des Netzes nicht genau kompensiert ist, die Y-Kurve des Reststromes besitzt ein flaches Minimum.
Der Vektor der Verlagerung beschreibt je einen Kreis und die Verlagerungspunkte liegen darin ganz in der Nähe von A am Kreise. Der Kreismittelpunkt M liegt tat sächlich viel näher der Sternspannung 0U als in der Abbildung gezeichnet ist; die Ver hältnisse sind also in dieserAbbildung noch zu ungünstig dargestellt.
Besonders einfach wird die Ausführung der Messeinrichtung, wenn ein handelsübliches Gleichstrom-Ohmmeter bekannter Bauart Ver wendung findet, das über Gleichrichter an die Spannung Ei und EN der Nesseinrichtung angeschlossen ist. Wie das Diagramm zeigt, ändern sich die Werte des Quotienten
EMI0003.0001
nicht sehr we sentlich, wenn sich die Abstimmung von der exakten Kompensation (A) wenig entfernt. Der passend geeichte Quotientenmesser wird also bei annähernd exakter Abstimmung mit ziemlicher Genauigkeit den Wattreststrom messen.
Der tatsächliche Wert des Quotien ten gibt den Wattreststrom nur dann genau an, wenn exakte Kompensation herrscht. Es bereitet jedoch keine Schwierigkeiten, den Wattreststrom auch bei nicht exakter Kom pensation, beispielsweise bei Unterkompen sation, wenn die Verlagerung des Stern punktes nach B erfolgt, genau zu messen. Da die Widerstandserdung über einen rei nen Wirkwiderstand R vorgenommen wird, bestimmt der Vektor BU gleichzeitig die Phasenlage des durch den Widerstand fliessen den Stromes.
Die resultierende Erdimpedanz des gesamten Netzes Z kann man sich in zwei Komponenten einer Parallelschaltung zerlegt denken, wobei die eine ein reiner Wirkwiderstand, eben der Verlustwiderstand W ist, der die Wattkomponente
EMI0003.0008
bestimmt und in eine dazu parallel zu schaltende reine Blindkomponente X, durch welche der Blind stromanteil
EMI0003.0009
des Erdschlussreststromes be stimmt wird. Diese beiden Ströme stehen aufeinander senkrecht. Die Wattkomponente liegt in Phase mit der treibenden Spannung EN, die Blindkomponente steht senkrecht dazu.
Da die Strecke BU dem Reststrom<I>J</I> proportional ist, ist die Strecke BC ein Mass für den Wattreststrom, die Strecke CU ein Mass für den Blindreststrom. Das gleiche Verhältnis besteht im ähnlichen Dreieck OBD, das ebenfalls bei B den Winkel 99 zwischen Erdspannung und Nullpunktspannung auf weist. D0 ist der Blindkomponente des Erd- schlussreststromes proportional, BD der Watt komponente.
Man erhält also die Wattkom ponente des Erdschlussreststromes, wenn aus den beiden charakteristischen Spannungen E, und EN unter Berücksichtigung ihres Phasen verschiebungswinkels 5p der Quotient gebildet wird. Somit erhält man den vollen Erdschluss- wattstrom
EMI0003.0028
zum Beispiel durch Messung mit einem Resi- stanzmesser an sich bekannter Bauart.
Auf ähnliche Weise kann auch die Blind komponente J$ des Wattreststromes ermittelt werden. Nach den Ausführungen oben wird
EMI0003.0033
Hierfür ist ein Reaktanzmesser an sich be kannter Bauart geeignet. Bei direktem Erd- schluss werden die Erdschlussspulen infolge der Sättigung einen höheren Strom aufnehmen als bei den Versuchen reit hochohmigen Wi derstandserdungen.
Die mit dem Reaktanz- messer festgestellte Blindkomponente des Erd- schlussreststromes wird dadurch eine Änderung erfahren. Da die Erdschlussspulen bis zu 800o der Sternspannung sicher noch ungesättigt sind, kann dieser Fehler bei bekannter Charak teristik der Erdschlussspulen leicht korrigiert werden.
Die Skala des Instrumentes für An zeige der Blindkomponente des Erdschluss- reststromes muss einfach eine geringe Än derung erfahren, welche der mehr als pro portionalen Vergrösserung der Stromaufnahme bei sattem Erdschluss entspricht.
Der Erdschlussrestatrom und seine Kom ponenten Jw und J$ können auch mit Hilfe eines Phasenmessers bestimmt werden, dem die beiden Spannungen Ei und EN zugeführt werden und der bei cos <B>59</B><I>=1</I> exakte Kom pensation anzeigt. Aber auch der Winkel OUB zwischen der Sternspannung U0 der erdgeschlossenen Phase (im Beispiel U) und ihrer Erdspannung<B>Ei<I>=</I></B><I> UB</I> ist ein Mass für die Abstimmung; er wird Null bei exak ter Kompensation, gleichzeitig mit tp.
Die Verwendung eines rein ohmschen Widerstandes für die Messerdung hat den Vorteil, dass die Gefahr von Resonanzver lagerung vermieden ist. Wird statt dessen über eine Drosselspule geerdet, so kann deren Induktivität bei Unterkompensation des Netzes mit der restlichen Erdkapazität einen Serien resonanzkreis bilden. Ähnliches gilt im Falle von Überkompensation bei Verwendung einer Kapazität zur Erdung einer Phase. Die Widerstandserdung kann entweder direkt oder indirekt unter Zwischenschaltung eines Transformators erfolgen.
Für die Grösse eines Widerstandes R wird man zweckmässig einen Wert wählen, der im Vergleich zum Wirk widerstand W der resultierenden aus Lösch einrichtung und Netzkapazität bestehenden Erdung einen grossen Wert besitzt. Dadurch bleibt die Nullpunktsverlagerung Es bei Durchführung der Messung so klein, dass kein schädlicher erdechlussähnlicher Zustand auf tritt.
Wird beispielsweise R=4W gewählt, dann wird die Verlagerung 20 % der Stern- Spannung nicht überschreiten, ein sicher zu lässiger Wert.
Wenn das Netz eine natürliche Unsym- metrie besitzt (Ungleichheit der Erdkapazi- täten der drei Phasen), ändert sich zwar die Lage des Kreisdiagrammes, bei exakter Kom pensation liegt der Punkt A jedoch auf dem Vektor der Sternspannung der geerdeten Phase, so dass die genannten Messverfahren auch in diesem Falle mit Erfolg angewendet werden können. Es bereitet übrigens keine Schwierigkeiten, den Einfluss derUnsymmetrie auf die Messung durch eine Hilfseinrichtung zu beseitigen.
Wie erwähnt, besteht der Vorteil der be schriebenen Einrichtung einerseits darin, dass einfache Geräte verwendet werden können und anderseits darin, dass die Messung in einer Sta tion vorgenommen werden kann, welche mit dem Aufstellungsort der Erdseblussspulen oder des Erdungswiderstandes nicht übereinstimmt. Es können solche Kompensometer in jeder Station aufgestellt werden; welche Messeinrichtungen besitzt, die die massgebenden charakteristischen Spannungen liefern.
Es ist aber auch möglich, das Ergebnis der beschriebenen Messungen durch bekannte Fernmessverfahren an eine neutrale Stelle weiterzuleiten und weiter daraus dort oder in einer andern Anlage Regelimpulse abzuleiten, durch welche die Einstellung der Erdsehlussspulen so lange geändert wird, bis der günstigste Kompen- sierungagrad eingestellt ist: Auch in solchen Fällen wird auf die Sättigungscharakteristik der Erdschlussspule Rücksicht zu nehmen sein. Die Regelimpulse können natürlich auch bereits am Einbauort der Messeinriehtungen gebildet werden.
Device for determining the residual current to earth fault. The invention relates to a device for determining the residual current to earth fault, in particular its active and reactive component, in electrical networks provided with earth fault extinguishing devices.
It is known to use a purely ohmic or purely inductive resistance or a purely inductive resistance between a phase and earth to determine the degree of compensation achieved by earth fault extinguishing devices in high-voltage networks. to switch on a combination of the two, which are of such a size that only a slight voltage drop occurs, which does not affect operation, and an artificial, imperfect earth fault is created which is used to measure the degree of alignment.
In each case, a network size is compared with your electrical size occurring at the earthing resistor. This has the disadvantage that the measurement cannot be carried out at any point in the network. So one would have to use remote transmission devices for display at various points, but these are expensive and cumbersome.
According to the invention, when using purely ohmic grounding, two voltages taken from the network are compared; namely the voltage of the earth-closed phase to earth with the zero point displacement voltage.
The quotation of the magnitudes of these two voltages results, measured without taking into account the phase position, a measure for the residual current to earth (i.e. the active and reactive components are not separated). If this residual current becomes a minimum, the residual current to earth is purely ohmic, so that the degree of compensation achieved by the extinguishing device can also be determined. As will be explained later, the minimum is not sharp, so that the active component can be measured with a good approximation even if the resonance is not perfectly matched.
If one compares the voltages, taking into account the phase angle between them, the active component is obtained in a suitably calibrated resistance meter and the reactive component of the earth fault current in a reactance niesser. The prevailing conditions can best be seen using the diagram in the illustration.
The extinguishing effect of earth leakage coils (Petersen coils, quenching transformers or related types) depends on the degree of compensation. As is known, the coils should be set so that they are matched to the network frequency together with the earth capacitance of the network. Because of the unavoidable losses, only active current is let through. If a phase of the network, for example U, is earthed via an effective resistor R, a shift EN of the potential of the network zero point relative to the earth potential occurs.
It is known from the theory of high-ohmic resistance earthing of a network phase that the displacement with variable tuning of the quenching coil describes a circle which, in the assumed example of resistance earthing of phase U, has the position shown.
The vectors drawn from 0 to the circle give the zero point shift EN of the network with respect to earth, namely FN <I> = </I> J # <I> Z, </I> if with <I> J </ I > the residual earth fault current and Z the resulting resistance, which results from the parallel connection of the earth fault devices and the earth capacitance of the network.
Point B corresponds to undercompensation of the network (Z is capacitive), point A to exact compensation (Z = W) and points to the left of A to overcompensation (Z = inductive, excess coil current). In the special case of exact compensation, UA <I> = J.
R </I> and 0A = J-W, with J now denoting the Wattrestatrom (Z = W). UA is egg; the earth voltage of the earthed phase <I> U </I> and UA <I> = </I> EN the zero point shift of the network.
If J is eliminated, the following remains .Ei <I>: </I> EN <I> = R: W. </I> It follows
EMI0002.0033
or the Wattrestatrom with solid phase grounding
EMI0002.0035
In this formula, Esi ,,. and R are known quantities, so that the residual wad current J. can be averaged if the quotient
EMI0002.0039
is measured. If the compensation is not exact (Z = W), the same measured value gives the residual current
EMI0002.0043
According to the present invention, the characteristic voltage ratio is determined in order to determine the residual current in the case of solid grounding.
If a quotient measuring device is arranged that directly measures the quotient of the two voltages Ei and EN, @ the size of the residual current is particularly easy to determine. As can be seen from the figure, it is not at all necessary to measure this quotient to determine the residual watt current with very exact compensation (point A), because the values of A and EN do not change very significantly when the capacitive earth fault current of the network is not precisely compensated, the Y curve of the residual current has a flat minimum.
The vector of the displacement describes a circle and the displacement points are very close to A on the circle. The center of the circle M is actually much closer to the star voltage 0U than is shown in the figure; the conditions in this figure are therefore still too unfavorable.
The execution of the measuring device is particularly simple if a commercially available direct current ohmmeter of known type is used, which is connected to the voltage Ei and EN of the measuring device via a rectifier. As the diagram shows, the values of the quotient change
EMI0003.0001
not very important if the tuning is not far from the exact compensation (A). The suitably calibrated quotient meter will measure the residual current with almost exact coordination with a fair degree of accuracy.
The actual value of the quotient gives the residual watt current only if there is exact compensation. However, there is no difficulty in measuring the residual watt current even if the compensation is not exact, for example in the case of undercompensation when the star point is shifted to B. Since the resistance grounding is carried out via a pure resistance R, the vector BU simultaneously determines the phase position of the current flowing through the resistance.
The resulting earth impedance of the entire network Z can be thought of as divided into two components of a parallel connection, one being a pure resistance, precisely the loss resistance W, which is the watt component
EMI0003.0008
and into a pure reactive component X to be connected in parallel, through which the reactive current component
EMI0003.0009
the residual current to earth is determined. These two currents are perpendicular to each other. The watt component is in phase with the driving voltage EN, the reactive component is perpendicular to it.
Since the distance BU is proportional to the residual current <I> J </I>, the distance BC is a measure for the residual current and the distance CU is a measure for the reactive residual current. The same relationship exists in the similar triangle OBD, which also has the angle 99 between earth voltage and zero point voltage at B. D0 is proportional to the reactive component of the residual current to earth, BD to the watt component.
The watt component of the residual current to earth is obtained if the quotient is formed from the two characteristic voltages E and EN, taking into account their phase displacement angle 5p. This gives the full earth fault wattage
EMI0003.0028
for example by measuring with a resistance meter of a known type.
The reactive component J $ of the residual water current can also be determined in a similar manner. According to the above, will
EMI0003.0033
A reactance meter of known type is suitable for this. In the case of a direct earth fault, the earth fault coils will absorb a higher current as a result of saturation than in the tests with high-ohmic resistance earths.
The reactive component of the residual current to earth determined with the reactance meter will experience a change as a result. Since the earth fault coils are still unsaturated up to 800o of the star voltage, this error can easily be corrected if the characteristics of the earth fault coils are known.
The scale of the instrument for displaying the reactive component of the residual current to earth simply has to experience a slight change, which corresponds to the more than proportional increase in current consumption in the case of a full earth fault.
The residual earth fault and its components Jw and J $ can also be determined with the help of a phase meter to which the two voltages Ei and EN are fed and which is exact at cos <B>59</B> <I> = 1 </I> Displays compensation. But the angle OUB between the star voltage U0 of the earth-connected phase (in the example U) and its earth voltage <B> Ei <I> = </I> </B> <I> UB </I> is a measure for the coordination ; it becomes zero with exact compensation, simultaneously with tp.
The use of a purely ohmic resistor for the knife grounding has the advantage that the risk of resonance displacement is avoided. If instead earthed via a choke coil, its inductance can form a series resonance circuit with undercompensation of the network with the remaining earth capacitance. The same applies in the case of overcompensation when using a capacitance to ground a phase. Resistance earthing can be done either directly or indirectly with the interposition of a transformer.
For the size of a resistor R, it is expedient to choose a value that has a large value compared to the effective resistance W of the resulting grounding consisting of the quenching device and network capacitance. As a result, the zero point shift Es remains so small when the measurement is carried out that no harmful earth leakage-like condition occurs.
If, for example, R = 4W is chosen, then the shift will not exceed 20% of the star voltage, a value that is certainly permissible.
If the network has a natural asymmetry (inequality of the earth capacitances of the three phases), the position of the circle diagram changes, but with exact compensation the point A lies on the vector of the star voltage of the earthed phase Measurement methods can also be used successfully in this case. Incidentally, it is not difficult to remove the influence of the asymmetry on the measurement by an auxiliary device.
As mentioned, the advantage of the device described is on the one hand that simple devices can be used and on the other hand that the measurement can be carried out in a station which does not match the location of the earth connection coils or the earth resistance. Such compensometers can be set up in every station; which measuring devices have which deliver the decisive characteristic voltages.
However, it is also possible to forward the result of the measurements described to a neutral point using known telemetry methods and to derive control pulses there or in another system by which the setting of the ground fault coils is changed until the most favorable compensation degree is set : In such cases too, the saturation characteristics of the earth fault coil must be taken into account. The control pulses can of course also be generated at the installation site of the measuring devices.