Einrichtung zur Ermittlung der Fehlerortsentfernung in elektrischen Kabeln und Leitungen
Es ist zur Vermeidung grösserer Sehäden Aufgabe eines neuzeitlichen Leitungsschutzes, im Falle eines Kurz-oder Erdsehlusses die felilerbehaftete Leitung so raseh wie möglich aus dem Netzgebilde selektiv herauszusehalten. baller werden die Schutzrelais so gebaut, dass die Abschaltung von Fehlern über den grössten Teil der Strecke in Zeiten erfolgt, die unterhalb 0, 1 sec liegen.
Eine messtechnische Sonderaufgabe liegt nun darin, ein Messverfahren zur Feststel lung tier Fehlerortsentfemung zu finden, das ermöglieht, bis zur Abschaltung der fehlerbehafteten Kabel-oder Leitungsstreeke trotz der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit auch die Fehlerortsmessung'durchzuführen.
Die hierfür bisher bekannten Mittel lösen diese Aufgabe nicht befriedigend. Bei der genannten sehnellen Arbeitsweise moderner Schutzrelais ist es auch nieht mehr wie frü- her möglich, aus der Arbeitskennlinie der Relais Sehlüsse auf die Fehlerortsentfernung zn ziehen.
Durch die Erfindung kann mit einfachen Mitteln ein zuverlässig und genau arbeitendes (¯terät gesehaffen werden, welches in der l. age ist, die Fehlerortsentfernung vor dem Ansprechen der Leistungssehalter festzuhalten und direkt anzuzeigen. Damit wird ein dringendes Bedürfnis befriedigt.
An der Überwachungsstelle besteht dadureh unmittelbar nach Eintreten der Störung die Möglichkeit, den der Fehlerstelle am nächsten liegenden Störtrupp an dem richtigen Ort einzusetzen.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung zur Ermittlung der Fehlerortsentfernung in elektrischen Kabeln und Leitungen wird vorzugsweise eine bereits bekannte Einrichtung zur Messung eines Augen blickswertes, insbesondere des Höehstwer- tes einer veränderlichen Strom-oder Spannungsgrösse angewendet, die auf einem nach Art eines Drehspulinstrumentes aufgebauten Messsystem beruht, in dem ein oder mehrere magnetisch wirksame Teile aus einem Werkstoff hoher Remanenz bestehen, die durch einen der zur messenden Grösse proportionalen Strom magnetisiert werden und anschliessend durch Abstossung oder Anziehung beweglicher 'Teile den Messwert zur Anzeige bringen.
Bei einer Ausführungsform dieser bekann- ten Messeinrichtung ist das Messsystem mit einem orts oder gerätefesten magnetisier- baren Teil und mit einer dazu beweglichen Spule ausgeführt, so dass es den äussern Aufbau eines Drehspulinstrumentes hat. In diesem Falle kann der Strom oder die Spannung, deren Maximalwert oder Augenblicks- wert gemessen werden soll-bei Wechselstrom nach Gleichricht. ung-an eine Spule gelegt werden, die den feststehenden magnetisier- baren Teil umgibt. Dieser magnetisierbare Teil besteht aus Stahl oder einem andern magneti sierbaren Werkstoff hoher Remanenz, der zur Vermeidung von Wirbelströmen vorteilhaft unterteilt ist.
Durch Anlegen eines Gleich- stromes an die bewegliche Spule des Systems kann der Grad der Magnetisierung und damit die Hohe des Stromes, der die Magnetisierung bewirkt hat, festgestellt werden.
Vor bzw. nach jeder Messung muss dann der magnetische Teil des Messsystems wieder entmagnetisiert werden, was in an sich be kannter Weise,zum Beispiel durch Anlegen eines Weehselstromes, gesehehen kann, dessen Stärke allmählich auf Null abnimmt.
Die erfindungsgemässe Einriehtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Drehspul- systeme mit mindestens je einem magnetisch wirksamen Teil aus einem Werkstoff hoher Remanenz vorhanden sind, von denen der magnetisierbare Teil des einen Systems ab hängig vom Fehlerstrom (Stromsystem) und der magnetisierbare Teil des ändern Systems mindestens von der Fehlerspannung (Span nungssystem) abhängig erregt wird, so dass das Verhältnis der Magnetisierung der beiden Systeme zueinander ein Mass für die Leitungs- impedanz und damit für die F'ehlerortsent- fernung darstellt :
Die Grössen I und F können der Messein- riehtung mittels Strom-und Spannungswand- ler über Gleiehriehter, vorzugsweise Trocken- gleichrichter in Doppelwegschaltung in pro portionaler Form zur Verfügung gestellt werden.
Diese durch den Grad der Magnetisierung in den beiden Drehspulsystemen festgehaltene Leitungsimpedanz lässt sich anschliessend auf einfaehe Weise dadureh feststellen, d'ass die Drehspulen der beiden Systeme derart an eine veränderbare Gleichstromquelle legbar sind, dass sie jeweils von Gleichstrom gleicher Höhe durchflossen werden.
Bringt man an der Anzeigeskala des vom Leitungsstrom beeinflussten Messsystems eine der höchstmöglich auftreten- den Fehlerstromstärke entsprechende Eichma. rke an, und erhöht, man den die Drehspulen beider Messsysteme durehfliessenden Strom so weit, bis der Zeiger auf die genannte Eieli- marke zeigt, so wandert der Zeiger des span nungsabhängigen Messsystems-wie noch näher ausgeführt wird-auf einen Ans- sehlag, weleher der Leitungsimpeda. nz entspricht.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Mess- einriehtung liegt somit in der nnverzögerten gleiehzeitigen Erfassung der Augenblickswerte von Strom und Spannung in dem fehlerbetroffenen Leitungsstück vor dem Abschalten des selben und in der Mögliehkeit ihrer sofortigen dite die in der gegebenenfalls selbsttätigen Bildung des Verhältniswertesvonr besteht, womit auch zugleieh die Fehlerortsentfernung bestimmt ist. Das Patent betrifft aueli ein Betriebsverfahren für die erfindungs- gemässe Einrichtung.
An Han der auf der Zeiehnung in den Fig.2bis-tdargestelltenAusführungsbei- spiele der erfindungsgemässen Einrichtung werden die Erfindungen noch näher er- läutert :
Fig. 1 zeigt ein vorbekanntes, nach Art eines Drehspulmessgerätes aufgebautes Meus- system zur Feststellung des Augenblickswertes eines Stromes oder einer Spannung.
Das Messgerät selbst besteht aus einem ma- gnetisierbaren Kern 1, zwischen dessen Sehenkeln sieh die Drehspule 2 befindet. DerwKern besteht entweder ganz, zumindest aber in dem die Erregerspule 3 tragenden Teil aus einem hochwertigen magnetisierbaren Werkstoff hoher Remanenz. lIittels eines Sehalters 4 ist die Spule 3 an die zu untersuehende Grosse anschliessbar. Es sei angenommen, dass der Augenbliekswert eines Weehselstromes festgestellt werden soll, weleher dem beim Auftreten eines Kurzschlusses in einer Weehsel stromleitung vorhandenen Fehlerstrom entsprieht.
Es wird daher ein dem Kurzschlussstrom proportionaler Strom i der Spule 3 über eine Gleichrichteranordnung 5 zugeführt, zu der ein Kondensator 6 parallel liegen kann.
Das Einlegen des Sehalters 4 kann in Ab hängigkeit vom Ansprechen des Selektivschutzrelais und die Aussehaltung mit dem Öffnen des Leistungsschalters erfolgen, das abhängig von dessen Anspreehzeit in meistens weniger als 0, 1 see eintritt. In dieser kurzen Beein- flussungszeit wird also der Kern 1 des Mess- systems auf einen dem Strom i proportionalen Grad magnet. isiert. Nach erfolgter Öffnung des Schalters 4 kann über einen Sehalter 7 die Drehspule 2 an eine Gleichstromquelle 8 gelegt werden, um den Grad der Magnetisie- rung festzustellen.
Dabei kann, wie an sich bekannt ist, die Skala des Messsystems so geeieht sein, dass der Zeiger den Magnetisie- rungsstrom i unmittelbar anzeigt, wenn an die Drechspule 2 eine Gleichspannung ganz be stimmter Höhe gelegt wird. Um diese einzu regeln, können ein Messinstrument 9 und ein Regelwiderstand 10 in den Stromkreis eingeschaltet sein.
Nach erfolgter Ablesung des Instrumentes muss der Kern 1 entmagnetisiert werden, um für eine neue Messung vorbereitet zu sein.
Ilierzu kann über einen Schalter 11 an die Spule 3 ein Wechselstrom angelegt werden, welcher zum Beispiel durch den veränderbaren Widerstand 12 allmählich auf Null herabge- regelt wird.
Es werden nun zur Ermittlung der Fehler- ortsent. fernung zwei derartige Messsysteme verwendet, von denen das eine vom Leitungsstrom und das andere von der Leitungsspan- nung beeinflusst wird, und wobei zur Ermitt lung des Magnetisierungsgrades ebenfalls Gleichstrom an die Drehspulen angelegt wird.
Die Auswertung erfolgt jedoch unterschied- lieh zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 auf andere Weise.
In Fig. 2 ist ein Beispiel hierfür schema- tiseh dargestellt. Gleiche Bezugszeichen ver- weisen auf gleiche Teile wie in Fig. l. Das MEsssystem 1 2, 3 (Stromsystem) wird von einem dem Fehlerstrom proportionalen Strom i, und das Messsystem 1', 2', 3' (spannungssystem) von einem der Spannung propor tionalen Strom e magnetisiert. Die zugehöri- gen Strom-und Spannungswandler sind nicht dargestellt.
Die Einwirkung der Erregerströme dauert nur von der Einsehaltung der Messeinrich- tune, die mit dem Ansprechen des Selektiv schutzrelais erfolgt, bis zu ihrer Ausschaltung mit dem Öffnen des Leistungsschalters. Da es sieh bei der Widerstandsmessung nur um die Enn. ittl. ung d'es Verhältniswertes von Spannung zu Strom handelt, braucht der Absolutwert der einzelnen Grössen nicht fest- gestellt zu werden, sondern es können ledig- lich die Ausschläge beider Instrumente miteinander verglichen werden.
Werden die beiden Drehspulen 2 und 2' von gleichen Gleichströmen durchflossen, so entspricht der Ausschlag von 2i dem FehLer- Strom und der Ausschlag von 2' der Fehlerspannung. Bekanntlich ist nun die VFehlerortsentfernung proportional der Leitungsimpedanz Z, das heisst dem Verhältnis von Fehlerspannung zu Fehlerstrom. Wandelt man dieses Verhältnis Z = U/I so ab, dass I = 1, das heisst 100% des höchstmöglichen Fehlerstromes wird, dann wird Z = U.
Daher ka. nn man den vorzugsweise hintereina. ndergeschal- teten Drehspulen der beiden Messsysteme durch Sehliessen des Schalters 7 aus der gemeinsamen Gleichstromquelle 8, zum Beispiel über den Regelwiderstand 10, einen Gleich- strom solcher Höhe zuführen, bis der mit der Drehspule 2 verbundene Zeiger die der höchst- möglich auftretenden Stromstärke entsprechende Eichmarke lOO/o auf der Sala, erreicht hat (Fig. 2a). Die Zeigerstellung des Spannungssystems gibt dann unmittelbar den Impedanzwert Z in /o der Leitungslänge an bzw.
bei entsprechender Eichung der Skala direkt die FehLerortsentfernung, beispielsweise in km (Fig. 2b).
Die Messeinrichtung'nach Fig. 3 unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten dadurch, dass dem ma. gnetisierbaren Teildes Spannungssystems ausser dem spannungspro- portionalen Magnetisierungsstrom e noch ein dem Leitungsst. rom proportionaler Magneti- sierungsstrom i, vorzugsweise über eine getrennte Vieklung 3", im entgegengesetzten Sinne zugeführt wird. Die Erregung beider Systeme durch einen dem Leitungsstrom proportionalen Magnetisierungsstrom i kann dazu dienen, eine gleichmässigere Magnetisierung der zwei Messsysteme zu erreichen, beispielsweise für den Fall, dass bei geringen Fehler ortsent. fernungen der Magnetisierungsstrom e sehr klein wird.
Durch die zusätzliche Erregung im umgekehrten Sinne erhält man auf dem Spannungssystem den Wert i-e. Wenn e = i ist, gibt das Spannungssystem keinen Aussehlag mehr, was bedeutet, dass der Fehler am Messende der Leitung liegt. Stellt man n das Stromsystem wieder durch Anlegen eines entspreehend hohen Gleiehstromes mit Hilfe des Regelwiderstandes 10 auf Endaussehlag bzw. Ausschlag 100% ein, so gibt der Zeiger des Spanmmgssystems wiederum in Prozenten der Leitungslängs den Fehlerort an, soweit die Skala nieht zweekmässigerweise in Längeneinheiten (km) geeicht ist.
In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3 ist ein satter Erd-oder Kurzschluss vorausgesetzt. Vielfach tritt aber an der Fehlerstelle ein Liehtbogen auf, dessen Wider- stand berüeksiehtigt werden muss. Hierfür gibt das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 einen Lösungsweg.
Die Fig. 4 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch dass der dem Spannungssystem zugeführte Magnetisierungsstrom zusätzlich in bei Impedanzschutzrelais bekannter Weise um einen den Lichtbogenwiderstand berück sichtigenden stromabhängigen Korrekturbe- trag (ki) vermindert ist.
Dies kann-wie dargestellt-beispielsweise dadurch gesche- hen, dass ein Dreiwielclungstransformator 13 vorgesehen wird, dessen eine Eingangswick- @- lung von der spannungsproportionalen Messgrosse e und dessen zweite Eingangswieklung im entgegengesetzten Sinne von der strom- proportionalen Messgrösse i durchflossen wird, wobei der Betrag M durch einen Abgriff an dieser Wicklung einstellbar ist. Die Auswer tung erfolgt wieder in der gleichen Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3.
Die Ein-bzw.AbschaltungderMagneti- sierungswieklungen der Messsysteme kann- wie schon an Hand der Fig. 1 beschrieben- in Abhängigkeit vom zugehörigen Selektiv schutzrelais bzw. vom zugeordneten Leistungs sehalter oder auch durch ein. Zeitrelais selbst- tätig erfolgen, Auch der Messvorgang selbst kann in einfaeher Weise automatisiert werden, zum Beispiel dadurch, dass naeh beendeter Magnetisierung selbsttätig eine Antriebsvor- riehtung, zum Beispiel ein Kleinmotor, eingeschaltet wird, welcher durch Verdrehen bzw.
Versehieben des Regelwiderstandes 10 den Strom durch die Drehspulen 2, 2'so lange erhöht, bis der Zeiger des Systems 2 den Aussehlag erreicht hat, der bei dem höchstmöglichen Fehlerstrom auftreten würde.
Durch Kontaktgabe in dieser Stellung kann der Verstellantrieb stillgesetzt werden. Das Messergebnis braucht dann vom Beobachter am Spannungssystem nur abgelesen zu werden ; es kann gegebenenfalls aber auch auto- matisch registriert werden. Die neue Messeinriehtung kann auch als schreibendes Gerät ausgeführt werden.
Die Entmagnetisierung kann naeh erfolgter Messung und naeh deren Quittierung von Hand oder aueh selbsttätig ausgeführt werden. Hierbei werden die Drehspulen 2, 2'nach der Messung von der Gleichstromerregung durch den Sehalter 7 abgeschaltet und die Systeme durch Zuschalten von Wechselstrom auf die Magnetisierungsspulen 3, 3', 3" in bekannter Weise wieder entmagnetisiert.
Dabei kann es günstig sein, wenn zur Ent- magnetisierung nicht die Messspule, das heisst die magnetisierende Spule, verwendet wird, sondern wie bei bekannten Einrichtungen eine andere, unabhängige Spule, die das zu ent magnetisierende Element umschliesst.
Es ist ausserdem schon vorgeschlagen wor- den, zur Vermeidung der hohen Luftspaltverluste e bzw. zur Verringerung der für die Magnetisierung erforderlichen Stromstärke und um für jeden Magnetisierungsvorgang den gleichen magnetisehen Widerstand vorliegen zizi haben, den Luftspalt während der Ma gnetisierungsdauer und gegebenenfalls auch während der Entmagnetisierungszeit durch ein Sehlussstüek m überbrüeken. Diese Massnahme der Anordnung eines magne- tisehen Nebensehlusses kann auch bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Vorteil angewendet werden.
Das Ein-und ausrücken des Schlussstückesw kann dabei in Abhängigkeit vom schalter 7 vorgenommen werden, so dass der Luftspalt ausserhalb der abgleichs- und Ablesezieit überbrückt ist.