Schaltungsanordnung zum Überwachen der Übertragungseigenschaften einer Hochspannungsleitung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungs anordnung zum überwachen- der übertragungseigen schaften einer Hochspannungsleitung. Derartige über- wachungen werden durch Vergleich der Stromphasen an beiden Enden der Leitung miteinander dadurch bewerkstelligt, dass bei überschreiten eines bestimm ten Phasenunterschieds der beiden Ströme die über- tragungsleitung abgeschaltet wird. Hierbei wird von der bekannten Tatsache ausgegangen, dass sich bei einem Fehler auf der Hochspannungsleitung, z. B.
durch Erdschluss oder durch von einem Blitzeinschlag verursachten Lichtbogen, sich sprunghaft die Pha senwinkel des Wechselstromes an beiden Leitungs enden ändern. Bei einer Störung eilt der Stromvektor gegenüber dem Stromvektor an einer ungestörten Lei tung an dem einen Leitungsende vor, während er an dem anderen nacheilt. Dann, und nur dann, wenn die Phasensprünge unterschiedlich hinsichtlich Grösse oder Richtung sind, darf die Leitung abgeschaltet werden, da in diesem Fall ein Fehler auf der Leitung aufgetreten ist.
Es ist ein Überwachungsverfahren bekannt, bei dem der Energiefluss an beiden Enden der Leitung überwacht wird und bei dem die Abschaltung der Leitung dann vorgenommen wird, wenn an beiden Leitungsenden festgestellt wird, dass Energie in die Leitung hineinfliesst. Dieses Vergleichsverfahren wird mit einem sogenannten Richtungsvergleichsschutz durchgeführt.
Dieser Vergleichsschutz besteht aus Relaisapparaturen an jedem Leitungsende, mit denen aus dem Spannungsvektor, dessen kontinuierlicher Drehsinn sich bei einem Fehler auf der Leitung ge genüber der ungestörten Leitung nicht ändert, und dem Stromvektor die Richtung des Kurzschlussstro- mes ermittelt wird. Ein Vergleich mit dem Messergeb- nis der Apparatur des entgegengesetzten Leitungs- endes gibt an, ob die Leitung abgeschaltet werden darf oder nicht.
Da in diesem Fall die Richtung des Kurzschluss- stromes aus dem Strom- und Spannungsvektor ermit telt werden muss, sind an jedem Leitungsende sowohl Strom- als auch Spannungswandler erforderlich. Da es sich im allgemeinen um hohe Betriebsspannungen handelt, sind die Spannungswandler sehr teuer, das heisst der gesamte Vergleichsschutz ist teuer.
Für den Austausch der Messergebnisse an beiden Enden braucht jedoch nur ein sehr einfacher übertragungs- kanalzur Verfügung gestelltzuwerden, da ja von einem Ende zum anden nur gemeldet werden muss, ob Ener gie in die Leitung hineinfliesst oder aus der Leitung herausfliesst ( Ja-Nein -übertragung).
Bei einem anderen bekannten Verfahren werden die Phasenwinkel des Leitungsstromes an den Enden der Hochspannungsleitung unmittelbar miteinander verglichen. Hiezu muss natürlich der an einem Ende eingespeiste bzw. von diesem Ende abgenommene Strom, das heisst dessen Phase, phasenrichtig an das andere Ende der Leitung übertragen werden, damit ein Vergleich der beiden Phasen durchgeführt werden kann. Zu diesem Zweck muss ein hochwertiger über tragungskanal zur Verfügung gestellt werden, da der Inhalt der zu übertragenden Nachricht gross ist.
Es muss ja eine Messgrösse, nämlich der Phasenwinkel, ständig übertragen werden, was besonders bei Trä gerfrequenz oder auch Funkverbindungen mit der er forderlichen Genauigkeit sehr schwierig ist, da hierfür ein oft nicht verfügbares breites Übertragungsband erforderlich ist und Fälschungen durch Störspannun gen vermieden werden können.
Die zuletzt erläuterte Phasenvergleichsschutz- Einrichtung hat aber den Vorteil, dass lediglich die Grösse und Phase des Stromes an beiden Leitungs- enden ermittelt werden muss, wozu lediglich ein Strom wandler nötig ist. Die Anordnung eines teuren Span- nungswandlers entfällt.
Die Schaltungsanordnung zum Überwachen der Übertragungseigenschaften einer Hochspannungslei tung gemäss der Erfindung vereinigt die Vorzüge bei der Verfahren. Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird also kein Spannungswandler be nötigt, umgekehrt ist auch kein teurer übertragungs- kanal bereitzustellen.
Die erfindungsgemässe Anord nung ist dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel vorgesehen sind, die Phasensprünge des der Leitung zugeführten bzw. von der Leitung abgenommenen Stromes von einer bestimmten vorgegebenen Mindest grösse an feststellen, dass ein Übertragungssystem zwischen beiden Enden vorgesehen ist, das das Auf treten des Phasensprunges einer bestimmten Richtung anzeigt und dass Vergleichs- und Auslöseeinrichtun- gen an beiden Enden der Leitung angeordnet sind, die die Abschaltung der Leitung nur bei verschieden gerichteten Phasensprüngen des Stromes an beiden Enden auslöst.
Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird also an jedem Ende der Leitung un mittelbar ein Phasensprung festgestellt, und lediglich das Auftreten eines Phasensprunges unter Angabe der Richtung dem anderen Leitungsende mitgeteilt. Die Leitung selbst wird dann und nur dann abgeschaltet, wenn die aufgetretenen Phasensprünge eine Grösse und unterschiedliche Richtung haben.
Zur örtlichen Feststellung von Phasensprüngen kann an den beiden Leitungsenden jeweils ein Gene rator vorgesehen sein, der über ein Laufzeitglied von dem Hochspannungsstrom bei ungestörtem Netz mit gezogen wird und dessen Ausgangsspannung zusam men mit einer vom Leitungsstrom abgeleiteten, direkt zugeführten Spannung einem an sich bekannten Pha- senvergleichsgerät zugeführt wird.
Durch diese Aus bildung wird erreicht, dass bei einem gestörten Netz bei plötzlichen Phasensprüngen der Mitziehgenerator in seiner ursprünglichen Phasenlage weiterschwingt, so dass am Phasenvergleichsgerät die Phase des Gene- rators zusammen mit einer vom Leitungsstrom ab geleiteten, einen Phasensprung enthaltenden Span nung verglichen wird. Abhängig von der Auswertung des Phasenvergleichsgerätes wird dann ein Signal aus gelöst, das dem anderen Leitungsende mitgeteilt bzw. mit einer Nachricht vom anderen Phasenvergleichs gerät verglichen wird, wobei dann abhängig von die sem Vergleichsergebnis die Hochspannungsleitung ab geschaltet wird.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele erläutert. Hierbei wird zunächst die Arbeitsweise an Hand eines Blockschaltbildes, wie es in Fig. 1 dar gestellt ist, wiedergegeben.
. Die Fig. 2 zeigt Stromdiagramme zu dem Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 1. In der Schaltungsausfüh rung nach Fig. 1 wird am Punkt A eine dem Lei tungsstrom proportionale Wechselspannung mit einem Verlauf a (Fig. 2) zugeführt, und zwar dem Begrenzer 1. An dem Zuführungspunkt ist ausserdem ein An regerelais 4 angeordnet, das immer dann anspricht, wenn der zugeführte Strom eine vorgegebene Höchst grenze übersteigt.
Die zugeführte Wechselspannung wird in dem Be grenzer 1 praktisch zu Rechteckwechseln begrenzt, Zeile b in Fig. 2.
Die so begrenzte Wechselspannung wird dann über einen Tiefpass 2 und ein Verzögerungsnetzwerk 3 über den Kontakt k4 des Anregerelais 4 der Aus gangsspannung eines Mitziehgenerators 6 über lagert. Die Amplitude der am Ausgang des Gene- rators 6 Zeile a in Fig. 2 entstehende Schwankung ist abhängig von der Phasenwinkeldifferenz der Aus gangsspannung des Verzögerungsnetzwerkes 3, ver gleiche Zeile c in Fig. 2, und der Ausgangsspannung des Generators 6, vergleiche Zeile d in Fig. 2.
Diese Ausgangsspannung wird in dem Gleichrichter 5 gleichgerichtet und dient als Steuerspannung für den Mitziehgenerator. Dieser ändert in Abhängigkeit von dieser Steuerspannung die Frequenz seiner Ausgangs spannung so lange, bis sie der Frequenz der Wechsel spannung a gleicht und gegebenenfalls nur von deren Phase um einen bestimmten Betrag T2 abweicht. Das Verzögerungsglied 3 ist hierbei so eingestellt, dass die Ausgangsspannung des Mitziehgenerators phasen gleich mit der dem Leitungsstrom proportionalen Wechselspannung ist. Auch diese Spannung wird in einem Begrenzerglied, dem Begrenzerglied 7, auf einen Wert gemäss Zeile e begrenzt.
Die vom Begren- zerglied 1 und vom Begrenzerglied 7 abgeleiteten be grenzten Wechselspannungen b und e werden je einer bistabilen Kippstufe 8 bzw. 9 zugeführt. Durch Zu- sammenfassung der Ausgangsspannungen dieser bi- stabilen Kippstufen kann z.
B. mit Hilfe eines Koinzi- denzgatters 10 ein Phasensprung und durch Addition beider Spannungen in einer Oderschaltung 13 die Richtung des Phasensprunges ermittelt werden. Über den Ausgang B wird ein Kriterium für die Richtung des Phasensprunges und mit Hilfe des Auslöserelais 11, das abfallverzögert ist, das Auftreten des Phasen sprunges angezeigt.
Tritt auf der überwachten Leitung zu einem be stimmten Zeitpunkt ein Fehler auf, dann ändert sich der Strom zu diesem Zeitpunkt an einem Leitungs ende sprunghaft, und zwar hinsichtlich seiner Phase und seiner Grösse. Das Anregerelais 4 (z. B. Über stromanregung) schaltet die Wechselspannung für den Mitziehgenerator ab, ehe sich die Phasenwinkel änderung, die über das Verzögerungsglied 3 um die Zeit t1 verzögert wird, auswirken kann.
Die aus der Wechselspannung im Gleichrichter 5 gewonnene Steuergleichspannung wird während der Dauer des Fehlers im Kondensator C, dessen Lade- bzw. Ent- ladewiderstand R durch den Kontakt K4 des Anrege relais 4 abgeschaltet wird, gespeichert, so dass der Generator mit unveränderter Phasenlage und Ampli tude weiterschwingen kann. Bei einem Phasensprung durch Änderung des Energieflusses im Normalbetrieb kann sich dagegen die Steuerspannung und damit auch die Phase der Ausgangsspannung des Mitzieh- generators - sie muss für einen kurz darauffolgenden Fehler richtig sein - rasch ändern, da die Zeitkon stante der Ladung bzw.
Entladung des Speicherkon- densators durch den parallel geschalteten Widerstand klein ist. Der Phasensprung bei einer Störung wirkt sich aber voll auf das Arbeiten der Kippstufe 8 aus, die nunmehr eine entgegengesetzte Polarität abgibt. Dadurch liefert das Koinzidenzgatter 10 keine Span nung mehr für das Auslöserelais 11. Dieses fällt ab und gibt nach erfolgter Abfrage der Oderschaltung einen Auslösebefehl sowohl unmittelbar an den ört lichen Schalter als auch über eine Nachrichtenver bindung an den fernen Schalter, sofern dieser Aus lösebefehl nicht dort durch ein örtliches Signal bzw.
hier durch ein Signal von dem anderen Ende der Lei tung gesperrt wird. Dies ist immer dann der Fall, wenn gleichzeitig auch am anderen Ende ein entspre chender Phasensprung festgestellt wird.
Die Fig. 3 zeigt einige schaltungstechnische Ein zelheiten des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. In der Fig. 3 sind die in der Fig. 1 mit 8 und 9 bezeich neten Schaltglieder und das mit 10 bezeichnete Glied auszugsweise wiedergegeben. Die übrigen Schaltungs einzelheiten des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 können in üblicher Weise ohne weiteres aufgebaut werden. Wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, wird die Kippstufe 9 über ein Differenzierglied, bestehend aus dem Kondensator C1 und dem Gleichrichter Gll je weils angesteuert.
Die eigentliche Kippstufe besteht aus den Transistoren Trl und Tr2 und ist in üblicher Weise aufgebaut. Die differenzierten und gleich gerichteten Impulse werden über die als Gatter wir kenden Gleichrichter G12 und G13 abwechselnd einer der Basen der Transistoren zugeführt. Die Kippstufe 8 ist analog aufzubauen.
Die Ausgangsspannungen der Transistoren werden in dem aus den Gleichrich tern G14 und G15 bzw. G16 und G17 und den dazu gehörigen Transistoren Tr3 und Tr4 gebildeten Strom kreis erzeugt, wobei nur dann über das Relais 11 ein Strom fliessen kann, wenn mindestens einer der Tran sistoren durchlässig gesteuert ist. Das ist aber dann nicht der Fall, wenn die Steuerspannungen der Kipp- stufen nicht phasengleich sind. In diesem Fall sind z.
B. die Transistoren Trl der Kippstufe 8 und Tr2 der Kippstufe 9 zu gleicher Zeit durchlässig gesteuert. In diesem Zustand fliesst ein Strom über den Gleich richter G16 und<I>G15.</I> Dadurch werden Basisspan nungen der beiden Transistoren Tr3 und Tr4 positiv, und sie sind gesperrt. Das Auslöserelais 11 muss in diesem Fall abfallen. Dasselbe passiert, wenn die Gleichrichter G14 und G17 gleichzeitig durchlässig sind.
Die erläuterte Schaltungsanordnung arbeitet im mer dann einwandfrei, wenn ein Fehler auf einer mit Strom gespeisten Übertragungsleitung auftritt. In die sen Fällen ändert sich, wie erwähnt, der Strom nach Grösse und Phase, was zur Abschaltung der Leitung herangezogen werden kann. In grossen Verbundnetzen kommt aber auch häu fig der Zustand vor, dass eine Verbindungsleitung ge rade keinen Laststrom, sondern nur einen verhältnis mässig kleinen Ladestrom führt, der schon im nor malen Betriebszustand an den Enden der Leitung entgegengesetzte Richtung hat. Auch in diesem Fall muss ein Fehler auf der Leitung, z. B. ein Kurzschluss, sofort ermittelt werden, damit das entsprechende Lei tungsstück rechtzeitig abgeschaltet werden kann.
In diesem Fall steht natürlich zunächst keine vergleich bare Phase zur Verfügung. Gemäss einer Weiterbil dung des Erfindungsgedankens wird daher beim plötzlichen Stromeinsatz auf der Leitung mit Hilfe eines in einer definierten Ausgangslage festgehaltenen Schwingungserzeugers (Multivibrators) eine Ver gleichsschwingung auf die Schaltung gegeben, die das Auslösen der Überwachungsanordnung ohne weitere Hilfsmittel ermöglicht.
Die Fig.4 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit der auch dieser in der Praxis bei besonderen Netzen vorkommende überwachungsfall mit beherrscht wer den kann. Soweit die Schaltungsanordnung gleiche Teile enthält wie die Schaltung gemäss Fig. 1, sind sie mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die in Fig.4 dargestellte Schaltungsanordnung besitzt also eben falls ein Anregerelais 4, ein Begrenzerglied 1, einen Tiefpass 2, ein Verzögerungsglied 3, einen Gleichrich ter 5 und einen Mitziehgenerator 6.
An Stelle der in Fig. 1 dargestellten Kippstufen 8 und 9, dem Koinzi- denzgatter 10, dem Relais 11 und dem Phasenver- gleichsgerät 13 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 eine etwas anders aufgebaute Messeinrichtung 14 vorgesehen. Diese Messeinrichtung ermöglicht es, unmittelbar Grösse und Phasenlage der miteinander zu vergleichenden Frequenzen des Mitziehgenerators 6 und der über den Eingang A zugeführten Wechsel spannung festzustellen. Hierzu ist ein bekanntes Rich tungsrelais 15 vorgesehen.
Diesem Richtungsrelais 15 werden über die Addierschaltung 16 und die Sub- trahierschaltung 17 die Summe und die Differenz der von der Schwingschaltung abgegebenen Wechselspan nung e und der dem Leitungsstrom proportionalen Spannung i den Gleichrichtern 18 und 19 zugeführt. Das Richtungsrelais spricht nur dann an, wenn der Summenvektor<I>e</I> + <I>i</I> grösser als der Differenzvektor e-i ist (Voreilung des Kurzschlussstromvektors). Die Schaltungsanordnung arbeitet im übrigen aber genau so, wie die Schaltung gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.
Im Gegensatz zu Fig. 1 ist aber in der Schaltungs anordnung noch zusätzlich ausser einigen noch zu er läuternden Schaltgliedern ein Relais N21 mit seinem Kontakt n angeordnet. Dieses Relais, das im Ruhe zustand angezogen ist, fällt ab, wenn der Strom auf einen Wert zurückgeht, der unter dem Ansprechwert des Kleinstwertbegrenzers 20 liegt und dem Lade strom der Leitung entspricht, und schaltet mit seinem Kontakt die gesamte Messeinrichtung 14 von der Spannung des Mitziehgenerators ab und auf einen Multivibrator 24,
der zunächst in einer die Phasen- lage des Schwingungseinsatzes bestimmenden Start stellung festgehalten wird, also keine Impulse abgibt. Bei einem Fehler auf der Leitung wird der Kurz schlussstrom an beiden Leitungsenden gleichzeitig, und zwar mit sehr steiler Flanke, einsetzen.
Der Kurz schlussstrom überschreitet hierbei den Schwellwert des Begrenzers 20 und startet die Multivibratoren. Die steile Flanke bewirkt den gleichzeitigen Anlauf dieser Multivibratoren, deren Schwingungen nunmehr mit einer bestimmten Phasenlage einsetzen. Ausser dem spricht hierbei das Anregerelais 4 an, das den Wiederanzug von Relais 21 verhindert. Die Multi vibratoren beider Leitungsenden geben also Schwin gungen ab, die zumindest zunächst mit ausreichender Genauigkeit phasengleich sind.
Die Frequenz des Multivibrators wird hierbei zweckmässig so gewählt, dass sie um einen bestimmten Betrag von der Netz frequenz, also von der Frequenz des zu übertragen den Stromes, abweicht. Die vom Multivibrator 24 ab gegebene Spannung wird mit der vom Eingangsstrom ermittelten Spannung in der oben beschriebenen Weise gemischt, gleichgerichtet und dem Richtungs relais 15 zugeführt. Dieses spricht in einem bestimm ten Rhythmus an, der abhängig ist von der Differenz beider Frequenzen.
Je kleiner nun die Differenz der Frequenzen ist, desto länger ist zwar die Auslösezeit bei kleinen Phasenwinkelunterschieden des Stromes beider Leitungsenden, aber desto kleiner ist der In halt der zu übertragenden Nachricht, und das über- tragungsergebnis ist um so weniger störanfällig. Bei kleinen Phasenwinkelunterschieden kann aber auch eine längere Auslösezeit in Kauf genommen werden.
Bei dieser zusätzlichen Einrichtung wird also die Frequenz der auf beiden Seiten fliessenden Kurz schlussströme phasenrichtig in eine niedrige Frequenz lage (Differenz zwischen der Frequenz des Multi vibrators und der Leitungsfrequenz) umgesetzt. Die dabei entstehenden Phasenschwebungen, die wegen des kleinen Nachrichteninhaltes nur einer geringen Störbeeinflussung ausgesetzt sind, werden übertragen und mit der örtlichen Phasenschwebung verglichen.
Da die Multivibratorfrequenzen, die jeweils örtlich er zeugt werden, phasengleich sind, kann aus dem Ver gleich der Phasenschwebung eine Phasenwinkelabwei- chung der ursprünglichen Spannung abgeleitet wer den. An Stelle eines Multivibrators kann zur Erzeu gung der Umsetzerfrequenz jeder Generator verwen det werden, der mit definierter Phase angeregt wer den kann.
Die eigentliche Auslöseschaltung 25 besteht aus einem Relais 26, das über die Kontakte des Rich tungsrelais 15 des einen Endes und eines über die Übertragungsleitung über das dortige Richtungsrelais mitgesteuerten Richtungsrelais 15' ausgelöst wird, wobei eine Auslösung nur dann erfolgt, wenn das An regerelais 4 mit seinem Kontakt K2 den Stromkreis vorbereitet hatte.
Die beschriebene und erläuterte Schaltungsanord nung kann im Rahmen der Erfindung in verschie dener Weise variiert werden. Insbesondere bei der Anwendung der Schaltungsanordnung in Mehrpha- sennetzen ergibt sich die Möglichkeit, für jede der drei Leitungen einen eigenen Auslösekreis mit An regung vorzusehen, um bei einem Fehler auf einer der drei Leitungen nur diese abschalten zu können. Die übrigen Schaltglieder können einheitlich für das Mehrphasennetz benützt werden.