Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines erdschlussbehafteten Freileitungs- oder Kabelabschnittes eines Wechsejstromhochspannungsnetzes
Von den in Hochspannungs-Kabel- oder -Frei- leitungsnetzen auftretenden Störungen gehört der Erdschluss zu den unangenehmsten Erscheinungen.
Während bei Kurzschlüssen oder Doppelerdschlüssen durch verhältnismässig einfach aufzubauende Auslöser eine sofortige selektive Abschaltung erreicht werden kann, sind die Verhältnisse bei einphasigem Erdschluss erheblich schwieriger. Zumal ein solcher Erdschluss z. B. durch Intermittieren des Fehlerlichtbogens (Gefahr des zweiphasigen Erdschlusses) zu Störungen grössten Ausmasses führen kann, ist es von grösster Wichtigkeit, den Erdschluss so schnell wie möglich aufzufinden und die fehlerhafte Stelle abzuschalten.
Es sind bereits Geräte bekannt, die es gestatten, erdschlussbehaftete Strecken ausfindig zu machen.
Diese Geräte weisen Richtungsrelais auf, deren Einbau einen erheblichen Aufwand erfordert. Für die Richtungsmessung wird nämlich die dem jeweiligen Erdschlussstrom zugeordnete Spannung benötigt, so dass für jeden Kabelabgang drei Spezialstromwandler in Summenschaltung oder ein höchstwertiger Summenwandler zusätzlich eingebaut werden müssen und ausserdem die Erdschlussspannung von einem Wandler mit fünf Schenkeln oder von einer aus drei Einphasenwandlern bestehenden Wandlergruppe herangeführt werden muss. Der Einbau dieser Wandler erfordert für die allermeisten Schaltzellen grössere Abmessungen und damit höhere Kosten, so dass solche Meldeanlagen sich nur in grossen Umspannwerken oder in Kraftwerken lohnen.
Für kleine Anlagen, wie sie beispielsweise in städtischen Mittelspannungsverteilungsnetzen in gro sser Zahl vorhanden sind, kann der Einbau wegen der hohen Kosten nicht in Betracht kommen. Gerade in derartigen Stützpunkten von Versorgungsnetzen sowie in Netzumspannstellen und Hochspannungsabnehmeranlagen fehlt bisher die Möglichkeit, schnell und einfach die erdschlussbehafteten Kabelstrecken mit Sicherheit erfassen zu können.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln eines erdschlussbehafteten Freileitungs- oder Kabelabschnittes eines Wechselstrom Hochspannungsnetzes, insbesondere eines in einem Phasenstrang erdschlussbehafteten Abschnittes eines Drehstromnetzes, durch Prüfen der in den einzelnen Freileitungs-oder Kabelabschnitten fliessenden, durch den Erdschluss bedingten Ströme mittels Summenstromwandler. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messverfahren zu schaffen, das es ermöglicht, mit verhältnismässig billigen und leicht zu bedienenden Geräten, die gewünschtenfalls leicht und einfach von einer Messstelle zur anderen getragen werden können, einen vorhandenen Erdschluss in kurzer Zeit eingrenzen und feststellen zu können. Während die bisher bekannten Melde- und Messeinrichtungen für die Richtungsmessung ausser dem in den Kabeln bzw.
Netzteilen fliessenden, durch den Erdschluss bedingten Strom auch noch die Erdschlussspannung benötigen, geht die Erfindung von dem Gedanken aus, dass es für die Ermittlung der kranken Leitungsstrecke bei einem Erdschluss genügt, lediglich die in den einzelnen Kabeln fliessenden erdschlussbedingten Ströme zu prüfen und in bezug auf ihre Richtung miteinander zu vergleichen. Sie beruht ferner auf der Erkenntnis, dass für das Vergleichen der Richtungen der in den einzelnen Kabeln fliessenden Ströme eine beliebige frequenzgleiche Spannung benutzt werden kann, die keine teueren Spezialwandler erfordert.
Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, dass an den Knotenpunkten und Verzweigungsstellen des Netzes die Summen ströme der einzelnen Freileitungs- oder Kabel strecken in bezug auf ihre gegenseitige Phasenlage nacheinander derart gemessen werden, dass die Wandlerspannungen einzeln nacheinander mit der Phasenlage einer einem beliebigen Niederspannungsnetz gleicher Frequenz entnommenen Spannung verglichen werden, und dass derjenige Abzweig der zur Erdschlussstelle hinführende Leitungsstrang ist, der mit seiner Polarität in den Ergebnissen der Vergleichmessungen nur einmal vorkommt.
Für das Vergleichen der Phasenlagen kann ein Messinstrument mit Mittelnullpunkt benutzt werden, und beim ersten Vergleich einer Wandlerspannung mit der Niederspannung gleicher Frequenz eine in die Zuleitungen einer der Spannungen zum Messinstrument geschaltete Vorrichtung zum Ver ändern der Phasenlage dieser Spannung auf günstigen Ausschlag des Messinstrumentes eingestellt und für die Prüfung der weiteren Wandlerspannungen der gleichen Verzweigungsstelle in dieser Einstellung belassen werden.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens, die sich dadurch auszeichnet, dass in einem Kabelnetz ein Ringwandler oberhalb der Anschlussstelle der Erdleitung um den Hals jedes der zu prüfenden Kabel gelegt ist. Vorteilhaft wird ein Ringwandler mit einem zurückklappbaren Joch benutzt, der nacheinander um die Hälse der zu prüfenden Kabel gelegt werden kann.
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung können auch kleine erdschlussbedingte Ströme gut ablesbar erfasst werden, wenn ein gittergesteuerter Verstärker für die Wandlerspannung vorgesehen wird, in den eine Vorrichtung zum Ändern der Phasenlage der verstärkten Spannung eingebaut ist. Als besonders empfindliches Messinstrument wird vorteilhaft ein Galvanometer benutzt. Bei Verwendung eines Galvanometers werden z. B. die beiden Spannungen je über einen Transformator an einen Modulator angeschlossen und das Galvanometer mit Mittelnullpunkt zwischen Mittenanzapfungen der Transformatorausgangswicklungen geschaltet.
Ausführungsbeispiele der Erfindungsgegenstände seien an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Spannungsdiagramm eines Drehstromnetzes, bei dem eine Phase einen Erdschluss aufweist.
Fig. 2 gibt ein Spannungs-Strom-Diagramm für die kapazitiven Erdschlussströme wieder.
Fig. 3 veranschaulicht einen Kabelanschluss, bei dem um den Kabelhals ein Ringwandler gelegt ist.
Fig. 4 stellt perspektivisch einen Ringwandler mit zurückklappbarem Joch dar.
Fig. 5 zeigt ein Schaltschema eines mit einem gittergesteuerten Verstärker ausgerüsteten Messgerätes.
Fig. 6 gibt schematisch einen Teil eines Hochspannungskabelnetzes wieder, bei dem ein Erdschluss vorhanden ist.
Bei Drehstromnetzen stellen die Netzkapazitäten im normalen Betrieb eine symmetrische Belastung für die Phasen dar. Sobald jedoch in einer Phase ein Erdschluss auftritt, wird diese Symmetrie gestört.
In Fig. 1 ist angenommen, dass bei der Phase T ein Erdschluss vorhanden ist. Infolgedessen weisen nunmehr die Phasen R und S gegenüber Erde eine Spannung UER bzw. UE,s auf, also Spannungen, die in ihrer Grösse der verketteten Spannung entsprechen und zueinander unter einem Phasenwinkel von nur 600 liegen. Diese beiden Spannungen haben, wie Fig. 2 zeigt, kapazitive Ströme J'R bzw. JCS zur Folge. Die beiden Ströme JCR und J (s fliessen von der Speisestelle aus durch die gesunden Leitungen R und S in die einzelnen Netzteile, sodann über Erde zu der Erdschlussstelle und von da aus über die kranke Phase T wieder zur Speise stelle.
In der kranken Phase T fliesst daher ein kapazitiver Strom Jc, der die geometrische Summe der beiden Ströme JCIX und Jcs darstellt. Der Strom Jc :} ist der der Null- spannung U0 zugeordnete kapazitive Strom.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Hochspannungskabelnetz sind an eine Verteilungsstelle I, die zugleich Speisestelle ist, fünf Kabel I1 bis I, angeschlossen. Das Kabel I1 führt zu einer Verzweigungsstelle II, in der ausser dem ankommenden Kabel IIt drei weitere Kabel II, bis 114 vorhanden sind. Das Kabel 114 führt zu einer weiteren Verzweigungsstelle III, in der es als Kabel III, ankommt. Von den drei weiteren Kabeln III, bis IIIU dieser Verteilungsstelle führt das Kabel III1 zu der Verteilungsstelle IV, in der die einzelnen Kabel in gleicher Weise bezeichnet sind.
Das Kabel IV3 führt zu einer Abnehmerstelle V, von der aus das Kabel V, zu einer weiteren Stelle VI führt, an der das Kabelnetz durch einen Kuppelschalter mit einer anderen Versorgungsstelle gekuppelt werden kann.
In dem Schema der Fig. 6 ist angenommen, dass in dem Verbindungskabel zwischen den Stellen IV und V ein Erdschluss E in der Phase T vorhanden ist. Unter diesen Umständen fliessen in den gesunden Netzleitern R und S die erwähnten kapazitiven Ströme, die sich auf sämtliche Verzweigungen des Netzes gleichmässig verteilen und über Erde bzw. über die Kabelummantelungen zu der Erdschlussstelle E fliessen. Von dieser Stelle aus fliessen die beiden kapazitiven Summenströme J ;... und J,.. durch den kranken Netzleiter T zur Speisestelle zurück; sie bilden hier den Strom J In Fig. 6 ist durch eingetragene Pfeile veranschaulicht, wie die kapazitiven Ströme im Augenblick des Maximums von Jco in den einzelnen Netzleitern gerichtet sind.
Wie aus dem Schema der Fig. 6 ohne weiteres zu ersehen ist, fliessen in die einzelnen Kabel der Verzweigungsstelle I Ladeströme, deren Stärke sich aus der Kapazität der an die betreffenden Kabel angeschlossenen Netzteile ergibt. Nur das Kabel I1 führt ausser den Ladeströmen der gesunden Netzleiter auch noch in dem kranken Leiter T den Gesamtrückstrom sämtlicher Ladeströme. Wird daher ein Ringwandler nacheinander um die einzelnen Kabelhälse gelegt, so ergibt sich bei dem Kabel Il ein sehr grosser Ausschlag des angeschlossenen Messinstrumentes, während der Ausschlag des Instrumentes bei den übrigen Kabeln I2 bis I5 nur verhältnismässig klein ist.
Ausserdem aber weisen die von dem Ringwandler gelieferten Spannungen entsprechend der verschiedenartigen Richtung der erfassten Ströme bei dem Kabel I1 einerseits und den Kabeln I2 bis I5 anderseits zueinander entgegengesetzte Phasenlage auf. Durch Feststellung der unterschiedlichen Stromrichtung ergibt sich somit, dass das Kabel I zu der Erdschlussstelle hinführt.
Entsprechend liegen auch die Verhältnisse in der Verteilungsstelle II. Auch hier ergeben sich verschieden grosse Ausschläge des Messinstrumentes für die verschiedenen Kabel, wobei die Kabel II1 und 114 grosse Ausschläge und die Kabel 112 und 113 kleine Ausschläge liefern. Auch hier weist ein Kabel, nämlich das Kabel II4, eine zu den Strömen der übrigen Kabel entgegengesetzte Richtung des Wandlerstromes auf, so dass durch Ermittlung dieses Richtungsunterschiedes festgestellt werden kann, dass das Kabel II zu der Erdschlussstelle hinführt.
Bei der Prüfung der Kabel der Verzweigungsstelle III ergibt sich für das Kabel III1 eine zu den übrigen Kabeln dieser Verzweigungsstelle entgegengesetzte Stromrichtung, so dass auch hier festgestellt werden kann, dass das Kabel III1 zu der Erdschlussstelle hinführt. Entsprechend liefert die Prüfung der Kabel in der Abzweigstelle IV das Ergebnis, dass das Kabel 1V3 zu der Erdschlussstelle E hinführt.
In jeder der Verteilungsstellen I bis IV ergab sich für das zur Erschlussstelle E hinführende Kabel jeweils ein besonders grosser Ausschlag des Messinstrumentes. Wird nun in der Verteilungsstelle V eine Prüfung der beiden Kabel V1 und V2 vorgenommen, so tritt am Messinstrument nur ein äusserst kleiner Ausschlag ein, da nur die Ladeströme der gesunden Leiter R und S, die der Kapazität der von der Station V zur Kuppelstelle VI führenden Leitungsstrecke entsprechen, von dem Ringwandler erfasst werden. Aus der Tatsache, dass hier kein Kabel mit grosser Stromstärke feststellbar ist, ergibt sich, dass die Abnehmeranlage V bereits hinter dem Erdschluss E liegt.
Falls der Erdschluss E nicht zwischen den Stationen IV und V, sondern in dem zu der Kuppelstelle VI führenden Kabel vorhanden wäre, würde sich beim Prüfen der Kabel in der Abnehmeranlage V ergeben, dass beide Kabel einen grossen Ausschlag des Messinstrumentes liefern, wobei die Stromrichtung jedoch bei beiden Kabeln verschieden ist. Aus dieser Tatsache könnte dann gefolgert werden, dass die Erdschlussstelle in dem von der Station V weiterführenden Kabel liegt.
Wie das erläuterte Beispiel des Kabelnetzes nach Fig. 6 zeigt, kann dadurch, dass die in den einzelnen Kabeln fliessenden erdschlussbedingten Ströme in bezug auf ihre Phasenlage zueinander geprüft werden, mit Sicherheit die mit dem Erdschluss behaftete Leitungsstrecke ermittelt werden. Die Lage des Erdschlusses in dem ermittelten Kabel kann sodann durch bekannte Messverfahren auf 1 bis 2 m genau festgestellt werden, so dass die erforderlichen Aufgrabungen nur an der Fehlerstelle selbst vorgenommen zu werden brauchen.
Bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens können für die einzelnen Kabelanschlüsse Ringwandler, die keinen zusätzlichen Platz erfordern, fest eingebaut werden. In Fig. 3 ist ein solcher Ringwandler bei einem Kabelendverschluss schematisch dargestellt. Vorteilhafter ist es jedoch, einen Ringwandler mit zurückklappbarem Joch zu verwenden, der dann als einziger Wandler nacheinander um die Hälse der verschiedenen Kabel gelegt werden kann. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Wandlers ist in Fig. 4 dargestellt. Auf einem Rohr 1 aus Isoliermaterial, von dem Fig. 4 nur den oberen Teil zeigt, ist ein Ringwandler 2 befestigt, der ein zurückklappbares Joch 3 aufweist. Durch ein nicht dargestelltes Gestänge, das in dem Rohr 1 angeordnet ist, kann das Joch 3 mittels eines Lenkers 4 herunter in seine Arbeitslage oder aufwärts geklappt werden.
Durch das Rohr 1 können auch die Anschlussleitungen für die Wandlerspulen hindurchgeführt sein, die zweckmässig zu Kontakten einer Steckvorrichtung geführt sind. Ein solcher Wandler kann zusammen mit einem tragbaren Messgerät leicht und bequem zu den verschiedenen Netzknotenpunkten bzw. Verteilungsstellen mitgenommen werden, um gemäss dem Verfahrensbeispiel die den Erdschluss aufweisende Leitungsstrecke zu ermitteln.
Die Schaltung eines tragbaren Messgerätes ist in Fig. 5 dargestellt. Die Leitungen des Ringwandlers nach Fig. 4 werden an einen beispielsweise aus drei Widerständen bestehenden Spannungsteiler 5 angeschlossen, der dazu dient, eine mittels eines Umschalters 6 wählbare Gitterspannung auf die Röhre 7 des Verstärkers zu geben. Der Anodenstrom der Röhre 7 steuert über einen Transformator 8 die Gitterspannung einer zweiten Verstärkerröhre 9.
Dabei ist zwischen den Transformator 8 und das Gitter dieser Röhre eine Phasendrehvorrichtung 10 geschaltet, die in bekannter Weise aus zwei Kondensatoren und zwei gemeinsam verstellbaren Regelwiderständen besteht. Der Anodenstrom für die Verstärkerröhren 7 und 9 wird von einem Vollweggleichrichter 11 geliefert, der an die eine Sekun därwicklung eines Transformators 12 angeschlossen ist. Die Primärwicklung des Transformators 12 kann mittels Steckkontakte an eine beliebige Niederspannungssteckdose angeschlossen werden.
Die durch die Röhren 7 und 9 verstärkte und mittels der Phasendrehrichtung 10 in ihrer Phasenlage veränderte Wandlerspannung wird über einen Transformator 13 auf einen Modulator 14 gegeben, der in bekannter Weise aus Gleichrichtern besteht.
Diesem Modulator wird ferner eine zu der Wandlerspannung frequenzgleiche Wechselspannung zugeführt, die von der zweiten Sekundärwicklung des Transformators 12 geliefert wird. Mittels eines doppelpoligen Umschalters 15 kann diese Spannung wahlweise umgekehrt werden. Die beiden an den Modulator 14 angeschlossenen Wicklungen der Transformatoren 12 und 13 weisen Mittenanzapfungen auf, an die ein hochempfindliches Galvanometer 16 angeschlossen ist, dessen Skala den Nullpunkt in der Mitte aufweist.
Der Modulator 14 wirkt in bekannter Weise so, dass sich dann, wenn die beiden ihm zugeführten Spannungen eine Phasenverschiebung von 900 zuein ander aufweisen, am Galvanometer 16 kein Ausschlag ergibt. Soll nun der Erdschlussstrom eines Kabels geprüft werden, so wird der Ringwandler nach Fig. 4 um den Hals des betreffenden Kabels gelegt und sodann mittels des Umschalters 15 und der Phasendrehvorrichtung 10 die Messvorrichtung so eingestellt, dass sich ein möglichst grosser Ausschlag des Galvanometers 16 ergibt. Sodann wird der Ringwandler um den Hals des nächsten zu prüfenden Kabels gelegt. Der Schalter 15 und die Phasendrehvorrichtung 10 bleiben in der vorher als günstig ermittelten Lage eingestellt.
Durch Ablesung des Galvanometers 16 kann nun sofort festgestellt werden, ob der Erdschlussstrom des zweiten Kabels gleiche oder entgegengesetzte Richtung zu dem Erd schlussstrom des ersten Kabels hat und ob dieser Strom eine grössere oder kleinere Stärke hat. In gleicher Weise kann auch die Richtung und Stärke der in den weiteren Kabeln fliessenden Erdschlussströme festgestellt werden. Beim Anlegen des Ringwandlers nach Fig. 4 muss natürlich darauf geachtet werden, dass dieser die Hälse der zu prüfenden Kabel stets in gleicher Weise umschliei3t.
Die Durchführung der Erfindung ist keineswegs auf die Verwendung eines Ringwandlers mit zurückklappbarem Joch und eines tragbaren Messgerätes beschränkt. Die Vorteile der Erfindung werden nämlich in gleicher Weise auch erzielt, wenn bei einer Netzverzweigungsstelle eine Messeinrichtung und für jedes Kabel ein Ringwandler fest eingebaut wird.
Dieser Einbau empfiehlt sich in grösseren Schaltanlagen, in denen meistens bereits summarische Erdschlussmelderelais vorhanden sind. Da in solchen Fällen auch die Erdschlussspannung U0 zur Ver fügung steht, kann auf die Phasendrehvorrichtung in dem Messgerät verzichtet werden, wenn die Spannung U0 für den Vergleich der Phasenlagen benutzt wird.
Beim Ansprechen eines Erdschlussmelderelais wird bei einer solchen Anlage dann automatisch ein Drehwähler in Betrieb gesetzt, der die einzelnen Ringwandler nacheinander abtastet. Ein in den Galvanometerkreis zusätzlich eingeschaltetes polarisiertes Relais spricht in diesem Falle bei Umkehrung der Stromrichtung, wie sie eintritt, wenn der Ringwandler des zur Erdschlussstelle führenden Kabels abgetastet wird, an und schaltet über ein Hilfsrelais eine Anzeigevorrichtung, z. B. ein Leuchtfeld ein, das dem betreffenden Kabel zugeordnet ist. Es kann dann sofort der Name oder die Nummer des betreffenden Kabels abgelesen werden. Die Anzeigen mehrerer solcher Stationen können gewünschtenfalls durch Fernübertragung an einer zentralen Stelle sichtbar gemacht werden und so sofort einen Überblick über die ungefähre Lage des Erdschlusses geben.
In Umspannstationen mit Kabeln verschieden hoher Spannung kann eine einzige Messeinrichtung für sämtliche Kabel der Station benutzt werden.
Beim Ansprechen irgendeines Erdschlussrelais läuft dann der Wähler der Messeinrichtung über seine gesamte Kontaktbahn und geht wieder in die Ausgangsstellung zurück. Dabei werden sämtliche Kabel der verschiedenen Netze nacheinander überprüft, und es bleibt schliesslich das Leuchtfeld des erdschlussbehafteten Kabels eingeschaltet, bis die fehlerhafte Leitung abgeschaltet wird. Wenn in einem zweiten System ein Erdschluss auftritt, beginnt der Wähler erneut anzulaufen, um auch diesen zweiten Erdschluss bzw. das zu ihm führende Kabel festzustellen.
Der selbsttätig ablaufende Prüfvorgang dauert jeweils nur wenige Sekunden, so dass unmittelbar nach dem Ansprechen des Erdschlussmelderelais bereits angezeigt wird, welches der zahlreichen abgehenden Kabel zu dem kranken Netzteil hinführt.
Das beschriebene Verfahren und die ortsfest eingebauten und die tragbaren Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens ennöglichen es, einen Erdschluss sehr schnell und zuverlässig einzugrenzen und so nur die fehlerhafte Strecke abzuschalten, so dass Störungen durch Abschaltung auf einen nur kleinen Netzteil beschränkt werden können. Das Verfahren ist sowohl bei Strahlen- als auch bei Maschennetzen anwendbar.