1 Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer Elektrodenleitung einer bipolaren Hochspannungs-Gleichstrom-Über- tragungs-Anlage

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Elektrodenleitung einer bipolaren Hochspannungs-Gleichstrom-Ubertragungs-Anlage, wooei diese Elektrodenleitung von einem Verzweigungspunkt an m zwei Leitungen aufgespalten ist.

Eine Anlage zur Leistungsubertragung mittels eines hochgespannten Gleichstromes enthalt zwei Stromrichterstationen, die durch eine Gleichstromleitung miteinander verbunden sind. Bei einer sogenannten einpoligen Gleichstromubertragung sind die beiden Stationen mittels einer einzigen Gleichstromleitung miteinander verbunden, wobei der Ruckstrom durch die Erde geleitet wird. Ein Gleichstrompol m jeder Station wird dann mittels eines guten Erdanschlusses geerdet. Normalerweise ist dieser Erdanschluß in einer Entfernung von der Strom- richterstation angeordnet und mittels einer Leitung an die Station angeschlossen, welche als Elektrodenleitung bezeichnet wird. Es kann oft wünschenswert oder notwendig sein, den Erdanschluß m einer großen Entfernung von bis zu hundert Kilometern von der Station entfernt anzuordnen.

Bei einer sogenannten zweipoligen Gleichstromubertragung sind die Stationen durch zwei Gleichstromleitungen miteinander verbunden, so daß im normalen Betrieb der Gleichstrom nicht durch die Erde zurückgeführt werden braucht. Aus verschiedenen Gründen, ua, um einen einpoligen Betrieb der Anlage im Falle eines Stromrichterausfalls zu ermöglichen, sind auch Stromrichterstationen in zweipoligen Gleichstromubertragungen mit einem Erdanschluß versehen, der mittels einer Elektrodenleitung an die Station angeschlossen ist. 2

Eine Elektrodenleitung ist gegenüber Erde isoliert und besteht normalerweise aus einer Leitung, die an Isolatoren aufgehängt ist. Obwohl die Spannung zwischen der Elektrodenleitung und Erde normalerweise klein ist im Verhältnis zu ande- ren Spannungen m der Anlage, begründet ein Erdfehler auf der Elektrodenleitung die Gefahr von Personenschaden oder Schaden an anderen Anlagenkomponenten, zB Korrosionsschaden. Es ist daher erforderlich, daß Erdfehler, einschließlich hochohmiger Erdfehler, und Leitungsbruche schnell und zuverlässig ent- deckt werden können.

Zur Feststellung von Erdfehlern auf einer Elektrodenleitung ist bereits vorgeschlagen, eine Differentialschutzanordnung zu verwenden. In einer solchen Schutzanordnung wird der Strom an beiden Enden der Elektrodenleitung gemessen, und eine Differenz zwischen den beiden gemessenen Strömen bedeutet, daß ein Erdfehler vorhanden ist. Eine solche Schutzanordnung hat jedoch verschiedene Nachteile. Sie erfordert eine Nachrichtenverbindung zwischen den beiden Enden der Elektrodenleitung und ist daher, besonders m Verbindung mit langen Elektroden- leitungen, teuer. Eine solche Schutzanordnung reagiert auch nicht auf einen Erdfehler, der in solchen Fallen auftritt, m den die Elektrodenleitung keinen Strom fuhrt, was normalerweise m ungestörten Betrieb einer zweipoligen Übertragung der Fall ist. Auch m diesem Falle, dh, wenn kein direkter Strom durch die Elektrodenleitung fließt, können Unsymmetπe- strome zur Entstehung gefährlicher Spannungen auf der Leitung fuhren.

Es wurde ferner vorgeschlagen, Erdfehler auf einer Elektrodenleitung dadurch festzustellen, daß m der Stromrichterstation ein Wechselstromsignal oder ein Wechselspannungssignal bestimmter Frequenz in die Leitung eingespeist wird. In diesem Falle werden Unterdruckungsfllter an beiden Enden der Leitung angeordnet, wobei diese Filter auf die Frequenz des eingeleiteten Signals abgestimmt sind. Ein Impedanzmeßglied dient zur Messung der Impedanz der Elektrodenleitung gegen- 3 über der Erde am Einspeisepunkt bei Einspeisungsfrequenz .• Eine Änderung der so gemessenen Impedanz ist ein Anzeichen für einen Erdfehler. Dieses Verfahren arbeitet gut im Falle kurzer Elektrodenleitungen, zeigt jedoch Nachteile bei langen Elektrodenleitungen. Zur Erkennung eines Leitungsfehlers muß die Meßfrequenz so gewählt werden, daß die Länge der Leitung kleiner als ein Viertel der Wellenlänge ist. Aus diesem Grund muß im Falle langer Elektrodenleitungen eine so niedrige Frequenz gewählt werden, daß die Gefahr besteht, daß die Messung durch die Netzfrequenz oder durch die niedrigsten Oberwellen der Netzfrequenz gestört wird. Ferner werden bei diesen niedrigen Frequenzen die an beiden Enden der Elektrodenleitung angeordneten Unterdrückungsfilter, die für den maximalen Strom auf die Elektrodenleitung bemessen sein müssen, sehr groß und teuer.

In der EP 0 360 109 Bl ist eine Schutzvorrichtung für eine Elektrodenleitung der eingangs genannten Art angegeben, bei der auch im Falle langer Elektrodenleitungen eine hohe Meß- frequenz verwendet werden kann, wodurch die Abmessungen und Kosten der Unterdrückungsfilter sowie die Gefahr einer Störung durch die Netzfrequenz oder ihrer Oberwellen wesentlich vermindert wird. Zur Vermeidung von stehenden Wellen auf der Elektrodenleitung ist das Unterdrückungsfilter am, bezogen auf den Einspeisepunkt, fernen Ende der Elektrodenleitung mit Widerstandsgliedern versehen, die einen solchen Widerstands- wert haben, daß das Filter der Wellenimpedanz der Elektrodenleitung angepaßt ist. Auf diese Weise wird vermieden, daß das Meßsignal am fernen Ende der Elektrodenleitung reflektiert wird.

Aus der US-PS 5,083,086 ist ein Verfahren zur Ortung einer Fehlerstelle in einem Kabel bekannt. Bei diesem Verfahren zur Fehlerortbestimmung führt ein Instandsetzungs-Fachmann dieses Verfahren durch, wobei zunächst das fehlerhafte Kabel freigeschaltet wird, dh, das Kabel ist nicht im Betrieb. Als nächstes wird an einem Ende des freigeschalteten Kabels eine 4

Vorrichtung angeschlossen, mit der das Verfahren zur Fehlerortbestimmung durchgeführt wird. Diese Vorrichtung speist einen ersten elektrischen Impuls in das Kabel ein und zeichnet die empfangenen Reflexionen auf. Danach wird eine am freige- schalteten Kabel angeschlossene Spannung erhöht, ein zweiter Impuls in das Kabel eingespeist und die empfangenen Reflexionen aufgezeichnet. Durch die Erhöhung der Speisespannung verändert sich die Impedanz an der Fehlerstelle im Kabel, so daß eine Reflexion empfangen werden kann, die den Fehlerort ein- deutig wiedergibt. Die aufgezeichneten Echosignale werden miteinander verglichen. Mittels diesem Differenzsignal und einer erfaßten Laufzeit kann dann der Fehlerort im Kabel berechnet werden.

Aus einer älteren nationalen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 196 50 974.2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Zustandes einer Elektrodenleitung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlage (HGÜ-Anlage) bekannt. Bei der HGÜ-Anlage handelt es sich um eine bipolare HGÜ-Anlage. Bei diesem Zustandserfassungs-Ver- fahren wird ein erster elektrischer Impuls an einem ersten Ende der Elektrodenleitung eingespeist und ein Echosignal dieser Leitung erfaßt. Danach wird ein zweiter Impuls am ersten Ende in die Leitung eingespeist und dessen Echosignal erfaßt. Diese beiden Echosignale werden anschließend miteinander verglichen. Bei einer Abweichung und/oder einer Übereinstimmung zwischen den beiden Echosignalen wird ein entsprechendes Meldesignal erzeugt. Diese Verfahrensschritte werden fortlaufend wiederholt, bis ein Fehlersignal generiert wird. Mit diesem Meldesignal wird das Zustandserfassungs- Verfahren gestoppt. Anhand von aufgezeichneten Echosignalen kann der Fehlerort ermittelt werden. Ein Vergleich des fehlerbehafteten Echosignals mit abgespeicherten Echosignalen für unterschiedliche Betriebssituationen erlaubt eine schnel- lere Bestimmung des Fehlers (Erdschluß, Leitungsbruch,...). 5 Die Vorrichtung zur Erfassung eines Zustandes einer Elektrodenleitung weist einen Impulsgenerator, eine Auswerteeinrichtung und ein Koppelglied auf. Über dieses Koppelglied wird der Impuls des Impulsgenerators in die Elektrodenleitung eingespeist und dessen Echosignal zur Auswerteeinrichtung weitergeleitet. Dieses Vorrichtung ist an einem ersten Ende der Elektrodenleitung angeschlossen. Das zweite Ende dieser Elektrodenleitung ist mit Erdpotential verbunden. Damit der elektrische Impuls nicht in die HGÜ-Anlage, sondern nur in das zu überwachende Teilstück der Elektrodenleitung, läuft, ist endseitig die Elektrodenleitung mit Dämpfungsgliedern versehen. Die Auswerteeinrichtung umfaßt einen Vergleicher, einen Speicher und eine Auslöseeinrichtung. Der Impulsgenerator erzeugt synchron zu einem Zeittakt rechteckförmige, gleichanteilsbehaftete Impulse, die fortlaufend in die Elektrodenleitung eingespeist werden, bis ein Fehlersignal vorliegt.

Dieses Verfahren erlaubt eine einfache Fehlererkennung im Be- trieb der HGÜ-Anlage, ohne daß vorhandene Meßsignale verwendet werden müssen. Dieses Verfahren arbeitet somit autark. Da im fehlerfreien Fall die Erde an der Leitung des Impulses beteiligt ist, beeinflussen schwankende Erdleitfähigkeiten die Echosignale und damit eine sichere Erkennung von Fehlern. Außerdem ist die Abstrahlung von elektromagnetischer Energie, verursacht durch den Impuls im Gleichtaktmode, recht hoch. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß an beiden Ende der Elektrodenleitung seriell in diese Elektrodenleitung Dämpfungsglieder geschaltet werden müssen. Dadurch wird der Auf- wand für eine nachträgliche Installation bei einer bestehenden HGÜ-Anlage recht hoch.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Elektrodenleitung einer bipolaren HGÜ-Anlage anzugeben, wobei die aufgeführten Nachteile des Standes der Technik nicht mehr auftreten. 6 Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß gelost mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 11.

Dadurch, daß aus einem erdunsymmetrischen Impuls ein erdsym- metrischer Impuls im Gegentaktmode erzeugt und m die beiden Leitungen der Elektrodenleitung eingespeist wird, ist die Erde kaum mehr an der Leitung dieser Impulse beteiligt, so daß das erfmdungsgemaße Verfahren gegenüber einer stark schwankenden Erdleitfahigkeit nahezu unabhängig ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Abstrahlung Form von elektromagnetischer Energie gegenüber einem Gleichtakt ode deutlich reduziert ist. Außerdem verursacht der Gegentaktmode eine geringe Leitungsdampfung, so daß eine höhere Reichweite des Systems bei gleichzeitig kleinerer Dispersion des Echosi- gnals erlaubt ist.

Der wichtigste Vorteil des Gegentaktmodes ist jedoch seine völlige Entkopplung zum Gleichtaktmode. Storsignale, die aus der HGÜ-Anlage kommen, können sich aber nur im Gleichtaktmode ausbreiten, da diesseits des Verzweigungspunktes die Elektrodenleitung zu einem Leiter zusammengefaßt ist und somit ein elektromagnetisches Feld nur zwischen diesem Leiter und Erde existieren kann. Aus der HGÜ-Anlage kommende Storsignale breiten sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit auf der Elektro- denleitung aus, werden am Verzweigungspunkt nahezu amplitu- den- und phasengleich aufgeteilt und wandern dann auf den beiden Wellenleitern, nämlich Leiter - Erde und Leiter - Erde, zum anlagenfernen Ende der Elektrodenleitung. Zwischen den vom Verzweigungspunkt in gleichen Abstanden angebrachten Emspeiseanschlussen können diese Storsignale jedoch keine

Spannung erzeugen, weshalb sich eine ideale, frequenzunabhan- gige Entkopplung des Verfahrens zur Überwachung der Elektrodenleitung von der HGÜ-Anlage ergibt. Aufgrund der Reziprozität der Elektrodenleitung können andererseits keine Signale, de an den Emspeiseanschlussen im Gegentaktmode eingespeist werden, in die HGÜ-Anlage gelangen, wodurch das Verfahren von zufalligen Schaltzustanden der HGÜ-Anlage unabnangig ist. 7 Um ein Signal im Gegentaktmode m die Elektrodenleitung, bestehend aus zwei Leitungen, einspeisen zu können, muß der Kurzschluß für diesen Mode im Verzweigungspunkt unwirksam gemacht werden. Dies konnte beispielsweise dadurch bewerkstel- ligt werden, daß zwischen den Emspeiseanschlussen und dem Verzweigungspunkt jeweils eine Spule großer Induktivität Serie m die Elektrodenleitung geschaltet wird. Da im einpoligen Betrieb Strome m der Größenordnung kA durch die Elektrodenleitung fließen, mußten die beiden dafür benotigten Spulen auch für diese Strome ausgelegt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, die Einspeisung des Gegentaktmodes ohne solche Bauelemente wie die erwähnten Spulen durchzufuhren. Möglich ist dies, wenn die Einspeisepunkte sich einem vorbestimmten Abstand vom Verzweigungspunkt befinden, wobei dieser Abstand so zu bemessen ist, daß sie etwa einem Viertel der Leitungswellenlange bei der Mittenfrequenz des generierten erdunsymmetrischen Impulses entspricht. Bei dieser Frequenz transformiert sich der Kurzschluß im Verzweigungspunkt m einen Leerlauf an den Emspeiseanschlussen, und bei benachbarten Frequenzen wird dieser Kurzschluß in eine hochohmige Reaktanz transformiert, die an den Emspeiseanschlussen dem Wellenwiderstand der Leitung parallel geschaltet zu denken ist.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß sich dieses Überwachungsverfahren selbständig an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen anpassen kann. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Echodifferenzkurve m Abhängigkeit einer aufgezeichneten Ist-Echokurve und einer abgespeicherten, gebildeten dynamischen Soll-Echokurve erzeugt wird. Durch die Verwendung einer dynamischen, sich zeitlich veränderbaren Soll-Echokurve werden beispielsweise Einflüsse der Jahreszeiten auf die Elektrodenleitung m das Uberwachungs- verfahren miteingebunden, so daß jeweils eindeutig ein Fehlerfall ermittelt werden kann. 8 Wird ein Fehlersignal generiert, so kann das Uberwachungsver- fanren abgeschaltet werden. Dazu wird die Generierung von Impulsen unterbrochen bzw. abgeschaltet.

Bei einem vorteilhaften Verfahren wird eine vorbestimmte sta- tiscne Soll-Echokurve mit einem Toleranzband umhüllt, das aus einer oberhalb und unterhalb dieser statischen Soll-Ecnokurve verlaufenden Grenzkurven bestimmt wird. Eine gebildete dyna- miscne Soll-Echokurve wird nun anhand dieser statischen Soll- Echokurve überprüft, ob wenigstens eine Amplitude dieser dynamischen Soll-Echokurve außerhalb dieses Toleranzbandes der statischen Soll-Echokurve liegt. Trifft dies wenigstens einmal innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes zu, so wird ein Fehlersignal generiert und das Uberwachungsverfahren abge- schaltet. Durch die Verwendung einer vorbestimmten statischen Soll-Echokurve können Defekte an der Vorrichtung zur Überwachung der Elektrodenleitung ermittelt werden, die, wenn sie schleichend auftreten, sonst unter eine zeitlich sich ändernde Betriebsbedingung gefallen werden.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird die dynamische Soll-Echokurve aus einem Mittelwert wenigstens zweier zeitlich aufeinander folgender Ist-Echokurven gebildet. Dh, immer aus einer vorbestimmten Anzahl von zeitlich aufeman- derfolgenden Ist-Echokurven wird ein Mittelwert gebildet und als dynamische Soll-Echokurve hinterlegt. Dadurch wird bei jeder neuen Ist-Echokurve ein neuer Mittelwert als dynamischer Soll-Echokurve hinterlegt. Dies geschieht jedoch nur dann, wenn bei der Auswertung einer Echodifferenzkurve kein Meldesignal generiert wurde.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zur Überwachung einer Elektrodenleitung einer bipolaren HGU-Anlage sind in den Unteranspruche 5 bis 10 angegeben.

Dadurch, daß die erfmdungsgemaße Vorrichtung zur Überwachung einer Elektrodenleitung einer bipolaren HGÜ-Anlage neben ei- 9 nem einen Impuls-Generator und eine Empfängereinrichtung aufweisenden Impuls-Echo-Überwachungsgerät eine Einspeisevorrichtung aufweist, die ausgangsseitig jeweils mit einem Einspeiseanschluß der Leitungen der Elektrodenleitung verknüpft ist, wird aus einem vom Impuls-Generator generiertem erdunsymmetrischen Impuls ein erdsymmetrischer Impuls im Gegentaktmode erzeugt. Das Impuls-Echo-Überwachungsgerät ist mit den Eingängen der Einspeiseschaltung verknüpft. Diese Einspeiseschaltung weist eingangsseitig eine Einrichtung zur Im- pulsumwandlung und ausgangsseitig zwei Koppelkondensatoren auf, die jeweils die Ausgänge der Einrichtung zur Impulsumwandlung mit einem Einspeiseanschluß verbindet.

Durch die Ausgestaltung der Einspeisevorrichtung wird einer- seits aus einem erdunsymmetrischen Impuls des Impuls-Generators ein erdsymmetrischer Impuls im Gegentaktmode generiert, wodurch die bereits genannten Vorteile des Gegentaktmodes gegenüber einem Gleichtaktmode eintreten, und andererseits werden Störungen die von der HGÜ-Anlage kommen nur sehr stark gedämpft zur Empfängereinrichtung übertragen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Einspeiseschaltung ist als Einrichtung zur Impulsumwandlung ein Trennübertrager mit einer Niederspannungs- und Hochspannungswicklungen, zwei Spulen und zwei Abieitern vorgesehen, wobei jeweils eine Spule und ein Abieiter elektrisch parallel zu einer Hochspannungswicklung geschaltet sind. Der Verbindungspunkt der beiden Hochspannungswicklungen ist mit Erdpotential verbunden. Die beiden Koppelkondensatoren bilden mit den beiden Spulen zwei Hochpaßfilter, die jeweils auf die Mittenfrequenz des generierten Impulses abgestimmt sind. Die Abieiter schützen den Trennübertrager bei transienten Störungen (Blitzeinschlag, Schaltstoß) vor Überspannungen.

Bei einer vorteilhaften Vorrichtung weist der Impuls-Generator zwei Spannungsquellen, zwei Kondensatoren, zwei Schalter, zwei Widerstände und eine Betätigungseinrichtung für die 10 Schalter auf, wobei jeder Kondensator mittels eines Widerstandes mit einer Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden ist. Ein Verbindungspunkt dieser beiden Kondensatoren und ein Verbindungspunkt der beiden Spannungsquellen sind jeweils mit Erdpotential verbunden. Die Kondensatoren sind jeweils mittels eines Schalters mit dem Ausgang des Impuls-Generators verknüpfbar, wobei die Betätigungseinrichtung mit einem Steuer-Ausgang des Impuls-Generators verbunden ist.

Mit Hilfe dieses Impuls-Generators wird auf einfache Weise ein gleichanteilsfreier, schmalbandiger, rechteckförmiger Impuls mit hohem Spektralanteil bei seiner Mittenfrequenz erzeugt .

Prinzipiell können auch andere Impulsformen beim Überwachungsverfahren verwendet werden, die die bereits genannten spektralen Eigenschaften besitzen. Beispielsweise kann ein symmetrisch zur Zeitachse verlaufender Sägezahnimpuls ebenfalls verwendet werden. Die Erzeugung eines derartigen Impul- ses ist jedoch aufwendiger.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Empfängereinrichtung eine Vorrichtung zur Echtzeit-Aufzeichnung von Echosignalen, eine Recheneinheit, einen Hauptspei- eher und eine Eingangs- und Ausgangsschnittstelle auf, wobei der Steuer-Eingang dieser Einspeiseeinrichtung mit einem Steuer-Eingang der Vorrichtung zur Echtzeit-Aufzeichnung von Echosignalen verbunden ist. Die Recheneinheit ist mit dem Hauptspeicher, der Vorrichtung zur Echtzeit-Aufzeichnung und mit den Schnittstellen verknüpft. Eine Signal-Eingang der

Vorrichtung zur Echtzeit-Aufzeichnung ist mit dem Eingang der Empfängereinrichtung verbunden, wobei eine übergeordnete Anlagen-Steuerung ein- und ausgangsseitig mit der Aus- und Eingangsschnittstelle verknüpft ist.

Durch die Verbindung des Steuer-Ausgangs des Impuls-Generators mit dem Steuer-Eingang der Vorrichtung zur Echtzeit- 11 Aufzeichnung wird diese Vorrichtung auf die Aussendung von Impulsen des Impuls-Generators getriggert. Somit können die Echosignale für eine vorbestimmte Zeit aufgezeichnet werden, dh, dieser Teil der Empfängereinrichtung wird online be- trieben. Die weitere Bearbeitung dieser aufgezeichneten Echosignale erfolgt offline, wobei die Abwicklung dieser weiteren Bearbeitung zentral in der Recheneinheit abgewickelt wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Vorrichtung sind die Ein- speiseanschlüsse der Leitungen der Elektrodenleitung jeweils in einem Abstand von einem Verzweigungspunkt der Elektrodenleitung angeordnet, wobei dieser Abstand insbesondere gleich ein Viertel der Wellenlänge der Freiraumwellenlänge bei Mittenfrequenz des Impulses ist. Durch die Wahl des Abstandes dieser Einspeiseanschlüsse vom Verzweigungspunkt müssen keinerlei Schaltungselemente in die Elektrodenleitung seriell geschaltet werden.

Für die Mittenfrequenz des Einspeiseimpulses transformiert sich der Kurzschluß im Verzweigungspunkt der Elektrodenleitung über die λ/4-lange Leitung in einen Leerlauf an der Ein- speisestelle. Für diese Frequenz ist also die λ/4-lange Leitung mit samt der gesamten HGÜ-Anlage elektrisch nicht vorhanden. Der eingespeiste Impuls sieht bei dieser Frequenz le- diglich den Wellenwiderstand der beiden Leitungen der Elektrodenleitung die zur Erdelektrode und zum Verzweigungspunkt führen. Bei anderen Frequenzen transformiert sich der Kurzschluß im Verzweigungspunkt über die dann nicht mehr λ/4- lange Leitung in eine Reaktanz, die an der Einspeisestelle dem Wellenwiderstand der Leitung parallel geschaltet zu denken ist.

Durch die Ausnutzung anlagenseitiger Gegebenheiten, sowie durch die Anregung des Gegentaktmodes sind keinerlei zusätz- liehe Schaltungsmaßnahmen zur Entkopplung der Meßanordnung von der Station erforderlich. Somit kann auf die teuren Dämpfungsglieder verzichtet werden. 12

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung zur • Überwachung einer Elektrodenleitung einer bipolaren HGÜ-Anlage sind den Unteransprüchen 13 bis 19 zu entnehmen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt ist.

FIG 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Elektrodenleitung einer bipolaren HGÜ-Anlage, die

FIG 2 zeigt ein Prinzipschaltbild des Impuls-Generators der

Vorrichtung nach FIG 1, wobei in FIG 3 in einem Diagramm über der Zeit t ein generierter Impuls veranschaulicht ist, die FIG 4 zeigt ein Prinzipschaltbild der Empfängereinrichtung der Vorrichtung nach FIG 1, in FIG 5 ist in einem Diagramm über Zeit t eine aufgezeichnete Ist-Echokurve einer fehlerfreien Elektrodenleitung dargestellt, wobei in der FIG 6 in einen Diagramm über der Zeit t eine Echodifferenzkurve bei einem Leiter-Erd-Fehler auf der Elektrodenleitung veranschaulicht ist und die FIG 7 zeigt in einen Diagramm über der Zeit t eine statische Soll-Echokurve mit zugehörigem Toleranzband.

Die FIG 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zur Überwachung einer Elektrodenleitung 4 einer bipolaren Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlage, von der der Übersichtlichkeit halber nur eine Stromrichterstation 6 dargestellt ist. Bei einer bipolaren HGÜ-Anlage, die auch als zweipolige Gleichstromubertragung bezeichnet wird, sind die beiden Stromrichterstationen durch zwei Gleichstromleitungen 8 und 10 miteinander verbunden und jede Station weist zwei Stromrichter 12 und 14 auf, die mittels eines Verbindungsbusses 16 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Im normalen Betrieb dieser bipolaren HGÜ-Anlage wird der Gleichstrom nicht durch die Erde zurückgeführt. Aus verschiedenen Gründen, ua, um einen 13 einpoligen Betrieb der Anlage im Falle eines Stromrichter- ausfalls zu ermöglichen, sind auch die Stromrichterstationen m zweipoligen Gleichstromubertragungen mit einem Erdanschluß versehen, der mittels der Elektrodenleitung 4 an der Station 6 am Verbindungsbus 16 angeschlossen ist. Diese Elektrodenleitung 4 ist gegenüber Erde isoliert und besteht normalerweise aus einer Leitung, die an Isolatoren aufgehängt ist. Die hier dargestellte Elektrodenleitung 4 ist vom Verzweigungspunkt 18, dem sogenannten Splitting Point m zwei Leitungen 20 und 22 aufgespalten, die am Ende mit Erdpoten- tial verknüpft sind. Diese Leitungen 20 und 22 der Elektrodenleitung 4 können gegebenenfalls bis 100 km lang sein. Die hier nicht naher dargestellte zweite Stromrichterstation der bipolaren HGÜ-Anlage ist ebenfalls mit einer Elektrodenlei- tung ausgestattet, dh, die HGÜ-Anlage ist spiegelsy me- trisch aufgebaut.

In diese Elektrodenleitung 4 fließt im fehlerfreien Betrieb - also im symmetrischen Betrieb - nahezu kein Strom. Obwohl die Spannung zwischen der Elektrodenleitung 4 und Erde normalerweise klein ist im Verhältnis zu anderen Spannungen m der Anlage, begründet em Erdfehler auf der Elektrodenleitung 4 die Gefahr von Personenschaden oder Schaden an anderen Anlagekomponenten. Aus diesem Grund ist es erforderlich, daß Erd- fehler, einschließlich hochohmiger Erdfehler, schnell und zuverlässig entdeckt werden können. Außerdem ist für den sicheren Betrieb dieser bipolaren HGÜ-Anlage wichtig, auch den Zustand dieser Elektrodenleitung 4 zu kennen. Bei einem Leitungsbruch und einem fehlerhaften Betrieb der HGÜ-Anlage wäre dann em unsymmetrischer Betrieb dieser zweipoligen HGÜ-Anlage nicht mehr möglich.

Zur Überwachung dieser Elektrodenleitung 4, bestehend aus zwei Leitungen 20 und 22, ist die Vorrichtung 2 nach der Er- findung vorgesehen. Diese Vorrichtung 2 weist em Impuls- Echo-Überwachungsgerat 24 und eine Einspeisevorrichtung 26 auf. Dieses Impuls-Echo-Überwachungsgerat 24 besteht aus ei- 14 nem Impuls-Generator 28 und einer Empfangereinrichtung 30. Der Impuls-Generator 28, von dem eine vorteilhafte Ausfuhrungsform naher in der FIG 2 dargestellt ist, ist mittels eines Koaxialkabels 32 mit Emgangs-Anschlussen der Emspeise- Vorrichtung 26 verknüpft. Diese Anschlüsse der Emspeisevor- πchtung 26 sind außerdem mit Emgangsanschlussen der Empfangereinrichtung 30 verbunden. Um e möglichst storungsarmes Signal zu gewahrleisten, sollte dieses Koaxialkabel 32 doppelt geschirmt sein. Außerdem ist em Steuer-Ausgang des Im- puls-Generators 28 mit einem Steuer-Eingang der Empfangereinrichtung 30 mittels einer Steuerleitung 34 verknüpft. Die Einspeisevorrichtung 26 ist ausgangsseitig jeweils mit einem Einspeiseanschluß 36 und 38 der Leitungen 20 und 22 der Elektrodenleitung 4 verbunden. Diese E speiseanschlusse 36 und 38 sind vom Verzweigungspunkt 18 beabstandet angeordnet, wobei dieser Abstand a naherungsweise λ/4 entspricht, wobei λ die Freiraumwellenlange bei der Mittenfrequenz eines generierten Impulses u(t) des Impulsgenerators 28 darstellt. Außerdem sind diese Emspeiseanschlusse 36 und 38 jeweils mit- tels eines Abieiters 40 und 42 mit Erdpotential verbunden. Diese beiden Abieiter 40 und 42 schützen die Emspeisevor- richtung 26 hochspannungsseitig vor transienten Störungen (Blitzemschlag) .

Die Einspeisevorrichtung 26 weist emgangsseitig eine Einrichtung 25 zur Impulsumwandlung und ausgangsseitig zwei Koppelkondensatoren 50 und 52 auf. Die Einrichtung 25 zur Impul- sumwandlung weist einen Trennubertrager 44, zwei Spulen 46 und 48 und zwei Abieiter 54 und 56 auf. Dieser Trennubertra- ger 44 besteht aus zwei Hochspannungswicklungen 58 und 60 und einer Niederspannungswicklung 62. Der Verbindungspunkt 64 der beiden Hochspannungswicklungen 58 und 60 sind mit Erdpotential verbunden. Die beiden Anschlüsse der Niederspannungswicklung 62 bilden die Anschlüsse der Einspeisevorrichtung 26, an denen das Koaxialkabel 32 angeschlossen ist. Die Spule 46 bzw. 48 ist elektrisch parallel zur Hochspannungswicklung 58 bzw. 60 geschaltet. Außerdem ist der Abieiter 54 bzw. 56 15 elektrisch parallel zur Hochspannungswicklung 58 bzw. 60 des Trennubertragers 44 geschaltet. Der Koppelkondensator 50 bzw. 52 verbindet den Einspeisepunkt 36 bzw. 38 mit dem einen Anschluß der Hochspannungswicklung 58 bzw. 60. Diese beiden Koppelkondensatoren 50 und 52 übernehmen die Ankopplung der Einspeisevorrichtung 26 an das Hochspannungspotential der Elektrodenleitung 4. Deshalb müssen diese Koppelkondensatoren 50 und 52 für das entsprechende Hochspannungsniveau der Elektrodenleitung 4 ausgelegt sein. Die beiden symmetrisch zum Erdpotential angeordneten Spulen 46 und 48 bilden zusammen mit den beiden Koppelkondensatoren 50 und 52 jeweils em Hochpaßfilter. Diese Hochpaßfllter blocken die von der Elek- todenleitung 4 kommenden niederfrequenten Störungen, dh, charakteristische Stromoberschwingungen, die von der HGÜ- Anlage erzeugt werden und bei unsymmetrischen Betrieb der HGÜ-Anlage auch durch die Elektronenleitung 4 fließen, ab. Die Abieiter 54 und 56 schützen die Hochspannungswicklungen 58 und 60 des Trennubertragers 44 bei transienten Störungen (Blitzemschlag, Schaltstoß) vor Überspannungen. Diese Ablei- ter 54 und 56 sind für eine viel kleinere Spannung dimensioniert als die Abieiter 40 und 42. Der Trennubertrager 44 sorgt für eine Impedanzanpassung des Wellenwiderstandes des Koaxialkabels 32 an den Wellenwiderstand der Leitung 20 und 22 der Elektrodenleitung 4. Außerdem stellt dieser Trenn- Übertrager 44 einen Symmetrierubertrager dar, der aus einem vom Impulsgenerator generierten erdunsymmetrischen Impuls einen erdsymmetrischen Impuls im Gegentaktmode erzeugt.

Die FIG 2 zeigt em Prinzipschaltbild des Impuls-Generators 28 des Impuls-Echo-Überwachungsgerats 24 nach FIG 1. Dieser Impuls-Generator 28 weist zwei Spannungsquellen 66 und 68, zwei Kondensatoren 70 und 72, zwei Schalter 74 und 76, zwei Widerstände 78 und 80 und eine Betatigungse richtung 82 für die Schalter 74 und 76 auf. Der Kondensator 70 bzw. 72 ist mittels des Widerstandes 78 bzw. 80 mit der Spannungsquelle 66 bzw. 68 elektrisch leitend verbunden. Der Verbindungspunkt 84 der beiden Kondensatoren 70 und 72 ist mit dem Verbin- 16 dungspunkt 86 der beiden Spannungsquellen 66 und 68 verbunden, der außerdem mit Erdpotential verbunden ist. Mit den Widerstanden 78 und 80 wird der Ladestrom der Kondensatoren 70 und 72 eingestellt. Diese Kondensatoren 70 und 72 sind je- weils mittels der Schalter 74 und 76 mit dem Ausgang des Impuls-Generators 28 verbindbar, an dem das Koaxialkabel 32 angeschlossen ist. Als Schalter 74 und 76 sind elektronische Schalter, beispielsweise Transistoren, vorgesehen. Abhangig von der Wahl der elektronischen Schalter ist die Ausgestal- tung der Betatigungsemrichtung 82. Außerdem sind die Schaltfrequenz der Schalter 74 und 76 und die Ladezyklen voneinander abhangig. Wenn die Kondensatoren 70 und 72 geladen sind, wird zum Zeitpunkt t _x zuerst der Schalter 74 für eine vorbestimmte Zeitspanne t ₂ -tι geschlossen. Nach Ablauf dieser Zeitspanne t ₂ -tι wird dieser Schalter 74 geöffnet und gleichzeitig der Schalter 76 geschlossen. Nach einer weiteren vorbestimmten Zeitspanne t ₃ -t ₂ wird dieser Schalter 76 wieder geöffnet. Danach werden beide Kondensatoren 70 und 74 mittels der Spannungsquelle 66 und 68 wieder aufgeladen, um den nach- sten Impuls u(t), wie er m der FIG 3 in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt ist, zu generieren. Mit dem Schließen des ersten Schalters 74 zum Zeitpunkt ti sendet die Betatigungsemrichtung 80 em Trigger-Signal S _τ mittels der Steuer- leitung 34 zum Steuer-Eingang der Empfangereinrichtung 30, die m der FIG 4 naher dargestellt ist.

Der generierte Impuls u(t) gemäß FIG 3 ist symmetrisch zur Zeitachse t, dh, er weist keinen Gleichanteil auf. Außerdem weist dieser Impuls u(t) bei seiner Mittenfrequenz einen aus- geprägten Spektralanteil auf. Die Hohe dieser Mittenfrequenz hangt davon ab, ob beispielsweise auf der Elektrodenleitung 4 Daten übertragen werden, oder ob diese Elektrodenleitung 4 m der Nahe von Energieleitungen verlegt sind, auf denen zusätzlich eine Datenübertragung stattfindet. Eine derartige Daten- Übertragung findet im allgemeinen m einem Frequenzbereich von beispielsweise 30 kHz bis 500 kHz statt. Wenn die Impuls- Breite des generierten Impulses u(t) entsprechend schmal ge- 17 wählt wird, liegt dessen Mittenfrequenz über 500 kHz. Bei- einer Impuls-Breite entsprechend dem Reziprok der Impulsdauer t ₃ -tι von beispielsweise 2 μs beträgt die Mittenfrequenz 500 kHz. Dh, die Impuls-Breite des generierten Impulses u(t) sollte kleiner als 2 μs sein. Da dieser Impuls nur geringe Spektralanteile unterhalb seiner Mittenfrequenz aufweist, ist eine Störung von Datenübertragungseinrichtungen annähernd Null. Prinzipiell können auch andere Impulsformen verwendet werden. Bei der Wahl von anderen Impulsformen sollte jedoch darauf geachtet werden, daß möglichst kein Gleichanteil vorhanden ist und daß ein ausgeprägter Spektralanteil bei einer Mittenfrequenz vorliegt. Mit diesen Bedingungen kann insbesondere der Impuls u(t) gemäß FIG 3 aufwendungsarm mit einem hohen Wirkungsgrad generiert werden. Die Forderung, daß mög- liehst der Impuls keinen Gleichanteil aufweisen sollte, ist darin begründet, daß der Trennübertrager 44 der Einspeisevorrichtung 26 keinen Gleichanteil im Frequenzspektrum des Impulses u(t) übertragen kann.

Die FIG 4 zeigt ein Prinzipschaltbild der Empfängereinrichtung 30 nach FIG 1. Diese Empfängereinrichtung 30 weist eine Vorrichtung 88 zur Echtzeit-Aufzeichnung von Echosignalen, eine Recheneinheit 90, einen Hauptspeicher 92 und eine Eingangs- und Ausgangsschnittstelle 94 und 96 auf. Außerdem weist dieser Empfängereinrichtung 30 noch einen Dokumenta- tionsspeicher 98 und einen Bildschirm 100 auf. Der Eingang der Vorrichtung 88 zur Echtzeit-AufZeichnung von Echosignalen ist mit dem Eingangs-Anschluß der Empfängereinrichtung 30 verknüpft, an dem das Koaxialkabel 32 angeschlossen ist. Au- ßerdem ist ein Steueranschluß dieser Vorrichtung 88 mit dem Steuer-Eingang der Empfängereinrichtung 30 verbunden, mit dem die Steuerleitung 34 verbunden ist. Ausgangsseitig ist diese Vorrichtung 88 zur Echtzeit-Aufzeichnung mit der Recheneinheit 90 verknüpft, die außerdem derartig mit dem Hauptspei- eher 92 und dem Dokumentationsspeicher 98 verknüpft ist, daß Daten ausgetauscht werden können. Eingangsseitig ist diese Recheneinheit 90 noch mit der Eingangsschnittstelle 94, ins- 18 besondere eine binäre Eingangsschnittstelle, und ausgangsseitig mit dem Bildschirm 100 und der Ausgangsschnittstelle 96, insbesondere eine binäre Ausgangsschnittstelle, verknüpft. Mittels dieser beiden Schnittstellen 94 und 96 ist die Emp- fängereinrichtung 30 mit einer übergeordneten Anlagen-Steuerung, die nicht näher dargestellt ist, verbunden. Von dieser Anlagen-Steuerung, die ein Teil einer Leittechnik der HGÜ- Anlage ist, erhält die Empfängereinrichtung 30 Betriebs- und Einstellparameter. Mittels der Ausgangsschnittstelle 96 ge- langt ein generiertes Meldesignal bzw. Zustandssignale zur Leittechnik.

Die Vorrichtung 88 zur Echtzeit-Aufzeichnung von Echosignalen besteht aus einem Analog-Digital-Wandler und einem Speicher, insbesondere einem Schreib-Lese-Speicher, der dem A/D-Wandler nachgeschaltet ist. Dieser A/D-Wandler wird mittels des Trigger-Impulses S _τ vom Impuls-Generator 28 gestartet, dh, der A/D-Wandler beginnt mit der Digitalisierung der analogen Eingangssignale, dh, der einlaufenden Echosignale. Diese digi- talen Abtastwerte werden nach der Digitalisierung abgespeichert. Diese beiden Komponenten der Vorrichtung 88 arbeiten online, dh, die eingehenden Echosignale werden in Echtzeit verarbeitet. Die Höhe der Abtastfrequenz des A/D-Wandlers und die Schnelligkeit der Abspeicherung der digitalen Abtastwerte hängt davon ab, wie lang die Elektrodenleitung 4 ist. Das bedeutet, daß durch die Länge der Elektrodenleitung 4 die Echolaufzeit bestimmt wird und damit der Zeitbereich festgelegt ist, der für eine Auswertung interessant ist. Außerdem ist die Höhe der Abtastfrequenz auch von der Speicherkapazität abhängig. Diese abgespeicherten Abtastwerte bilden als Zeitfunktion eine Ist-Echokurve EK gemäß der FIG 5.

Die weitere Verarbeitung dieser echtzeitermittelten Ist-Echokurve erfolgt nun offline. Dazu werden diese digitalisierten Abtastwerte in den Hauptspeicher 92 kopiert. Außerdem können diese Abtastwerte auf den Bildschirm 100 grafisch dargestellt werden, dh, die in der FIG 5 dargestellte Ist-Echokurve EK 19 erscheint auf dem Bildschirm 100. Diese Ist-Echokurve EK wird mittels der Recheneinheit 90 mit einer im Hauptspeicher 92 abgelegten dynamischen Soll-Echokurve verglichen, dh, es wird eine Echodifferenzkurve EDK berechnet, wie sie bei- spielsweise in der FIG 6 in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt ist. Diese Echodi ferenzkurve EDK wird mit einer oberhalb und unterhalb dieser Echodifferenzkurve EDK verlaufenden konstanten Grenzkurven GKO und GKU versehen. Diese beiden Grenzkurven GKO und GKU bilden somit ein Toleranzband, das zur Auffindung von Fehlerstellen verwendet wird.

Die Ist-Echokurve EK gemäß der FIG 5 zeigt, daß im fehlerfreien Fall der Impuls am Ende der Elektrodenleitung 4 definiert reflektiert wird. Das Echo wird zurückgeworfen und wird am Empfänger im Zeitbereich dargestellt bzw. ausgewertet. Es entsteht beispielsweise diese dargestellte Ist-Echokurve EK, die die Impulsantwort des Gesamtsystems (Koaxialkabel 32, Einspeisevorrichtung 26 und fehlerfreie Elektrodenleitung 4) darstellt. Diese Ist-Echokurve EK stellt quasi einen Finger- abdruck des fehlerfreien Systems dar. In der FIG 5 ist eine typische Ist-Echokurve EK einer ca. 7,4 km langen fehlerfreien Elektrodenleitung 4 dargestellt. Die zugehörige Zeitachse t dieses Diagramms ist in Entfernungskilometern parametriert . Bei dieser Ist-Echokurve EK können mehrere Bereiche unter- schieden werden. Diese Bereiche sind durchnumeriert, die im folgenden aufgeführt sind:

a) Einspeiseimpuls (1) b) Reflexion am Trennübertrager 44 (2) c) Ein- bzw. Ausschwingvorgang der Einspeisevorrichtung (3) d) definierte Reflexion vom Ende der Elektrodenleitung (4)

Tritt nun ein Fehler auf der Elektrodenleitung 4 auf (Leiter- Erd-Fehler oder Leitungsbruch) so entsteht ein zusätzliches Echo von der Fehlerstelle. Dies führt zu einer Veränderung der Ist-Echokurve EK. Gemäß der Darstellung der FIG 6 ist ein Leiter-Erd-Fehler in ca. 4,5 km vom Einspeisepunkt 36,38 ent- 20 fernt und erzeugt em deutliches Echo bzw. einen Ausschlag LEF. Gleichzeitig wird die definierte Ist-Echokurve EK vom Ende der Elektrodenleitung ebenfalls verzerrt, was sich bei der Differenzkurve als em zweiter Ausschlag FZ abbildet. Der zeitlich naher liegende erste Ausschlag LEF stammt immer von der Fehlerstelle und ist für die Fehlerortbestimmung heranzuziehen, falls dies als Angabe gewünscht wird. Aus der Form bzw. aus der Starke des von der Fehlerstelle reflektierten Echos lassen sich im allgemeinen auch Rückschlüsse auf die Fehlerart (Leiter-Erd-Fehler oder Leitungsbruch) ziehen. Für eine dauerhafte Überwachung der Elektrodenleitung 4 auf Fehler reicht es aber aus, die Echodifferenzkurve EDK generell auf Ausschlage LEF hm zu überwachen, die außerhalb des Toleranzbandes liegen.

Wie bereits erwähnt, wird zur Ermittlung der Echodifferenzkurve EDK eine dynamische Soll-Echokurve verwendet. Diese Soll-Echokurve wird aus wenigstens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden aufgezeichneten Ist-Echokurven EKi und EK ₂ ge- bildet, indem aus diesen beiden Kurven EKi und EK ₂ eine Mit- telwert-Echokurve gebildet wird, die dann als Soll-Echokurve abgespeichert wird. Diese Berechnung wird dynamisch fortgesetzt, dh, daß eine neue Ist-Echokurve EK ₃ zur Berechnung einer neuen Soll-Echokurve verwendet wird, wobei die erste Ist-Echokurve EKi nicht mehr verwendet wird. Eine derartige

Berechnung kann mit Hilfe eines Schieberegisters durchgeführt werden, wobei immer eine neue Kurve eingelesen und die zeitlich älteste Kurve ausgelesen wird. Aus den Kurven, die im Schieberegister eingelesen sind, wird die Mittelwert-Echo- kurve berechnet. Somit wird nach jedem Trigger-Impuls S _τ eine neue dynamische Soll-Echokurve berechnet. Diese Berechnung wird erst dann begonnen, wenn der Vergleich einer aktuellen Ist-Echokurve mit einer aktuellen Soll-Echokurve einen fehlerfreien Zustand signalisiert. Mittels Einstellparameter wird festgelegt, wie viele Ist-Echokurven zur Berechnung einer dynamischen Soll-Echokurve verwendet werden sollen. 21 Durch diese Verwendung einer dynamisch, sich zeitlich veränderbaren Soll-Echokurve werden beispielsweise Einflüsse der Jahreszeiten auf die Elektrodenleitung 4 in das Überwachungsverfahren mit eingebunden, so daß eindeutig ein Fehlerfall ermittelt werden kann.

Neben der dynamischen Auswertung findet auch noch eine statische Auswertung statt. Bei dieser statischen Auswertung wird eine feste, zeitlich nicht veränderbare Soll-Echokurve EK*, die einer bestimmten Betriebssituation der Elektrodenleitung 4 zugeordnet ist, verwendet. Diese statische Soll-Echokurve EK* wird mittels einer oberhalb und unterhalb verlaufenden Grenzkurve GKO _d und GKU _d gebildeten Toleranzband gemäß der Darstellung nach FIG 7 umhüllt. Bei der statischen Auswertung wird eine gebildete dynamische Soll-Echokurve derart mit der statischen Soll-Echokurve EK* verglichen, um herauszubekommen, ob diese dynamische Soll-Echokurve noch innerhalb des gebildeten Toleranzbandes liegt. Trifft dies innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes wenigstens einmal nicht zu, wird ein Fehlersignal generiert. Sobald ein Fehlersignal generiert ist, wird die Vorrichtung 2 zur Überwachung einer Elektrodenleitung 4 abgeschaltet, bis diese manuell wieder zurückgesetzt wird. Mit der Generierung eines Fehlersignals wird die momentane dynamische Soll-Echokurve sowie eine Anzahl von vorangegangen Ist-Echokurven zur Dokumentationszwecken im Dokumentationsspeicher 98 zwischengespeichert.

Die Einstellung des Toleranzbandes der statischen Soll-Echokurve EK* und die Einstellung des Toleranzbandes der Echodif- ferenzkurve wird mittels Einstellparameter vorgenommen. Der Aufruf einer statischen Soll-Echokurve EK* , die zu einer bestimmten Betriebssituation der Elektrodenleitung 4 gehört, wird mittels Betriebsparameter bewerkstelligt. Voraussetzung ist, daß im Hauptspeicher 92 mehrere statische Soll-Echo- kurven EK* abgespeichert sind.