Trägerstromschutz von Übertragungsleitungen

Trägerstrom-Schutzsystem für Übertragungsleitungen

Das Trägerstrom-Schutzsystem wird hauptsächlich zur Sicherung von langen Übertragungsleitungen eingesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schutzmethoden, die auf dem Vergleich der tatsächlichen Stromwerte basieren, funktioniert dieses System durch den Vergleich der Phasenwinkel der Ströme an beiden Enden der Leitung. Basierend auf der Phasenwinkelsbeziehung kann es präzise feststellen, ob ein Fehler innerhalb des geschützten Leitungsbereichs (interner Fehler) oder außerhalb davon (externer Fehler) auftritt. Der Trägerkommunikationskanal, eine wesentliche Komponente dieses Schutzsystems, besteht aus vier Hauptelementen: einem Sender, einem Empfänger, Kopplungsausrüstung und einer Leitungsfalle.

Der Trägerstromempfänger ist dafür verantwortlich, den Trägerstrom vom Sender am entgegengesetzten Ende der Leitung aufzufangen. Nach dem Empfang wandelt er diesen Trägerstrom in eine Gleichspannung (Gleichstromvoltage) um. Diese Gleichspannung dient als Steuersignal, das von Relais oder anderen elektrischen Schaltkreisen genutzt werden kann, um spezifische Schutzfunktionen auszuführen. Es ist bemerkenswert, dass, wenn kein Trägerstrom empfangen wird, die Ausgangsspannung des Empfängers auf Null fällt, was einen Unterbruch der Kommunikationsverbindung oder eine mögliche Veränderung des Betriebszustands des Systems anzeigt.

Die Leitungsfalle, die zwischen der Busleitung und der Verbindung des Kopplungskondensators zur Übertragungsleitung positioniert ist, ist ein parallel geschaltetes LC-Netzwerk (Induktivität-Kapazität), das sorgfältig auf hohe Frequenzen abgestimmt ist. Ihre Hauptfunktion besteht darin, den Trägerstrom innerhalb des geschützten Leitungsbereichs einzuschränken. Auf diese Weise verhindert sie effektiv Störungen durch andere benachbarte Trägerstromkanäle und gewährleistet die Integrität und Genauigkeit des Betriebs des Schutzsystems. Darüber hinaus spielt die Leitungsfalle eine entscheidende Rolle bei der Minimierung des Verlusts des Trägerstromsignals an benachbarten Stromkreisen, was die Gesamtreliabilität des Trägerkommunikationskanals und der damit verbundenen Schutzfunktionen verbessert.

Trägerstromschutz: Komponenten und Methoden

Der Kopplungskondensator hat im Trägerstromschutzsystem eine doppelte Funktion. Er verbindet die Hochfrequenz-Ausrüstung mit einem der Leiter, um die Übertragung von Trägersignalen zu ermöglichen. Gleichzeitig isoliert er die Stromversorgungsausrüstung von der Hochspannung der Stromleitung. Unter normalen Betriebsbedingungen fließt der elektrische Strom nur durch den Leiter. Bei Hochfrequenz-Trägerströmen jedoch zirkuliert er entlang des Leiters, der mit Hochfrequenzfallen ausgestattet ist, durch den Fallenkondensator und dann zur Erde.

Methoden des Trägerstromschutzes

Es gibt mehrere Methoden des Trägerstromschutzes, wobei die beiden grundlegenden Formen der Richtungsvergleichsschutz und der Phasenvergleichsschutz sind. Diese Methoden werden im Folgenden detailliert beschrieben:

1. Richtungsvergleichsschutz

Im Richtungsvergleichsschutzsystem beruht der Schutzmechanismus darauf, die Richtung des Energieflusses während eines Fehlers an beiden Enden der Übertragungsleitung zu vergleichen. Die Schutzrelais schalten nur, wenn die Energie an beiden Enden der Leitung vom Bus zur Leitung fließt. Nach dem Vergleich der Richtungen übermittelt das Trägerpilotrelais Informationen darüber, wie die Richtungsrelais am gegenüberliegenden Ende auf ein Kurzschlussereignis reagieren.

Relais an beiden Enden der Leitung arbeiten zusammen, um den Fehler vom Bus zu isolieren. Im Falle eines internen Fehlers innerhalb des geschützten Bereichs fließt die Energie in der Schutzrichtung. Umgekehrt fließt die Energie bei einem externen Fehler in die entgegengesetzte Richtung. Während eines Fehlers wird ein einfaches Signal über den Trägerpiloten von einem Ende der Leitung zum anderen übertragen. Pilotenschutzrelais-Schemata, die für den Schutz von Übertragungsleitungen verwendet werden, lassen sich hauptsächlich in zwei Arten unterteilen:

• Trägerblockierschutzschema: Dieses Schema beschränkt die Funktion des Relais. Es wirkt, indem es den Fehler blockiert, bevor er in den geschützten Bereich des elektrischen Systems eindringen kann. Das Trägerblockierschutzschema wird wegen seiner Zuverlässigkeit hoch angesehen, da es die Systemausrüstung effektiv vor potenziellen Schäden schützt.

• Trägerzulassungsblockierschema: Im Gegensatz zum Blockierschema erlaubt dieses Schutzschema, dass der Fehlerstrom in den geschützten Bereich des Systems eindringt.

2. Phasenvergleichs-Trägerschutz

Das Phasenvergleichs-Trägerschutzsystem konzentriert sich darauf, die Phasenbeziehung zwischen dem in den Pilotbereich eintretenden Strom und dem aus dem geschützten Bereich austretenden Strom zu vergleichen. Bemerkenswerterweise beinhaltet dieser Schutz nicht den Vergleich der Ströme an sich. Diese Schutzmethode bietet hauptsächlich den Haupt- oder Primärschutz, und es ist daher notwendig, sie mit einem Rückgriffsschutz zu ergänzen. Das Schaltbild des Phasenvergleichs-Trägerschutzschemas ist in der unten angegebenen Abbildung dargestellt.

Funktionsweise und Vorteile des Trägerstromschutzes

Die auf der Übertragungsleitung installierten Stromwandler (CTs) versorgen ein Netzwerk mit Energie. Dieses Netzwerk wandelt den Ausgangsstrom der CTs in eine einphasige sinusförmige Ausgangsspannung um. Diese Spannung wird sowohl in den Trägerstromsender als auch in den Vergleicher eingespeist. Ebenso wird der Ausgang des Trägerstromempfängers ebenfalls in den Vergleicher geleitet. Der Vergleicher spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Funktion eines Hilfsrelais, das wiederum bei Bedarf die Abschaltung des Übertragungsleitungs-Hauptschalters auslöst.

Vorteile des Trägerstromschutzes

Trägerstromschutzsysteme bieten mehrere bedeutende Vorteile, die im Folgenden aufgeführt sind:

• Gleichzeitiges und schnelles Ausschalten von Hauptschaltern: Einer der Hauptvorteile ist die Möglichkeit, schnell und gleichzeitig die Hauptschalter an beiden Enden der Übertragungsleitung auszuschalten. Diese koordinierte Aktion stellt sicher, dass Fehler schnell isoliert werden, wodurch die Dauer ungewöhnlicher Zustände im elektrischen System minimiert wird.

• Effizientes Fehlerabschalten: Das System verfügt über einen schnellen Fehlerabschlussprozess. Indem es den Fehlerstrom schnell unterbricht, verhindert es effektiv schwere Auswirkungen auf das elektrische System, reduziert das Risiko von Schäden an Geräten und gewährleistet die Stabilität des Systems.

• Integrierte Signalübertragung: Der Trägerstromschutz eliminiert die Notwendigkeit für separate Signalleitungen. Stattdessen werden die Stromleitungen selbst zur Übertragung sowohl von elektrischer Energie als auch von Kommunikationssignalen genutzt. Dies vereinfacht die Gesamtsystemgestaltung, reduziert die Installationskosten und minimiert das Potenzial für Störungen durch externe Quellen.

• Ultra-schnelles Ausschalten: Es ermöglicht das Ausschalten der Hauptschalter an beiden Enden der Leitung innerhalb von nur einem bis drei Zyklen. Diese extrem kurze Reaktionszeit ist entscheidend für den Schutz moderner, hochkapazitiver elektrischer Systeme und die Gewährleistung einer zuverlässigen Stromversorgung.

• Kompatibilität mit moderner Ausrüstung: Das Trägerstromschutzsystem ist sehr kompatibel mit modernen, schnell reagierenden Hauptschaltern. Diese Synergie ermöglicht eine noch effizientere und zuverlässigere Relaissteuerung und verbessert die Gesamtleistung und Schutzfähigkeiten des elektrischen Netzes.

• Vielseitige Anwendungen: Historisch gesehen wurde die Trägerstromtechnologie in Stromleitungen für verschiedene Zwecke eingesetzt, einschließlich Fernsteuerung, Telefonkommunikation, Telemetrie und Relaissteuerung. Diese Vielseitigkeit macht es zu einem wertvollen Bestandteil in elektrischen Energieversorgungssystemen, indem es die nahtlose Integration mehrerer Funktionen in einer einzigen Infrastruktur ermöglicht.