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Einrichtung zum Erdschlussschutz von Hochspannungsnetzen mit geerdetem Nullpunkt.
Es sind Einrichtungen zum Erdschlusssehutz von Hochspannungsnetzen bekannt, welche das Zustandekommen des Erdschlussstromes an der Fehlerstelle verhindern oder beschränken. Unter anderem werden zu diesem Zweck Drosselspulen zwischen Nullpunkt des Netzes und Erde geschaltet, welche auf die Teilkapazität des Netzes gegen Erde abgestimmt sein können. Bei genauer Ab timmung tritt im Erdschlussfalle an diesen Drosselspulen eine Spannung auf, welche annähernd grössen- und phasengleich mit der Spannung der kranken Phase ist.
Da nun die Spannung des Netzes infolge des Erdschlusses ebenfalls um die Spannung der kranken Phase gehoben wird, so ist in dem die Fehlerstelle enthaltenden Stromkreis (Fehlerstelle-Erde-Drosselspule-Wicklung-Leitung-Fehlerstelle) die Summe der Spannungen gleich Null. Ein grösserer Erdschlussstrom und ein Erdschlusslichtbogen kommt daher nicht zustande. Wenn damit auch die Gefahren eines Erdschlusses für den Netzbetrieb erheblich herabgesetzt sind, so ist ein Fehler dieses Systemes doch darin zu erblicken, dass es ausserordentlich schwierig ist, zu erkennen, in welchem Leitungsteil sich die Fehlerstelle befindet. Das ganze Netz, kranke und gesunde Leitungsstelle, zeigen die gleiche Spannungsverlagerung gegenüber dem normalen Spannungszustand des Netzes.
Nun kann aber auch bei dem geschützten Netz bei Dauererdschluss die Abschaltung des kranken Leitungsteiles nicht vermieden werden, weil schliesslich ein doppelter Erdschluss, welcher einem Netzkurzschluss gleichkäme, auftreten könnte. Ist aber der kranke Leitungsteil als solcher nicht zu erkennen, dann ist das Aufsuchen der Fehlerstelle schwierig, zeitraubend und ohne Störung des ganzen Netzbetriebes nicht ausführbar.
Ein anderer Nachteil dieses Systems ist der, dass die Wicklungen und Klemmen der Generatoren und Transformatoren des Netzes im Erdschlussfalle gegen Eisen mit der Aussenleiterspannung des Netzes beansprucht werden, so dass die Prüfspannung dieser Maschinen und Apparate bedeutend höher eingesetzt werden muss, als wie es bei direkter (d. h. ohne Zwischenschaltung einer Drosselspule) Erdung des Netznullpunktes nötig wäre.
Die Vermeidung dieser Nachteile ist Aufgabe der Erfindung, welche sowohl das Entstehen des Erdschlusslichtbogens verhindert, als auch es ermöglichen soll, die Spannungsverlagerung auf den kranken Netzteil zu beschränken und uns dadurch Mittel an die Hand zu geben, diesen Netzteil als fehlerhaft zu erkennen und ihn abzuschalten.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine Einrichtung zum Erdschlussschutz von Hochspannungnetzen mit geerdetem Nullpunkt, bei welcher in Reihe zu den von der Stromquelle (bzw. den Sammelschienen) abgehenden Phasenleitern des Netzes Spulen eingeschaltet sind, welche unter sich durch einen gemeinsamen einphasigen Magnetkreis induktiv verkettet und derart angeordnet und bemessen sind, dass bei gesundem Netz die Amperewindungen der einzelnen Spulen einander entgegenwirken, dass aber im Erdsehlussfalle die von kapazitiven Strömen durchflossenen Spulen der gesunden Leitungen in der in der kranken Leitung, also im Erdschlussstromkreis, liegenden Spule eine EMK.
induzieren, welche die auf diesen Stromkreis wirkende Spannung der kranken Phase mindestens so weit kompensiert, dass der noch zustande kommende Erdschlussstrom zur Bildung eines Dauerliehtbogens nicht ausreicht.
Die Erfindung sei an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In Fig. 1 ist schematisch ein von einer Generator- bzw. Transformatorwicklung abgespeistes Einphasennetz m n dargestellt. Der Spannungsnullpunkt des Netzes, hier der Mittelpunkt o der Wicklung a b, ist direkt geerdet. Nun ist erfindungsgemäss zwischen die Wicklung a und dem zugehörigen
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Belastungsstrom nicht gedrosselt wird. Die Teilkapazitäten der Netzleiter gegen Erde sind mit p und q bezeichnet. Auch die Ladeströme des gesunden und symmetrischen Netzes werden dann kein Feld in dem Magnetkreis erzeugen. Tritt aber eine kapazitive Unsymmetrie oder gar ein Erdschluss auf, dann entsteht eine Ungleichheit der Ströme in den beiden Spulen d und e in dem Masse, in welchem die Erdverbindung des Nullpunktes Strom führt.
Diese Differenz der Amperewindungen wirkt auf den gemeinsamen Magnetkreis der Spulen magnetisierend, so dass ein Feld entsteht, welches eine der Spannung der kranken Phase entgegenwirkende EMK. in der in Reihe zur kranken Phase liegenden Spule erzeugt.
Bei entsprechender Bemessung des Eisens und der Windungszahl lässt sich erreichen, dass die Spannung der kranken Phase durch die in der zugehörigen Spule induzierte EME. vollkommen kompensiert wird (wenn man von dem Einfluss des Ohmschen Widerstandes absieht). Ein Erdschlussstrom und Erdschluss- lichtbogen kommt demnach nicht zustande. Das Vektordiagramm der Spannungen und Ströme ist für diesen Fall durch Fig. 2a veranschaulicht. Der Leiter m der Fig. 1 hat bei gesundem Netz gegen Erde
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die Spannung ab = 2 E.
Sei oi", der Strom im Netzleiter m, oi, der Strom im Netzleiter 11, dann ist klar, dass sie in bezug auf den gemeinsamen Magnetkreis der Spulen d und e sich in Gegenphase zueinander befinden. oim und oin sind demgemäss im Diagramm der Fig. 2a um 180 gegeneinander versetzt gezeichnet.
Wird das Netz entlastet, dann geht oim in oid, oin in oi@ über, wobei oiz und oie die kapazitiven Ladeströme des Netzes bedeuten. Die der Netzbelastung entsprechenden Stromkomponenten id im und i@ in bleiben bei einem Erdschluss unverändert und kompensieren sich im Magnetkreis der Spulen d und e ständig. Sie können für die weitere Betrachtung daher unberücksichtigt bleiben. Wenn man nun annimmt, der Leiter n gerate in Erdschluss, dann verschwindet der Ladestrom oiS, während der Strom oi" auf den doppelten Wert steigt, weil die Spannung gegen Erde des Leiters m auf das Doppelte gehoben wird.
Da nun aber der Punkt o. (Fig. l) direkt mit Erde verbunden ist, kann diese Hebung der Netzleiterspannung nur erfolgen, wenn zwischen Wicklung a und Leiter m eine Spannung eingefügt wird, welche der Differenz 2 E-B = E entspricht. Betrachtet man den Magnetkreis der Spulen d und e, so geht aus Fig. 2 b hervor, dass der jetzt in der Spule d fliessende, voreilende Strom 0, 7 durch die doppelte Grösse des Stromes oil nach Fig. 1 aufweist, ein Feld # erzeugen wird, welches in dieser Spule d selbst, wie auch in der Spule e Spannungen induziert, die in Phase mit den Spannungen o a bzw. o b sind.
Der Eisenquersehnitt und die Windungszahl der Spulen kann so gewählt werden, dass die induzierten Spannungen auch grössengleich mit der Phasenspannung E des Netzes sind. In diesem Falle addieren
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vektoren o a + a c zu 2 E. Für die Bemessung der Spulen zum völligen Unterdrücken des induktiven oder kapazitiven Erdschlussstromes lassensichfolgende Gleichungen aufstellen.
Im Erdschlusskreis muss sein
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wo J, ; der Ladestrom des gesunden Leiters, M der Koeffizient der gegenseitigen Induktion der Spulen (l und e, to die Kreisfrequenz des Netzes, E die Spannung der kranken Phase ist.
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auf die einzelnen Phasen durch entsprechend unsymmetrische Bemessung der einphasig verketteten Reihenspulen oder durch zusätzliche, zwischen die Phasenleiter des Netzes und Erde geschaltete Drosselspulen ausgleichen.
Die Fig. 3,4, 5 und ss veranschaulichen den Gegenstand der Erfindung an Mehrphasensystemen.
In Fig. 3 bedeutet a, b, e das Wicklungssystem einer dreiphasigen Stromquelle, wobei unter Stromquelle die Wicklung eines Generators, Motors, Transformators, Umformers oder äquivalenten Einrichtung zu verstehen ist. Der Nullpunkt 0 dPl'Wicklung ist direkt geerdet. Mit den abgehenden Netzleitungen h, i, k sind die Spulen d, ein Reihe geschaltet, welche sich auf dem gemeinsamen einphasigen Magnetkreis g befinden. Bei normalem Netzbetrieb ist die resultierende Ampprewindungszahl dieses Magnetkreises gleich Null. Im Erdschlussfalle entsteht aber ein Feld, welches aus den Amperewindungen der in den gesunden Leitungen eingeschalteten Spulen resultiert und zeitlich senkrecht auf der Spannung der kranken Phase steht.
Dieses Feld erzeugt in allen drei Spulen d, e und f gleichtete Spannungen, die richtungs-und grossengleich mit der Spannung der kranken Phase sind. Diese Spannungen addieren sich mit den Spannungen der Stromquelle und ermöglichen die Spannungsverlagerung des Netzes derart
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lass die Spannung zwischen dem kranken Leiter und Erde verschwindet, während die beiden Netzleiter gegen Erde die \/3 fache Spannung aufweisen.
Fig. 4 zeigt, dass die Verkettung der drei Spulen d, e, und 1 auch indirekt mit Hilfe von drei Einphasentransformatoren erfolgen kann, deren primäre Wicklungen sie darstellen, während die Sekundärwicklungen g, h, i dieser Transformatoren derart in Dreieck geschaltet sind, dass sich bei normalem Netzzustand die EMK. in diesem Stromkreis aufheben.
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Zeit erfolgen.
Damit ist nun aber ferner auch der Selektivschutz des Netzes möglich gemacht. Bringt man die Sehutzspulen in einem Netz etwa nach dem Schema der Fig. 6 an, in welcher f1, 1,.. dite Transformatoren des Netzes, f1, f2, f3 ... die von den Sammelschienen abgehenden Leitungen darstellen und schaltet man in jede dieser Leitungen besondere Schutzspulen x."x"x,... ein, dann wird bei Erdschluss in einer der Zeigleitungen mir die Spannung dieser Leitung gegen Erde verlagert, während die andern Leitungen von dem Erdschluss überhaupt nichts merken. An den Voltmetern ist sofort die kranke Leitung zu erkennen und es ist möglich, sofort an die Beseitigung der Störungsursache zu gehen.
Lässt sich die Störung nicht schnell genug beheben, dann kann man die Leitung von Hand oder durch eine von der Zeit abhängige, selbsttätig wirkende Einrichtung nach Verlauf eines beliebig wählbaren Zeitraumes abschalten. Bei dem Schema nach Fig. 6 ist jedoch das Sammelschienensystem selbst nicht mitgesehützt ; ein Erdschluss in diesem würde einen Kurzschluss bedeuten.
Aus diesem Grunde ist es empfehlenswert, entweder gemäss Fig. 7 die Schutzspulen schon in das Sammelschienensystem zu legen, wobei sie aber aus parallelen, ab-und zuschaltbaren Teilen a ; und zur EinsteHung auf die Zahl der eingeschalteten Netzleitungen bestehen müssten, oder aber, was einfacher ist, die Erdung des Trans-
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Widerstand, welcher so bemessen ist, dass er den Kurzschlussstrom in noch zulässigen, unschädlichen Grenzen hält. Hiebei wird man auf eine vorübergehende Abschaltung des Netzes bedacht sein müssen, weil eine solche Störung in der Zentrale selbst unbedingt schnellstens zu beheben ist.
Die Verwendung von Ohmschem Widerstand w in der Erdungsleitung (siehe Fig. 4) kann aber auch in bekannter Art aus dem Grunde erfolgen, um dem Netz eine gewisse Dämpfung zu geben, damit aus ande n Gründen verursachte Überspannungen gemildert werden. Die Widerstände können zu diesem Zweck auch parallel zu den Schutzspulen geschaltet sein. Die Einstellung der Schutzspulen auf die Teilkapazität des Netzes gegen Erde kann in an sich bekannter Weise durch Abschaltung von Windungsteilen erfolgen. Fig. 8 zeigt eine Dreiphasenschutzspule d, e, 1 mit Anzapfungen und regelbarem Anschluss. Wichtig ist die Frage der Spulenabstimmung hinsichtlich des Betriebes der gesunden Leitungen. Bei Normalbetrieb des Netzes herrscht an den Spulen die Spannung o, falls die Teilkapazitäten der einzelnen Netzleiter gegen Erde die gleichen sind.
Liegt aber eine unsymmetrische Kapazitätsverteilung vor, dann tritt bei genauer Abstimmung (Resonanzabgleichung) auch eine Spannungsverlagerung des gesunden Netzes ein. Man wird daher zweckmässig die Abstimmung der Spulen so wählen, dass als äusserste Annäherung an den zu vermeidenden Wert für genaue Abstimmung
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für die gegenseitige Induktivität der Spulen der Ausdruck
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zu gelten hat, wo 1n für Einphasenstrom = 2, für Dreiphasenstrom = 3 zu setzen ist und unter C.,. die Teilkapazität gegen Erde derjenigen Phase zu verstehen ist, welche die kleinste oder grösste Teil kapazität gegen Erde hat.
Um nun aber bei Abschaltung von Leitungsteilen nicht doch in die Resonanz hinein zu kommen, ist es zweckmässig, die Verstimmung derart zu wählen, dass
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da dann ein Abschalten von Leitungsteilen die Verstimmung vergrössert. Es kann besonders beim Abschalten von Leitungsteilen auch der Fall eintreten, dass die Schaltkontakte nicht gleichzeitig unterbrechen. Unter Umständen führt dies zu kurzseitigen, grossen Kapazitätsunsymmetrien des Netzes und daher zu Überspannungen. Diesen kann man dadurch begegnen, dass man die Sehutzspulen derart
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bemisst, dass sie schon unter Phasenspannung auf dem gekrümmten Teil der Sättigungskurve arbeiten.
Durch die hohe Sättigung wird die Spannungsverlagerung begrenzt. Um bei parallelen, z. B. auf gleiche Gestänge verlegten Netzen die Resonanz und gegenseitige kapazitive Beeinflussung zu vermeiden, wird
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Punkte der beiden Netze durch auf die gegenseitige Kapazität der Netze abgestimmte Drosselspulen begegnet werden. Die in die Netzleitungen eingeschalteten Schutzspulen werden dauernd vom Hauptstrom des Netzes durchflossen. Um die Dauerverluste in diesen Spulen klein zu halten, ist es zweckmässig, sie mit wenig Kupfer und vielem Eisen zu bauen. Das Verhältnis von Kupferverlust und Eisenverlust (die Verluste bezogen auf die maximale Beanspruchung der Wicklung und des Eisens) soll kleiner als 1 sein. Die den verschiedenen Phasen angehörige Spulen sollen unter sich gut verkettet sein, damit der Belastungsstrom des Netzes möglichst keine Drosselung erfährt.
An sich ist aber der induktive Spannungsabfall in den Schutzspulen nicht ungünstig, dient er doch dazu, die Wirkungen eines Netzkurzschlusses zu mildern. Wollte man Dauerverluste durch die Schutzspulen durchaus vermeiden, dann könnte man diese durch einen als Schnellschalter ausgebildeten Kurzschliesser überbrücken und Einrichtungen vorsehen, welche den Schnellschalter bei Eintritt eines Erdschlusses, z. B. durch den in der Verbindungsleitung zwischen Nullpunkt und Erde fliessenden Strom öffnet.
Der Schutzbereich der beschriebenen Einrichtung erstreckt sich nur auf elektrisch zusammen-
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dann erfordert jeder dieser Teile eine besondere Schutzeinrichtung.
Es ist möglich, die beschriebene Schutzeinrichtung mit dem bekannten Erdschlusssehutz durch Nullpunktsdrosselspulen oder durch Polerdung über Drosselspulen zu kombinieren. Bei dieser Kombination tritt eine teilweise Verlagerung der Spannung der Stromquelle auf, die um so grösser wird, je grösser die Induktivität der Nullpunktsdrosselspulen bzw. Erdungsdrosselspulen im Vergleich mit der Induktivität der Spulen der beschriebenen Einrichtung ist. Bei der Abgleichung ist die Summe der Induktivitäten aller Einrichtungen in Rechnung zu setzen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Erdschlussschutz von Hochspannungsnetzen mit geerdetem Nullpunkt, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu den von der Stromquelle (bzw. den Sammelschienen) abgehenden Phasenleitern des Netzes Spulen geschaltet sind, welche unter sich durch einen gemeinsamen einphasigen Magnetkreis induktiv verkettet und derart angeordnet und bemessen sind, dass sich bei gesundem Netz die Amperewindungen der einzelnen Spulen entgegenwirken, dass aber im Erdschlussfalle die von kapazitiven Strömen durchflossenen Spulen der gesunden Leitungen in der in der kranken Leitung, also im Erdsehlussstromkreis liegenden Spule eine elektromotorische Kraft induzieren, welche die in diesem Stromkreis wirkende Spannung der kranken Phase mindestens so weit kompensiert,
dass der noch zustande kommende Erdschlussstrom zur Bildung eines Dauerlichtbogens nicht ausreicht.