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Vorrichtung zur Bestimmung der grössten oder kleinsten Strom- oder Spannungs- phase oder des Unsymmetriegrades eines Drehstromnetzes.
Um festzustellen, in welcher Phase der grösste oder kleinste Wert von Strom oder Spannung herrscht, wenn die Symmetrie eines Drehstromnetzes gestört ist, muss man in sämtlichen Phasen Messinstrumente einbauen und ihre Angaben miteinander vergleichen. Dass man an einem einzigen Instrument den grössten oder kleinsten Wert von Strom und Spannung ablesen kann, ist bisher nicht bekannt. Diese Möglichkeit kann aber von Nutzen sein, zumal man nicht allein diesen Wert feststellen, sondern auch selbsttätig irgendwelche Wirkungen von ihm abhängig machen kann, wie dies z. B. bei Leitungsschutz- einrichtungen erforderlich wird. Derartige Einrichtungen sollen z.
B. dann in Tätigkeit treten, wenn ein Kurzschluss auftritt, u. zw. wird häufig die Aufgabe gestellt, dass der grösste der drei Ströme oder die kleinste der drei Spannungen die Schutzeinrichtungen in ganz bestimmter Weise beeinflussen soll Es lässt sich aber niemals voraussehen, in welcher der drei Phasen die grössten oder kleinsten Werte von Strom oder Spannung auftreten werden.
Der Erfindung liegt die bekannte Tatsache zugrunde, dass die Phasen (Strom oder Spannung) eines beliebig unsymmetrischen Systems, solange nur ihre geometrischer Summe gleich Null bleibt, ersetzt werden können durch die Phasen zweier inverser symmetrische Systeme, von denen das eine bei vollkommener Symmetrie der Phasen verschwindet. Je zwei zusammengehörige Phasen der symmetrischen Systeme ergeben geometrisch addiert eine Phase des unsymmetrischen Systems, die grösste Phase ergibt sich also aus den beiden Phasen der symmetrischen Systeme, die gegenseitig die geringste Phasenverschiebung haben. Diese Phasenverschiebung kann nicht grösser sein als 60 . Gemäss der Erfindung wird dieser Phasenverschiebungswinkel vernachlässigt, d. h. an Stelle der geometrischen Summe wird die Summe der absoluten Werte gesetzt.
Es ergibt sich dann mit einer für die Praxis in den meisten Fällen ausreichenden Genauigkeit stets die grösste Phase des Systems ganz unabhängig davon, welche Phasen der beiden symmetrischen Systeme für die Zusammensetzung gerade benutzt werden. Was für die grösste Phase gilt, gilt auch für die kleinste ; werden die absoluten Werte subtrahiert, so ergibt sich auch hier mit einer für die Praxis ausreichenden Genauigkeit die kleinste Phase des Systems.
Um die Grösse der beiden symmetrischen Systeme festzustellen, werden zwei beliebige Phasen des betreffenden Systems in je zwei um 30 der Phase vor-bzw. nacheilende Komponenten zerlegt ; die geometrische Summe aus der voreilenden Komponente der einen Phase und der nacheilenden Komponente der andern Phase ist dann eine Phase eines der inversen symmetrischen Systeme. Die Zusammensetzung der absoluten Werte lässt sich leicht in der Weise durchführen, dass man jede Komponente einzeln auf ein gemeinsames bewegliches System einwirken lässt. Wird die Erfindung für den Schutz elektrischer Leitungen gegen Kurzschluss angewendet, so ergibt sich auch gleichzeitig der Vorteil, dass ihre Wirksamkeit auch dann nicht beeinträchtigt wird, wenn ein dreiphasiger Kurzschluss auftritt und das zu schützende Drehstromnetz symmetrisch bleibt.
Zur Erläuterung ist in Fig. 1 ein Beispiel für eine Vorrichtung gemäss der Erfindung schematisch dargestellt.
Es sind R, ss und T die drei Leiter eines Drehstromes. Die in den Leitern Rund S fliessenden Ströme speisen zwei Stromwandler 1 und 2. Ferner sind eine Selbstinduktion 3 und ein Ohmscher Wider-
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stand 4 an ihren beiden Endert über die Erregerwicklungen zweier Wechselstrommagnete 5 und 6 zu einem leitenden Ring miteinander verbunden. Die Wechselstrommagnete 5 und 6 besitzen KurxschJuss-
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Gegen den Strom des Leiters R haben die beiden Komponenten R1 und R2 dann eine Phasenverschiebung von 300 Voreilung und Nacheilung.
Über diese Ströme im Ring überlagern sich die vom Punkte 21 zum Punkte 22 fliessenden Teil-
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proportional ist. Der Teilstrom 81 fliesst über die Erregerwicklung des Triebmagneten 5 und den Wider- stand 4 zum Punkte 22, und der Teilstrom 82. erreicht den Punkt 22 über die Selbstindnktlonsspulen 3 und die Erregerwicklung des Triebmagneten 6. Auch die Teilströme 81 und 82 eilen dem in dem Leiter S fliessenden Strom um 30 vor und nach.
Wie aus der Fig. 1, in der die Teilströme durch Pfeile angedeutet sind, ohne weiteres ersichtlich ist, fliessen durch die Erregerspule des Triebmagneten 5 die Ströme 81 und jssj. d. h. die geometrische Summe aus dem voreilenden Teilstrom der Phase 8 und dem nacheilenden Teilstrom der Phase A Die Ferrarisscheibe 7 erfährt daher ein Drehmoment, welches ein Mass für die Grösse dieses resultierenden Stromes ist. Der Erregerstrom des Triebmagneten 6 ist der aus den beiden übrigen Teilströmen, dem seiner Phase R voreilenden Teilstrom Ru und dem der Phase S nacheilenden Teilstrom S2 resultierende Strom und er übt auf die Ferrarisscheibe 8 ein analoges Drehmoment aus.
In Fig. 2 ist für eine unsymmetrische Belastung des Drehstromnetzes R, S, T das Vektordiagramm der in der Anordnung gemäss Fig. l fliessenden Ströme gezeichnet. Die drei Leiterströme sind mit R, S und T bezeichnet. Der Strom der Phase R, wird zerlegt in die 30 vor- und nacheilenden Komponeneten R1 und R2. Die gleiche Zerlegung des Stromes der Phase 8 liefert die Komponenten S1 und S2. Aus dem voreilenden Strom Pt, und dem nacheilenden Strom S2 wird die geometrische Summe R1 + 82 gebildet. Dieser Summenstrom durchfliesst die in Fig. 1 sichtbare Erregerwicklung des Triebmagneten 6.
Der aus dem nacheilenden Strom Rl und dem voreilenden Strom S1 resultierende Strom R2 + S1 erregt den
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zusammensetzen lässt.
Die Addition der absoluten Beträge der beiden resultierenden Ströme gemäss der Erfindung erfolgt z. B. dadurch, dass die beiden Ferrarisscheiben 7 und 8 durch die gemeinsame Welle 9 miteinander
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wirkung der ströme. Z. B. ist der Durchhang eines gespannten Drahtes, der in der einen Hälfte von dem einen und in der andern Hälfte von dem zweiten Strom geheizt wird, nur von der Grosse, aber nicht von der gegenseitigen Phasenlage der Ströme abhängig. Es lässt sieh anderseits von der Differenz der
Längenänderung zweier von den Strömen geheizter Drähte oder Stäbe die Bewegung eines Körpers ableiten, dessen Stellung dann jeweils der arithmetischen Differenz der zwei Heizströme entspricht.
Die Wärmewirkung der zu addierenden Ströme kann auch durch Induktionswirkung der von den Strömen hervorgerufenen Wechselfelder zustande kommen.
Noch eine andere Art, die arithmetische Summe oder Differenz zweier Wechselströme zur Geltung zu bringen, besteht darin, dass die Ströme gleichgerichtet und dann beispielsweise in gleicher oder ent- gegengesetzter Richtung zusammengeschaltet werden. Der resultierende Strom stellt dann die arithme- tische Summe- oder Differenz der beiden gleichgerichteten Ströme dar.
Ein Anordnungsbeispiel zur Ermittlung der kleinsten Phasengrösse zeigt Fig. 3 für die Spannung.
Von den Drehstromleitern R, S, T werden die Spannungen gegen einen künstlichen Nullpunkt 30 gebildet. Die zwischen den Leitern R, S, T und dem Nullpunkt 30 liegenden Widerstände sind derart
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voreilenden Komponente der Sternspannnng der Phase S addiert, die an dem induktiven Widerstand herrscht. Die aus je einer Komponente der Stcrnspannung der Phasen Rund S gebildete resultierende Spannung speist die Wicklung eines Triebmagneten 37, der auf die Ferrarisscheibe 39 ein Drehmoment ausübt.
In gleicher Weise treibt die ans der nacheilenden Komponente der Sternspannung der Phase T, die am Ohmschen Widerstand 36 liegt. und die voreilende Komponente der Phasenspannung S, welche, wie oben beschrieben, in der Sekundärwicklung des Isolierwandlers 40 herrscht, einen Strom durch die Wicklung eines ebenfalls auf die Ferrarisscheibe 39 einwirkenden Triebmagneten 38. Die von den Triebmagneten 31 und 38 auf die Ferrarisscheibe 39 ausgeübten Drehmomente haben entgegengesetzte Richtung.
Die Kraftflüsse in den Triebkernen. 37 und 3S entsprechen den geometrischen Resultierenden je zweier Spannungskomponenten. Anstatt zunächst die Spannungskomponenten mit Hilfe des Isolier- wandlers zusammenzufassen und die resultierende Spannung an eine einzige Relaiswieklung 37 bzw. 38 anzuschliessen, können die Triebkerne auch je zwei Spulen erhalten, die jede von einer der zusammenzusetzenden Spannungskomponenten erregt werden. Eine derartige Anordnung zeigt beispielsweise Fig. 5, bei der die Triebmagnete je zwei voneinander isolierte Wicklungen besitzen.
Um nun die kleinste, der Spannungen zu erhalten, sind die Kurzschlussringe 41 und 42 der Triebmagnete auf verschiedenen Seiten der Magnetkerne angebracht, so dass das in der Ferrarisscheibe 39 entwickelte Drehmoment der Differenz der an den Wicklungen der Triebmagnete 37 und 38 liegenden Spannungen entspricht. Auch die kleinste Spannung anzeigen oder registrieren zu lassen oder von ihr
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Strom bildet, d. h. den kleinsten Phasenwiderstand misst, geeignet. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Gerätes zeigt Fig. 4. Zugleich sind die in den Fig. 1 und 3 gewählten Anordnungen, welche mit Phasenströmen und Phasenspannungen arbeiten, ersetzt worden durch Sehaltungsbeispiele für die verketteten
Grössen.
Die an die Drehstromleiter R, S, T angeschlossenen Stromwandler 101, 102 und 103 sind in Dreieck geschaltet. Die verketteten Ströme durchfliessen je eine Parallelschaltung aus einem Ohmschen Widerstand 112, 122 und 132 und aus einem induktiven Widerstand 111, 121 und 131. Die beiden Komponenten eines jeden Stromes eilen diesem wiederum um 30 vor und nach. Die nacheilende Komponente der Stromverkettung der Phasen Rund S, welche in der Spule 111 fliesst, bildet mit der voreilenden Komponente der Stromverkettung der Phasen S und T, wleche durch den Ohmschen Widerstand 122 fliesst, den resultierenden Strom für einen Triebmagneten 105.
Die beiden andern Komponenten der
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Triebmagnete rufen gleichsinnig gerichtete Drehmomente in den mechanisch miteinander verbundenen, unrunden Ferrarisscheiben 107 und 108 hervor.
Die Spannungen werden in dem gezeichneten Schaltungsbeispiel mittels einer V-Schaltung über
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sind wieder so gewählt, dass die an ihnen liegenden Teilspannungen der Gesamtspannung jeweils um 300 vor- und nacheilen. Ein Triebmagnet 237 wird erregt durch die Resultierende aus der nacheilenden Komponente der Spannungsverkettung der Phasen n und T 235 und der voreilenden der Spannung zwischen den Phasen S und T 233, die durch den Transformator 202 abgenommen wird.
Die gesamte zwischen den Phasen Rund T bestehende Spannung liegt an der Reihenschaltung des Ohmschen Widerstandes 235 und des induktiven Widerstandes 231, während die zwischen den Phasen Sund T bestehende Spannung an der Reihenschaltung des Ohmsehen Widerstandes 236 und des induktiven Widerstandes 233 liegt. Von den an dem Ohmschen Widerstand 835 und dem induktiven Widerstand 231 liegenden Teilspannungen eilt die an dem induktiven Widerstand liegende Teilspannung der am Ohmschen Widerstand liegenden Teilspannung voraus. Das gleiche gilt für die gegenseitige Phasenlage der an dem Ohmsehen Widerstand 236 und dem induktiven Widerstand 233 liegenden Teilspannungen, welche zusammen stets eine verkettete Spannung ergeben.
Zur Erregung des Triebmagneten 237 wird der Ohmsche Widerstand 23 mit einer Transformatorwicklung 202 in Serie geschaltet, welche eine der an der Induktivität 233 herrschenden Spannung gleiche Spannung führt. In gleicher
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verbunden ist. Indem die Anordnung so getroffen wird. dass die Drehmomente der Spannungstriebmagnete gegeneinander gerichtet sind, stellt das resultierende Drehmoment beider wie in der Anordnung gemäss
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schaffen, die in einem einzigen Gerät das Verhältnis der kleinsten Spannung zum grössten Strom, d. h. also den kleinsten Widerstand einer Phase zu messen vermag. Durch einen Zeiger 260. der auf der Welle 230 befestigt ist, kann der Wert des augenblicklich kleinsten Phasenwiderstandes auf einer Skala 261 angezeigt werden.
Ausserdem kann dadurch, dass der Zeiger 260 über einer Unterlage 262, 263 schleift, die an der Stelle 263, wo der Zeiger einen unzulässig kleinen Widerstand anzeigt, leitend ist, der Stromkreis eines die Abschaltung der Leitung bewirkenden Relais 270 geschlossen oder eine Alarmvorrichtung in Tätigkeit gesetzt werden.
Anderseits erhält man z. B. dadurch ein Quotientenrelais, dessen Schaltverzögerung um so kürzer ist, je näher das Relais der Stelle eines neu entstandenen Fehlers liegt, dass man den Relaisstromkreis über zwei Kontakte führt, die auf dem sich nach dem Leitungswiderstand einstellenden Kontaktarm 260 und einem zweiten Kontaktarm sich befinden, der dem ersten Kontaktarm sieh mit gleichmässiger Geschwindigkeit entgegenbewegt, sobald der Widerstand der angeschlossenen Leitung unter eine zulässige Grenze sinkt. Das der Fehlerstelle am nächsten liegende Relais stellt seinen Kontaktarm so ein, dass der Gegenkontakt bei ihm von allen mitansprechenden Relais den kürzesten Weg zurückzulegen hat. um die Abschaltevorrichtung in Tätigkeit zu setzen.
Der sich mit gleichmässiger Geschwindigkeit bewegende
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Vorrichtung, angetrieben werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung gestattet, unter geringer Abänderung auch den Quotienten der beiden symmetrischen Systeme zu bilden. Hiezu braucht man nur die Feder 25 fortzulassen und die beiden Ferrarisseheiben 7 und 8 unrund oder mit verschiedener Scheibenstärke auszubilden, so dass das in jeder Scheibe erzeugte Drehmoment von ihrer Winkelstellung abhängig ist. Wie bekannt, stellt sich dann der auf der gemeinsamen Welle 9 sitzende Zeiger 27 auf den Quotienten der beiden Drehmomente ein. Den so gebildeten Quotienten aus je einem Vektor der beiden inversen Drehstromsysteme. in welche das unsymmetrische Drehstromsystem ausgelöst werden kann, kann man als den Unsymmetriegrad des Drehstromnetzes bezeichnen.
Es kann von Wert sein, diesen Unsymmetriegrad lediglich ablesen zu können, man kann aber auch eine Schutzvorrichtung bauen, bei der Auslösekontakte geschlossen oder Alarmsignale betätigt werden, sobald der Unsymmetriegrad eine bestimmte Grösse übersehreitet. Auch kann man die Zeitdauer, innerhalb deren eine Leitungsstreeke nach Eintritt eines Fehlers abgeschaltet wird, von diesem Unsymmetriegrad abhängig machen. Auf diese Weise lässt sieh eine selektive Abschaltung des gestörten Netzteils erzielen, da im allgemeinen der Unsymmetriegrad in unmittelbarer Nähe der Fellerstelle am grössten sein wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Relais oder Anzeigevorrichtung, die auf der Zerlegung von mindestens zwei Strömen oder Spannungen eines Drehstromnetzes in die Symmetriekomponente und die rnsymmetriekomponente beruht, insbesondere für Leitungsschutzschaltungen, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche (lied eines Relais oder Anzeigegerätes durch die Symmetriekomponente und die Unsymmetriekomponente der Ströme oder Spannung entsprechend der Grösse ihrer arithmetischen Summe oder Differenz beeinflusst wird, so dass die Grösse dieser Einwirinmg dem Betrag des grössten oder kleinsten Strom-oder Spannungs- wertes entspricht.