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Relais zur Feststellung der Energierichtung in einem Dreiphasensystem, insbesondere bei Kurzschluss.
Die Erfindung besteht darin, in einem dreiphasigen elektrischen Netze die Energierichtullg mittels eines einzigen wattmetrisehen Gerätes festzustellen, u. zw. insbesondere die Energierichtung bei Kurz- schluss. Dies geschieht dadurch, dass bestimmte Ströme und Spannungen des dreiphasigen Netzes vektoriell addiert und die Resultierenden der Strom-und der Spannungsspule des erwähnten wattmetrischen Gerätes zugeführt werden.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden beschrieben und sind zusammen mit einer Reihe von Vektordiagrammen, welche zur Erläuterung der Wirkungsweise dienen, in der Zeichnung dargestellt.
Beiden Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass der Spannungsspule des wattmetrischen Gerätes die vektorielle Summe einer verketteten Spannung des Dreiphasensystems und einer dazu in Vektor- diagramm senkrechten Phasenspannung zugefÜhrt wird. Dies ist in Fig. 1 dargestellt. Mit OR, OS und OT sind die Phasenspannungen, mit RS, TS und RT die verketteten Spannungen des Drehstromnetzes bezeichnet. Die erwähnte vektorielle Summe möge aus dem Vektor TS und dem Vektor OR bestehen, die sich zu einer Resultierenden TA addieren. Diese Resultierende hat bei Kurzschluss RS immer die Grösse und die Lage TA. Bei einem dreiphasigen Kurzschluss behält die Resultierende dieselbe Lage bei, es ändert sich lediglich ihre Grösse.
Bei einem Kurzschluss ST ändert die Resultierende ihre Lage derart, dass der Endpunkt sich auf der Linie AB verschiebt, und zwar in einem Masse, das von der Kurzschluss- spannung abhängig ist. Bei Kurzschluss TR verschiebt sich der-Endpunkt der Resultierenden auf der Linie AC, u. zw. ebenfalls in einem von der Kurzschlussspannung abhängigen Masse. Die Resultierende liegt somit stets innerhalb des Winkels zwischen den Vektoren TB und TC.
Bei dem ersten, im folgenden zu beschreibenden Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zur Feststellung der Energierichtung bei Kurzschluss in einem Drehstromnetz mit ungeerdetem oder über eine grosse Impedanz geerdetem Nullpunkt geeignet ist, wird der Strom, welcher der Stromspule des watt- metrischen Gerätes zugeführt wird, durch die Summe des Stromes in der Phase R und des umgepolte Stromes in der Phase S gebildet. Der Strom in der Phase S wird ausserdem noch um 600 narheilend ver- schoben.
Es gilt also :
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Der Einfachheit halber sei im folgenden angenommen, dass der Kurzsclusskreis lediglich Ohmschen
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die Lage der Resultierenden selbst die Fig. 3, wobei zu beachten ist, dass die Lage des resultierenden Stromes in diesem Falle mit der Lage des resultierenden Stromes bei dreiphasigem Kurzschluss übereinstimmt
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schluss ST gilt die in Fig. 4 und bei einem Kurzschluss TR die in Fig. 5 dargestellte Lage der resultierenden Ströme.
Es gelten somit für die vier Kurzschlussfälle die Fig. 6,7, 8, aus welchen die gegenseitige Phasenlage des resultierenden Stromes und der resultierenden Spannung ersichtlich ist. Die Winkelbereiche für den resultierenden Spannungsvektor in Fig. 7 und 8 wurden bereits an Hand der Fig. 1 besprochen.
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In der Tabelle I sind die Winkelbereiche eingetragen, innerhalb welcher das Wattmeter einen richtigen Ausschlag machen wird. Die mit einem Minuszeichen bezeichneten Winkel bedeuten kapazitiven Strom. In der Tabelle I sind auch die Doppelerdschlussfälle enthalten. Praktisch kommt nur der Bereich von 00 bis +900 in Betracht.
Tabelle 1.
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<tb>
<tb>
Kurzschluss <SEP> RST, <SEP> RS <SEP> ST <SEP> TR
<tb> (Fig. <SEP> 6) <SEP> (Fig. <SEP> 7) <SEP> (Fig. <SEP> 8)
<tb> Positiver <SEP> Winkelbereich <SEP> des <SEP> Kurzschlussstromes <SEP> .................. <SEP> -30 <SEP> bis <SEP> +150 <SEP> 0 <SEP> bis <SEP> +120 <SEP> 0 <SEP> bis <SEP> +1200
<tb> Doppelerdschluss <SEP> RS <SEP> RS <SEP> ST <SEP> ST <SEP> TR <SEP> TR
<tb> R-Strom <SEP> JS <SEP> JS <SEP> JT <SEP> JT <SEP> JR
<tb> Positiver <SEP> Winkelbereich <SEP> des
<tb> Kurzschlussstromes.......
<SEP> 0 <SEP> bis <SEP> -60 <SEP> bis <SEP> 0 <SEP> bis <SEP> - <SEP> - <SEP> 0 <SEP> bis
<tb> +180 <SEP> +60 <SEP> +1200 <SEP> +120
<tb>
Um ein möglichst sicheres Arbeiten des Relais zu gewährleisten, wird dem resultierenden Strom durch geeignete Mittel zweckmässig noch eine zusätzliche Phasenverschiebung von 150 Nacheilung gegen- über der resultierenden Spannung erteilt. In diesem Falle sind alle in der Tabelle I angegebenen Winkel-
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Dass der Doppelerdschluss auf der Phase T keine Ausschläge ergibt, kann in vielen Fällen ohne Schwierigkeit in Kauf genommen werden.
Bei allen zweiphasigen Kurzschlüssen ist der Ausschlag des Wattmeters unabhängig von der Kurzsehlussspannung. Es existiert deswegen keine sogenannte tote Zone, d. h. kein Leistungsbereich, dessen Kurzschlüsse wegen völligen oder fast völligen Verschwindens der Kurzschlussspannung nicht zuverlässig angezeigt werden. Bei einem dreiphasigen Kurzschluss ist die resultierende Spannung doppelt so gross wie die Phasenspannung und der resultierende Strom doppelt so gross wie der Phasenstrom. Das Drehmoment des wattmetrisehen Gerätes ist daher viermal so gross wie bei einem Wattmeter, dessen Spannungsspule von einer Phasenspannung und dessen Stromspule von einem Phasenstrom gespeist werden würde, und 2'31mal so gross wie bei einem Wattmeter, dem eine verkettete Spannung und ein Phasenstrom zugefuhrt werden würde.
Die tote Zone ist natürlich entsprechend kleiner.
Die dem beschriebenen Ausführungsbeispiel entsprechende Schaltung zeigt die Fig. 9. Das watt- metrisehe Gerät möge aus einem Feraris-Wattmeter bestehen von ähnlicher Bauart wie die üblichen Wattstundenzähler. Ein Gerät dieses Typs eignet sich für ein Energierichtungsrelais gemäss der Erfindung deshalb in besonderem Masse, weil die Anbringung mehrerer Strom-und Spannungsspulen konstruktiv besonders einfach ist. Der Spannungsspule a wird die Spannung der Phase R und der Spannungsspule b die verkettete Spannung der Phasen S und T zugeführt.
Die Stromspule e erhält den Strom der Phase R ohne künstliche Phasenverschiebung und die Stromspule b den Strom der Phase S, der in der oben beschriebenen Weise unter Anwendung an sich bekannter Mittel phasenverschoben ist und ausserdem, wie erwähnt, umgepolt wird. Der Strom in der Spule b ist dabei wegen des zur Sekundärwicklung des Stromwandlers parallelliegenden Widerstandes etwas kleiner als der Strom in der Spule c und deshalb ist die Spule b mit entsprechend mehr Windungen ausgeführt.
Ein Relais der beschriebenen Art kann zur Feststellung der Energierichtung nicht nur bei Kurzschluss, sondern auch im normalen, kurzschlussfreien Betriebe benutzt werden. Für den letzteren Fall ist allerdings eine künstliche Phasenverschiebung von 600 Nacheilung des resultierenden Stromvektors gegenüber dem resultierenden Spannungsvektor einzuführen gegenüber den in Tabelle I eingetragenen Werten. Dabei arbeitet das Relais im Fehlerfalle wie folgt : Bei RST und RS- Kurzschluss liegt der positive Winkelbereich des Kurzschlussstromes dann zwischen -900 und +900, bei ST und TR-Kurzschluss zwischen -600 und +600.
Das zweite im folgenden zu beschreibende Ausführungsbeispiel eignet sich zur Feststellung der
Energierichtung bei Kurzschluss in starr geerdeten Drehstromnetzen und in nicht starr geerdeten und gibt im letzteren Falle auch bei allen Doppelerdschlüssen richtige Ausschläge.
Die Schaltung im Spannungskreis stimmt mit derjenigen nach der ersten Ausführungsform überein.
Die einzelnen Stromvektoren werden dagegen folgendermassemn ihrer Phase verschoben und mit gleichen
Amperewindungszahlen addiert : JE um 15 nacheilend, JS um 240 nacheilend (durch Umpolen und 600 Nacheilung), J x um 2100 voreilend (durch Umpolen und 30 Voreilung).
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Bei einem dreiphasigen Kurzschluss gilt in diesem Falle die Fig. 10. Der resultierende Strom besitzt eine Phasennacheilung von 150 gegenüber dem Strom in der Phase R. Die Verhältnisse bei einem Kurzschluss RS sind in Fig. 11 veranschaulicht. Der resultierende Strom eilt der Spannung der Phase R um 7-5'nach. Für einen Kurzschluss ST gilt die Fig. 12 und für einen Kurzschluss TR die Fig. 13.
Es lässt sich nun wieder eine der Tabelle I entsprechende Tabelle aufstellen.
Tabelle II.
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<tb>
<tb>
Kurzschluss <SEP> RST <SEP> RS <SEP> ST <SEP> TR
<tb> (Fig. <SEP> 10) <SEP> (Fig. <SEP> 11) <SEP> (Fig. <SEP> 12) <SEP> (Fig. <SEP> 13)
<tb> Positiver <SEP> Winkelbereich <SEP> des
<tb> Kurzschlussstromes <SEP> ....... <SEP> -45 <SEP> bis <SEP> +135 <SEP> -37#50 <SEP> bis <SEP> -45 <SEP> bis <SEP> +75 <SEP> +7#5 <SEP> bis
<tb> +142#5 <SEP> +127#5
<tb> RS <SEP> RS <SEP> ST <SEP> ST <SEP> TR <SEP> TR
<tb> Doppelerdschlüsse <SEP> JR <SEP> JS <SEP> JS <SEP> JT <SEP> JT <SEP> JR
<tb> Positiver <SEP> Winkelbereich <SEP> des
<tb> Kurzschlussstromes......
<SEP> -15 <SEP> bis <SEP> -60 <SEP> bis <SEP> 0 <SEP> bis <SEP> ¯90 <SEP> bis <SEP> +30 <SEP> bis <SEP> -15 <SEP> bis
<tb> +165 <SEP> +120 <SEP> +120 <SEP> +30 <SEP> +150 <SEP> +105
<tb>
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Winkelbereiches des Kurzschlussstromes innerhalb 0 und 900 selbst liegt (unterstrichene Werte). Die beiden Kurzschlussfälle ST und TR sind ohne Bedeutung, denn sie treten ja nur auf, wenn die Kurzschlussspannung Null wird, was sehr selten und für 750 Phasenverschiebung unmöglich ist. Es bleiben somit nur die beiden Doppelerdschlussfälle ST und TR. Beim Doppelerdschluss ST ergibt sich die Grenze +300, ebenfalls bei der Kurzschlussspannung Null.
Bei einem Doppelerdschluss ist aber die Spannung niemals Null und die Grenze ist deswegen ohne praktische Bedeutung. Genau dasselbe gilt auch für den Doppelerdschluss TR, auch hier wird die Grenze von +300 nur bei vollkommenem Spannung,-, zusammen- bruch gefährlich. Im übrigen sind die engen Grenzen bei Doppelerdschluss schon deswegen praktisch ohne Bedeutung, weil durch die Induktivität der Schleife Leitung-Erde-Leitung der Kurzschlusswinkel nicht sehr stark verschiedene Werte annimmt, sondern meistens zwischen 40 und 600 liegt.
Im folgenden soll noch der einphasige Kurzschluss für starr geerdete Netze beschrieben werden.
Bei einem Kurzschluss der Phase R gilt die Fig. 14. Die resultierende Spannung liegt innerhalb des Winkels zwischen TA und TS, u. zw. je nach der Kurzschlussspannung. Es existiert somit ein positiver Winkelbereich von -15 bis +1350. Die Verhältnisse bei einem Kurzschluss der Phase S sind aber ähnlich. Die resultierende Spannung liegt zwischen TA und TR-wie die Fig. 15 zeigt-und der positive Winkelbereich zwischen -30 und +1200. Bei einem Kurzschluss der Phase T endlich ändert die resultierende Spannung ihrer Lage überhaupt nicht, wie in Fig. 16 dargestellt. Sie wird nur etwas kleiner, erreicht aber nie den Wert Null.
Der positive Winkelbereich liegt zwischen -60 und +1200. Bei einphasigen Kurzschlüssen sind somit die Winkelgrenzen in allen Fällen weit ausserhalb des praktisch in Betracht kommenden Bereiches.
Die Schaltungsanordnung entsprechend der zweiten Ausführungsform ist in Fig. 17 enthalten, die bezüglich der Schaltung der Spannungsspulen a und b mit Fig. 9 genau übereinstimmt. Von den beiden Stromspulen wird die Spule c'von der Phase R gespeist, deren Strom um 150 nacheilend verschoben wird, und die andere Spule d'von den in der oben erwähnten Weise um 2400 nacheilend, bzw. 2100 vor- eilend phasenversehobenen Strömen der Phasen S und T. Die Fig. 17 zeigt für die Spule d'eine Addition der Einzelvektoren, die als galvanisch bezeichnet werden könnte, im Gegensatz zu der Anordnung der beiden Stromspulen nach Fig. 9 und der beiden Spannungsspulen nach Fig. 9 und 17, die entsprechend als eine vektorielle Addition auf magnetischem Wege zu bezeichnen wäre.
Für die Stromspulen ist jedoch die galvanische Verbindung der Stromwandlersekundärwicklungen unbedenklich, da die Impedanz dieser Stromspulen nämlich meist nur etwa 10% gegenüber der Impedanz der Drossel und Widerstände beträgt.
Die bisher beschriebene Schaltung für den Spannungskreis des Wattmeters setzt voraus, dass der Nullpunkt des Spannungswandlers zugänglich ist. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, und an Stelle eines künstlich geschaffenen Nullpunktes kann man dann die in Fig. 18'enthaltene Schaltung anwenden.
Die Spannungsspule des Wattmeters ist in Fig. 18 einerseits an die Phase R angeschlossen und anderseits an einen Autotransformator, der von der Spannung ST erregt wird und dessen Wicklung ein Potential P erzeugt, der symmetrisch zum Potential S um den Punkt T liegt. Es ist leicht einzusehen, dass die resultierende Spannung PR immer dieselbe Richtung hat wie die Spannung TA in Fig. 1 und immer proportional ist der Summe TA aus der verketteten Spannung TS und der Phasenspannung OR.
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Die Spannung PR ist immer 1. 5mal grösser als die Spannung TA Dies ist näher in den Vektordiagrammen in Fig. 19 bis Fig. 22 dargestellt, in denen die beiden Spannungen PR und TA für verschiedene Kurzschlussfälle gezeigt sind.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Relais zur Feststellung der Energierichtung in einem Drehstromnetz, insbesondere bei Kurzschluss, unter Verwendung eines wattmetrischen Gerätes, dessen Stromspule vektoriell addierte Ströme, und dessen Spannungsspule vektoriell addierte Spannungen zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsspule des wattmetrischen Gerätes die vektorielle Summe einer verketteten Spannung ('1'-8) des Drehstromsystems und einer im normalen Betrieb dazu im Vektor diagramm senkrecht liegenden Sternspannung (OR) zugeführt wird (Fig. 1).