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Distanzrelais zum Schutze elektrischer Anlagen.
Um elektrische Anlagen gegen die Wirkung von Kurzschlüssen zu schützen, verwendet man häufig Relais, deren Auslösezeit proportional mit der Impedanz, Reaktanz oder Resistanz des kurzgeschlossenen Kreises ansteigt. Derartige Relais, Distanzrelais, haben eine gute Schutzwirkung, da sie die Kurzsehlussstelle selektiv und mit kurzer Auslösezeit abschalten. Es ist ein Relais bekannt, dessen Auslösezeit mit sinkendem Quotienten aus E und I abnimmt, bei welchem ein vom Strom beeinflusstes und dem I proportionales Bimetallglied vorhanden ist, das normalerweise nicht stromdurchflossen ist. Bei diesem Relais ist eine Wegstrecke für die Auslösezeit bestimmend.
Da somit während der sogenannten Distanzzeit eine Bewegung stattfindet, ist dieses Relais allen Störungen ausgesetzt, welche durch Reibungswiderstände sowie deren Änderungen und durch mechanische Erschütterungen hervorgerufen werden.
Nach vorliegender Erfindung ist ein vom Kurzschlussstrom erwärmtes thermisches Element
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Fig : 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel ; aus dem auch die Arbeitsweise hervorgeht. a und b sind die zu überwachenden Leitungen. Der Stromwandler 26 erzeugt in seiner Sekundärwicklung einen dem Kurzschlussstrom proportionalen Strom, der über den Überstrommagneten 1 und die beiden geschlossenen Kontakte 2 fliesst.
Bei einem Kurzschluss wird der Magnet 1 erregt, der Anker 3 wird angezogen und die Kontakte 2 werden geöffnet. Der Strom fliesst dann zurück über die Primärwicklung des Stromwandlers 4. Die Sekundärwicklung 5 dieses Stromwandlers ist über einen Bimetallstreifen 6 geschlossen, welcher sich bei Stromdurchgang erwärmt. An dem Bimetallstreifen ist ein Sperrhaken 7 befestigt, der einen Arm 8 mit den Auslösekontakten 23 in der geöffneten Stellung hält.
Wenn der Bimetallstreifen erwärmt wird, wird er sich nach oben krümmen und den Auslösearm 8 freigeben. Diese Bewegung wird aber von einem Spannungsmagneten 9 verhindert, welcher einen mit dem Bimetallstreifen fest verbundenen Anker 10 anzieht. Dieser Magnet 9 ist über einen Spannungwandler 27 an die Spannung U des kurzgeschlossenen Kreises ab oder einen Teil dieser Spannung angeschlossen und verhindert die Bewegung des Bimetallstreifens und somit des Sperrhakens 7, solange die Kraft, mit welcher die Spannung U den Anker anzieht, grösser ist als die Kraft, die der Bimetallstreifen 6 hervorbringt.
Der Stromwandler 4 ist so gesättigt und sein Eisenquerschnitt ist so bemessen,
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magneten 9 ist ebenfalls gesättigt (insbesondere Kern und Anker) und besitzt einen Luftspalt, so dass die Anziehungskraft proportional mit U wird (J und U sind Effektivwerte von Strom und Spannung im Kurzschlusskreis ab). Der Bimetallstreifen 6 wird deswegen eine Kraft erzeugen, die anfänglich proportional mit der Zeit und mit der Stromstärke ansteigt : k1 = e1. t. J.
Das Relais wird auslösen, wenn diese Kraft grösser wird als die vom Spannungsmagneten 9
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Bimetallstreifen 12 ausserhalb des Stromkreises der Sekundärwicklung 5 angebracht, welcher sich entgegengesetzt dem Bimetallstreifen 6 krümmt und mit diesem über einen Lenker 13 verbunden ist. Falls die beiden Bimetallstreifen gleiche und entgegengesetzt wirkende Kräfte erzeugen, wird ein Temperatureinfluss der Umgebung ganz vermieden. Damit die Spannungsspule 33 nicht zu warm wird und dabei den Streifen 6 erwärmt und ferner um den ständigen Voltampere-Verbrauch herabzusetzen, wird zweckmässig die volle Spannung erst bei Überstrom oder Kurzschluss auf der Anlage eingeschaltet. Oft will man aber auch die Spannungsspule und den Spannungskreis im normalen Betriebe kontrollieren können.
Man kann beides erreichen, wenn die Spannungsspule im normalen Betriebe in Reihe mit einem Vorwiderstand 20 liegt, der bei Kurzschluss auf der Anlage ab, vom Überstrommagneten 1 mittels der beiden Kontakte 24 kurzgeschlossen wird. Zur Kontrolle kann der Vorwiderstand ganz oder teilweise aus einem Milliamperemeter 21 oder einem Strommesser bestehen, so dass man im normalen Betriebe leicht einen Fehler im Spannungskreis feststellen kann.
Damit der Bimetallstreifen nicht unnötig stark erwärmt wird, kann der Auslösearm 8 auch ein zweites Kontaktpaar 25 betätigen, welches die Stromkreise des Distanzrelais ganz oder teilweise kurzschliesst. Dies ist von besonderer Bedeutung für Anlagen, wo die Ölschalter lange Ansprechzeiten besitzen, oder zur Schonung des Relais beim Versagen der Ölschalter.
Der Luftspalt 22 des Spannungsmagneten kann mittels einer unmagnetischen Stellschraube 14 eingestellt werden und in dieser Weise die Steilheit der Auslösekennlinie geändert werden.
Das beschriebene Relais besitzt keine besondere Kontrolle der Energierichtung. Man kann diese dadurch erreichen, dass man (wie in Fig. 1 gezeigt) die Auslösekontakte 23 in Reihe mit den Kontakten 28 eines besonderen Richtungsrelais schaltet. Der Strom von der Batterie 30 wird dann die Auslösespule 29 des Ölschalters erst erregen können, wenn die beiden Kontaktpaare 23 und 28 geschlossen sind. Zur Kontrolle der Energierichtung kann man auch ein besonderes Wattmeter 32 von bekannter Konstruktion einbauen, derart, dass es mechanisch mittels eines Sperrarmes 31 die Bewegung des Auslösearmes 8 entweder freigeben oder verhindern kann, unabhängig von der Stellung des Sperrhakens 7.
Damit das Relais mechanischen Beeinflussungen (Schlägen und Stössen) gegenüber unempfindlich wird, kann man zweckmässig den Überstrommagneten 1 so ausbilden, dass er mechanisch den Auslösearm 8 verriegelt, z. B. mittels eines Armes 42 (Fig. 1). Das Relais wird dann nur auslösen können, wenn der Anker 3 des Überstrommagneten angezogen ist. Wenn der Anker in seine Ruhelage wieder zurückgeht, wird der Arm 42 die Aulsösekontakte 23 wieder öffnen.
Um den Abstand der Fehlerstelle vom Orte des Distanzrelais angeben zu können, muss man die Auslösezeit des Distanzrelais kennen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Überstrommagnet I
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mittels eines besonderen Kontaktes eine Stoppuhr in Gang setzt, die stehen bleibt, wenn der Auslösekontakt 23 geschlossen wird oder wenn der Überstrommagnet J zurückgeht.
Die bisher beschriebenen Ausführungsformen eignen sich besonders für diejenigen Verhältnisse, wo die Einfachheit des Relais von grösster Bedeutung ist, während die Genauigkeit der Auslösezeit erst in zweiter Reihe kommt. Da die Spannungsspule 33 (Fig. 1) von Wechselspannung erregt wird, sind Vibrationen des Ankers 10 nicht zu vermeiden, und diese Vibrationen können unter Umständen eine gewisse Ungenauigkeit (von einigen Zehntel Sekunden) der Auslösezeit herbeiführen.
Im folgenden werden nun einige Ausführungen beschrieben, die den Zweck haben, diese Vibrationen zu vermeiden, und die ausserdem noch weitere Möglichkeiten bieten, die Wirkungsweise des Relais zu beeinflussen.
Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, werden die Vibrationen zweckmässig durch die Verwendung gleichgerichteter Ströme vermieden. Die Spannungsspule 33 des Distanzrelais wird über einen Gleichrichte ! JJ an den Spannungswandler 27 geschaltet. Während der einen Halbperiode fliesst über diesen Gleichrichter ein Magnetisierungsstrom, der auch in der zweiten Halbperiode, vermöge der Selbstinduktion des magnetischen Kreises, über den Gleichrichter 16 weiterfliessen wird.
Der magnetische Fluss wird dadurch nur geringe Schwankungen erfahren, die Anziehungskraft auf den Anker 10 wird praktisch konstant, und es können keine schädlichen Vibrationen entstehen.
Da die Blindkomponente des Magnetisierungsstromes sowie nahezu die gesamten Verluste der Magnetsierung wegfallen, wird der Energieverbrauch der Spannungsspule so weit verkleinert, dass man sie nun auch an kapazitive Spannungsteile 17 (Kondensatordurchführungen u. dgl.) anschliessen kann, wenn keine Spannungswandler vorhanden sind. Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Schaltung der Gleichrichter. Der Gleichrichter 18 ist während der einen Halbperiode wirksam, die Spannung liegt dabei an der oberen Hälfte 45 der Spannungsspule.
In der andern Halbperiode ist der Gleichrichter 19 wirksam, während die Spannung den Magnetisierungsstrom durch die untere Hälfte 46 der Spannungsspule hindurchtreibt. Die Schaltung hat deswegen die Wirkung einer doppeltwelligen Gleichrichteranordnung und erzeugt dadurch einen besonders konstanten magnetischen Fluss.
Man kann durch die Gleichstromerregung erreichen, dass die Wirkungsweise des Relais von der Phasenlage zwischen Strom und Spannung unabhängig wird.
Im folgenden zeigt Fig. 4 eine prinzipielle Schaltung dieser Art und Fig. 5 die charakteristische Wirkungsweise solcher Schaltungen, während die Fig. 6 bis 9 verschiedene Ausführungsbeispiele darstellen.
In Fig. 4 bedeuten 27 die Klemmen, an welche der Spannungswandler, der die Netzspannung dem Distanzrelais zuführt, angeschlossen ist. Die Wicklung der Spannungsspule selbst ist zweiteilig ausgeführt, ihre beiden Hälften sind mit 45 und 46 bezeichnet. Die beiden einen Enden der Spannungsspulenwicklungen sind über zwei in Reihe geschaltete Gleichrichter 18 und 19 miteinander verbunden.
Die beiden andern Enden liegen an einer Impedanz 52. Mit 50 ist die Sekundärwicklung eines Hilfsstromwandlers bezeichnet, dessen Primärwicklung von einem den Netzstrom entsprechenden Hilfsstrom durchflossen wird. Die Gleichrichter 47 und 48 dienen zur Gleichrichtung der von der Sekundärwicklung 50 gelieferten Spannung. Diese Schaltungsanordnung arbeitet in der Weise, dass durch die Impedanz 52 ein von der Sekundärwicklung 50 gelieferter und mittels der Gleichrichter, 47, 48 gleich- gerichteter Strom hindurchfliesst, der einen Spannungsabfall an dieser Impedanz erzeugt.
Der von dem Spannungswandler an den Klemmen 27 gelieferte und von den Gleichrichtern 18, 19 gleichgerichtete Strom durch die Spulen 45, 46 kann erst zu fliessen beginnen, wenn die Spannung an den Klemmen 27 gegenüber dem erwähnten Spannungsabfall, gross genug geworden ist. Die Charakteristik des Relais wird infolgedessen diejenige Lage einnehmen, die in Fig. 5 durch die Gerade a dargestellt ist, während ein Relais, wie es früher beschrieben wurde, eine Charakteristik gemäss der Geraden b in Fig. 5 besitzt.
Wie im folgenden an Hand einer kurzen Rechnung erläutert werden soll, lassen sich mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 auch Lagen der Charakteristik gemäss der strichlierten Geraden e in Fig. 5 leicht erreichen. Zu diesem Zweck braucht bloss die Durchlassrichtung der Gleichrichter 47, 48 umgedreht zu werden. Es gilt dann für die Kraft K1, welche seitens des Bimetallstreifens auf den Anker der Spannungsspule ausgeübt wird, die Gleichung
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wobei C1 eine Konstante, J den Netzstrom und t die Zeit bedeutet. Die beiden Spannungsspulen 45, 46 werden sowohl von einem Strome durchflossen, der der Spannung an den Klemmen 27 entspricht, als auch von einem Strome entsprechend der Spannung an der Sekundärwicklung 50 des Hilfsstromwandlers.
Bezeichnet man mit U die Spannung an den Klemmen 27 und mit e2 und e3 zwei Konstante sowie mit K2 die seitens der Spannungsspule auf den Anker ausgeübte Kraft, so gilt :
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Wie bereits oben erwähnt, löst das Distanzrelais aus, wenn die seitens des Bimetallstreifens auf den Anker ausgeübte Kraft die seitens der Spannungsspule ausgeübte Kraft übersteigt. Für die Auslösezeit t gilt daher
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Diese letzte Gleichung entspricht der in Fig. 5 strichlierten Geraden e.
Eine Charakteristik nach der Geraden ein Fig. 5 kann auch noch auf andere Weise erreicht werden. In Fig. 6 und 7 sind zwei zu diesem Zweck verwendbare Sehaltungsanordnungen dargestellt.
In Fig. 6 sind die punktiert umrandeten Kontakte 49 einstweilen kurzgeschlossen zu denken. Die Spannungsspule des Relais besitzt wieder zwei Wicklungen 45 und 46, die jedoch in etwas anderer Weise geschaltet sind wie in Fig. 4. Die Teilwicklung 45 wird über die Gleichrichter 18, 19 von dem Spannungswandler, der an den Klemmen 27 liegt, gespeist ; die Teilwicklung 46 von dem Hilfsstromwandler, dessen Sekundärwicklung wieder mit 50 bezeichnet ist. Die Gleichrichter 47, 48 dienen zur Gleichrichtung der Ströme des Hilfsstromwandlers. In Fig. 7 besteht die Spannungsspule des Relais im Gegensatz zu Fig. 4 und 6 nur aus einer Wicklung, die eine Mittelanzapfung besitzt. Die Sekundärwicklung 50 besitzt keine Mittelanzapfung. Es ist nur ein einziger Gleichrichter 47'für die Sekundärwicklung 50 vorhanden.
Die in Fig. 6 und 7 dargestellten Anordnungen arbeiten in der Weise, dass ausser einem der Netzspannung entsprechenden Gleichstrome durch die Spannungswicklung des Relais bzw. durch die zweite Wicklung der Spannungsspule des Relais ein Gleichstrom, der dem Netzstrome entspricht, hindurchfliesst. Demgemäss sind, wie aus der obigen Rechnung hervorgeht, diese Anordnungen geeignet, dem Distanzrelais eine Charakteristik nach der Geraden ein Fig. 5 zu erteilen.
Ein weiterer Ausbau des Erfindungsgedankens besteht darin, dass man in den Stromkreis, über welchen die Spannungsspule des Relais'oder ein Teil der Spannungsspule mit einem Gleichstrom, der dem Netzstrom entspricht, gespeist wird, Kontakte eines wattmetrischen Relais einschaltet. Man kann dann erreichen, dass bei der einen Energieriehtung des Distanzrelais eine Charakteristik nach der Geraden a, b oder auchl der strichpunktierten Geraden d in Fig. 5 besitzt. Während bei der andern Energierichtung eine zusätzliche dem Netzstrome entsprechende Speisung der Spannungsspule, die durch die Wattmeterkontakte hervorgerufen wird, zustande kommt, derart, dass die Charakteristik des Relais bei dieser umgekehrten Energierichtung die Lage der Geraden c in Fig. 5 erhält oder noch mehr nach oben verschoben ist.
Die Zeit t. ist dann so zu bemessen, dass sie grösser wird als die bei der zuerst erwähnten Energierichtung maximal auftretende Auslösezeit.
In der Fig. 6 ist innerhalb des punktiert umrandeten Teiles gezeigt, wie die Kontakte 49 des wattmetrischen Relais geschaltet werden können. Statt wie dort dargestellt, können die Kontakte 49 auch so angeordnet werden, dass sie die Primärwicklung oder die Sekundärwicklung 50 des Hilfsstromwandlers kurzschliessen bei derjenigen Energierichtung, bei der das Relais die Charakteristik a, b, d in Fig. 5 besitzen soll, und diesen Kurzschluss aufheben bei der umgekehrten Energierichtung, bei der die Charakteristik c in Fig. 5 gewünscht ist.
Die vollständige Schaltung des Distanzrelais unter Verwendung einer Gleichstromspeisung der Spannungsspule entsprechend dem Netzstrom, wobei diese Gleichstromspeisung dazu dient, dem Relais bei verschiedenen Energierichtungen eine verschiedene Charakteristik zu geben, ist in Fig. 8 schematisch dargestellt.
In Fig. 8 bedeutet 53 die zu überwachende Netzleitung, an welche ein Stromwandler 26 und ein Spannungswandler 27 angeschlossen ist. In Reihe mit der Primärwicklung des Zwischenwandlers 4 sind die Stromwicklungen 54 des wattmetrischen Relais sowie auch die Primärwicklung des Hilfsstromwandlers 56 geschaltet. Diese Wicklungen sind deswegen normalerweise unerregt und werden erst beim Anziehen des Überstrommagneten 1 und Öffnen der Kontakte 2 vom Strom durchflossen.
Mit 49 sind die Kontakte des wattmetrischen Relais bezeichnet. Als Kontrolle für den Spannungskreis des Relais ist eine Glimmlampe 55 gezeichnet worden. Im übrigen haben alle Teile dieselben Bedeutungen und dieselben Bezeichnungen wie bei den vorhergehenden Figuren. Je nach der Energierichtung wird das Relais die Charakteristiken b oder c in Fig. 5 aufweisen.
In Fig. 9 ist eine Anordnung für ein mehrphasiges Relais dargestellt, wobei für die Speisung jeder Phase die Anordnung nach Fig. 6 verwendet ist. Die Kontakte 49 sind nur einmal vorhanden und beeinflussen alle drei Phasen gleichzeitig.
Wenn man, wie es durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird, das energierichtungsempfindliche Element, die Charakteristik des Distanzrelais beeinflussen lässt, tritt der Vorteil auf, dass die sehr schwachen Kontakte des wattmetrischen Relais nur mit einem sehr kleinen Strom belastet werden, nämlich nur mit dem dem Netzstrom entsprechenden Gleichstrom für die Spannungsspule.
Diese Anordnung ist also weit vorteilhafter als die bisher bei Distanzrelais übliche Einschaltung der Wattmeterkontakte in den Auslösekreis für den Ölschalter. An dieser letzteren Stelle wird die Kontaktbelastung stets viel grösser sein als an derjenigen Stelle, die durch die Erfindung vorgeschlagen ist.
Die Schaltung bringt auch noch einen grossen betriebstechnischen Vorteil. Wenn man bei Sperrenergie die Distanzrelais vollkommen blockiert, wie es bei Anordnung der wattmetrischen Kontakte im Auslösekreis des Ölschalters der Fall ist, hat man keinen Sammelschienenschutz. Bei einem Kurzschluss der
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Sammelschiene bekommen alle Relais Sperrenergie und können deshalb nicht auslösen. Gemäss der
Erfindung lösen die Relais jedoch alle mit der Zeit to aus, was ausserordentlich erwünscht ist.
Als Gleichrichter werden in allen beschriebenen Schaltungen zweckmässig Trockengleichrichter, z. B. Kupferoxydulgleichrichter oder Selen-Eisengleichrichter, verwendet.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Distanzrelais (Impedanz-Zeitrelais) zum Schutze elektrischer Anlagen, bei dem ein vom Kurz- schlussstrom erwärmtes thermisches Element und ein von der Spannung beeinflusster Elektromagnet vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Kurzschlussstrom erwärmte thermische Element eine im Sinne der Auslösung wirkende, mit der Zeit proportional anwachsende Kraft erzeugt, wobei der Neigungswinkel des Kraftanstieges dem Kurzschlussstrom proportional ist, und dass diese Kraft einer andern Kraft entgegenwirkt, die von dem spannungsabhängigen Element erzeugt wird und der Spannung proportional ist,
und dass bei Überschreiten des Kräftegleichgewichtes durch einen erst in diesem Augenblick einsetzenden Bewegungsvorgang im Relais ein Auslösekontakt unmittelbar oder über mechanische Zwischenglieder in die für die Auslösung massgebende Stellung gebracht wird.