<Desc/Clms Page number 1>
Distanz-Zeitstufenrelais.
Distanz-Zeitstufenrelais, bei welchen die Wahl der Zeitstufe in Abhängigkeit von einer mit den
Konstanten des Schützlings (Leitungskonstanten, Transformator-Kurzschlussimpedanz) in einem festen
Zusammenhang stehenden Grösse erfolgt, sind seit langem bekannt. Als solche Grösse werden vor allem die Impedanz als Quotient aus Spannung durch Strom, die Reaktanz als Quotient aus Blindleistung durch Stromquadrat und der Quotient aus Spannungsquadrat durch Wirkleistung benützt. Dabei wird die Auswahl der Zeitstufe gewöhnlich entweder beim Eintritt der Störung oder am Ende der betreffenden Zeitstufe vorgenommen. Diese bisher bekannten Impedanz-bzw. Reaktanzrelais, gleichgültig, ob sie mit stufenförmiger oder stetiger Auslösecharakteristik arbeiten, versagen bei elektrischen Pendelungen, wie aus dem nachstehenden hervorgeht.
Der Effektivwert der Spannung im Mittelpunkt der die pendelnden Kraftwerke verbindenden Leitung, der"Verbindungsimpedanz", variiert infolge der bei der asynchronen Pendelung bestehenden Ungleichheit der Generatordrehzahlen bekanntlich sinusförmig mit der Zeit und sinkt daher nach je einer halben Periode (Schwebungsperiode) auf Null. Auch der durch die Verbindungsimpedanz infolge der asynchronen Pendelung fliessende Ausgleichsstrom (Effektivwert) variiert sinusförmig. Die Dauer der Schwebungsperiode hängt von den Eigenschaften der pendelnden Generatoren und ihrer Arbeitsmaschinen, der Belastung usw. ab und ergibt sich in den meisten praktischen Fällen etwa mit 0'3 bis 1 Sekunden.
Eine Sehwebungsperiode entspricht also einer grossen Anzahl von Wechselstromperioden und es genügt deshalb, die Effektivwerte, nicht die Momentanwerte, von Spannung und Strom zu betrachten.
In der Fig. 1 sind nun die Effektivwerte der Spannung E im Impedanzmittelpunkt und die des Stromes J in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Bei Beginn der asynchronen Pendelung ist selbstverständlich auch im Mittelpunkt der Impedanz ein normaler Wert der Netzspannung vorhanden, und der Ausgleiehsstrom ist, da die Vektoren der pendelnden Generatoren noch die gleiche Phasenlage besitzen, Null. Mit fortschreitender Zeit nimmt die Spannung ab und der Strom zu. Eine genauere Überlegung zeigt, dass die Nullwert bzw. Maxima der Effektivwerte, der Spannung im Impedanzmittelpunkt gegenüber denen des Effektivwertes des Ausgleichsstromes um Y4-Schwebungs- periode zeitlich verschoben sind.
Der Mangel der bisherigen Distanzrelais besteht nun darin, dass jeweils dann, wenn die Effektivspannung auf Null zurückgeht, den Distanzrelais die Impedanz Null vorgetäuscht wird, so dass eine Momentanauslösung in diesem Augenblick der Pendelung eintritt. Auch eine Integration des im Sinne der Auslösung wirkenden Stromwertes (oder einer entsprechenden Grösse), wie sie beispielsweise bei verschiedenen, auf thermischer Wirkungsweise beruhenden, bekannten Relaisbauarten vorgenommen wird, hilft nicht, denn es sind dann wohl die Mittelwerte des Stromes (nicht die Maxima) für die Auslösung massgebend, aber die gegen die Auslösung wirkende Spannung sinkt im Impedanzmittelpunkt auf Null, so dass dennoch die unerwünschte Auslösung stattfinden kann.
Die erfindungsgemässe Abhilfe besteht darin, dass sowohl der Strom als auch die Spannung oder andere vom Strom oder Spannung oder von beiden abhängige Grössen, deren Quotient in festem Zusammenhang mit den Konstanten des Schützlings steht, über die Zeit integriert werden und die Feststellung des für die Auslöseverzögerung massgebenden Impedanzwertes durch die Bildung des Quotienten der beiden Integralwerte vorgenommen wird.
Dieser Quotient ergibt selbstverständlich
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
also der Impedanz ; bei asynchronen Pendelungen ergibt aber der Quotient so hohe Werte der "scheinbaren"Impedanz (Quotient der Integralwerte), dass eine Auslösung des Relais praktisch, wenn überhaupt, nur mit Grenzzeit in Frage kommt, was meistens den Erfordernissen für den Fall einer sich nicht mehr beruhigenden Pendelung gerade am besten entspricht. Die Grösse der bei einer asynchronen Pendelung auf diese Weise gemessenen scheinbaren Impedanz ergibt sich aus der Betrachtung der Fig. 2 ; dabei ist vorerst zu beachten, dass das Maximum des Ausgleichsstromes sich aus der Einwirkung der doppelten Generatorspannung (die Vektoren der beiden pendelnden Generatoren in Phasenopposition) auf die Verbindungsimpedanz ergibt.
In Fig. 2 sind die Integralwerte der in Fig. 1 dargestellten Spannung-und Stromeffektivwerte über die Zeit aufgetragen, desgleichen der Quotient dieser beiden Integralwerte und es ist zu ersehen, dass letzterer von einem sehr hohen Wert rasch auf ein Minimum abnimmt und dann, ähnlich einer gedämpften Schwingung, dem strichliert gezeichneten Grenzwert zustrebt.
Dieser Grenzwert ist, wie aus dem obigen ohne weiteres hervorgeht, gleich der halben Verbindungsimpedanz. Das Minimum ergibt sich rechnerisch mit 0'375 der Verbindungsimpedanz, u. zw. nach zirka 127 elektrischen Graden der Schwebungsperiode. In den Endpunkten, nämlich den Punkten, wo sich die rotierenden Maschinen befinden, ist die scheinbare Impedanz noch wesentlich höher. Trotzdem also der Effektivwert der Spannung im Impedanzmittelpunkt nach je einer halben Schwebungsperiode auf Null zurückgeht, sinkt die in der erfindungsgemässen Weise vom Relais gemessene scheinbare Impedanz niemals unter einen bestimmten, in den meisten praktischen Fällen genügend grossen Wert.
Ähnliche Verhältnisse ergeben sich, wenn die Wahl der Zeitstufen in Abhängigkeit vom Quotienten aus dem Zeitintegral der Blindleistung durch das Zeitintegral des Stromquadrates erfolgt.
Zweckmässig ist die Distanz-Zeitstufenchara1. -teristik des erfindungsgemässen Relais so festzulegen, dass sie, gegebenenfalls mit Ausnahme der Grenzzeitstufe, unterhalb der den Verlauf des Integralquotienten über die Zeit darstellenden Linie liegt.
Unter Umständen kann eine solche Festlegung der Charakteristik, je nach Unterteilung der Verbindungsleitung in einzelne zu schützende Strecken, Schwierigkeiten ergeben. Es ist dann ein höherer Minimal-und Grenzwert des Integralquotienten erforderlich. Solche genügend hohe Werte lassen sich nun durch die als besonders zweckmässig erkannten Benutzung des Quotienten aus dem Zeitintegral des Spannungsquadrates durch das Zeitintegral der Wirkleistung erzielen ; einerseits
EMI2.2
EMI2.3
Integralzeichen stehenden Leistungswerte negativ.
Aus obigem ist ohne weiteres zu ersehen, dass sich das erfindungsgemässe Distanzrelais bei Pendelungen vollkommen verschieden von den bisher bekannten Distanzrelais verhält. Fehlauslösungen durch Pendelungen sind vermieden. Allerdings ist das erfindungsgemässe Relais insofern komplizierter, als einerseits Integrationen über die Zeit vorgenommen und anderseits eigene, getrennte von den gemessenen scheinbaren Impedanzwerten beeinflusste Zeitglieder vorgesehen werden müssen. Der Vorteil der Pendelsicherheit rechtfertigt aber diese Komplikation.
Gemäss einem weiteren Erfindungsgedanken kann der Minimal-und der Grenzwert des Integralquotienten dadurch weiterhin erhöht werden, dass die auf das wattmetrische System zur Einwirkung gebrachte Spannung eine künstliche Phasenverschiebung im Sinne einer Verminderung des inneren Phasenwinkels erfährt ; diese Massnahme ist besonders vorteilhaft bei einem grösseren inneren Phasenwinkel der Verbindungsimpedanz als 45 elektrische Grade.
Die Ausbildung des erfindungsgemässen Distanz-Zeitstufenrelais kann z. B. zweckmässig in der Weise erfolgen, dass zur Steuerung des bei diesem Relais erforderlichen Zeitgliedes mit mehreren, den einzelnen Impedanzstufen entsprechenden Ablaufzeiten, zwei getrennte Ferrarissysteme zur Verwendung gelangen, auf welche den zu integrierenden beiden Grössen proportionale Triebdrehmomente und je ein der Drehzahl proportionales Bremsmoment ausgeübt werden. Ein solches Bremsmoment bewirkt, dass die jeweilige stationäre Umdrehungsgeschwindigkeit des einen Ferrarissystems dem betreffenden Triebdrehmoment und damit der betreffenden zu integrierenden Grösse, proportional ist ; den Zeitintegralwerten der Triebdrehmomente entsprechen also die zurückgelegten Umdrehungen.
Jedem bestimmten Integralquotienten entspricht demnach auch ein bestimmtes Verhältnis der Umdrehungen. Die verschiedenen betreffenden Grenzwerte des Integralquotienten können dann von den gleichen beiden Ferrarissystemen zweckmässig mittels je eines Differentialgetriebes entsprechender Übersetzung abgeleitet werden.
<Desc/Clms Page number 3>
Bei der oben beschriebenen Ausbildung des erfindungsgemässen Relais stellen die zu beschleuni- genden Massen eine Fehlerquelle dar ; diese kann zweckmässig dadurch ausgeschaltet werden, dass auf die Ferrarissysteme keine Bremsmomente zur Einwirkung gebracht werden und der erforderliche
Vergleich des Verhaltens der beiden Ferrarissysteme, etwa wieder mittels Differentialgetriebs, nicht bezüglich der zurückgelegten Umdrehungen, sondern bezüglich der Umdrehungsgeschwindigkeiten (Drehzahlen je Sekunde) vorgenommen wird. Bei einer solchen Ausbildung des Relais sind nämlich die Winkelbeschleunigungen den Triebdrehmomenten proportional, so dass den Zeitintegralen der letzteren die Umdrehungsgesehwindigkeiten entsprechen.
Ein Relais, bei welchem die Umdrehungs- geschwindigkeiten der Ferrarissysteme verglichen würden, wobei aber die Umdrehungsgeschwindigkeit infolge Vorhandenseins eines Bremsmomentes der zu integrierenden Grösse, wie vorhin beschrieben, proportional ist, ergibt natürlich nicht die erfindungsgemässe Wirkungsweise. Solche Relais wurden schon vorgeschlagen, sie messen aber, je nach Trägheit des Systems, entweder ungeeignete Werte, oder sie weisen ein ungünstiges Verhalten bei Pendelungen auf.
Eine beispielsweise Ausführung des erfindungsgemässen Relais, bei welcher auf die Ferraris- systeme keine Bremsmomente zur Einwirkung gebracht werden und bei welcher der erforderliche Ver- gleich mittels Differentialgetriebe bezüglich der Umdrehungsgeschwindigkeiten vorgenommen wird, zeigt die Fig. 3. Die Wahl der Zeitstufen erfolgt dabei in Abhängigkeit vom Quotienten aus dem Zeit- integral der Spannung durch das Zeitintegral des Stromes. In der Fig. 3 stellt 1 die eine Ferrarisseheibe dar, welche vom Spannungstriebsystem 2 beeinflusst wird, 3 stellt die andere Ferrarisscheibe dar, welche vom Stromtriebsystem 4 beeinflusst wird.
Auf der Welle der ersteren Ferrarisscheibe 1 sitzt das Zahnrad 5, welches über das mit ihm in Eingriff stehende Zahnrad 6 die eine Seite des Differential- getriebes 7 antreibt. Die andere Seite des Differentialgetriebes wird von der Ferrarisseheibe 3 bzw. von dem mit dieser verbundenen Zahnrad 8 über das Zahnrad 9 angetrieben. Demgemäss bewegt sich das mit den Differentialrädern verbundene Zahnrad 10 in dem einen oder andern Drehsinn, je nach- dem, ob der Quotient aus dem Zeitintegral der Spannung durch das Zeitintegral des Stromes einen bestimmten Grenzwert über-oder unterschreitet.
Es wird deshalb von dem Drehsinn des Zahnrades 10 die Bewegung des Kontaktes 17 abhängig gemacht, u. zw. beispielsweise dadurch, dass am Kontakt- hebel 17 ein Daumen angeordnet ist, welcher bei einer Drehung des Zahnrades 10 im Uhrzeigersinn von den Zähnen dieses Zahnrades mitgenommen wird und dadurch den Kontakt entgegen der Kraft der Feder 19 schliesst. Der Kontakt 17 wirkt mit einem nicht dargestellten Kontakt eines Zeitrelais zusammen in der Weise, dass die Auslösung stattfindet, wenn Kontakt 17 nach der der betreffenden
Zeitstufe entsprechenden Zeit nach dem Eintritt des Fehlers geschlossen ist.
In gleicher Weise kann der einer zweiten Zeitstufe entsprechende Grenzwert des Quotienten aus dem Zeitintegral der Spannung durch das Zeitintegral des Stromes mittels des Differentiales 13 des zugehörigen Zahnrades 16 und des Kontakthebels 21 mit dem Daumen 19 und der Feder 22 fest- gestellt werden. Das Differential 13 wird dabei einerseits über die Zahnräder 11 und 12, anderseits über die Zahnräder 14 und 15 angetrieben.
Selbstverständlich kann dieses Zeitstufenrelais, wie erwähnt, zweckmässig mit einem momentan wirkenden Unterimpedanzrelais, welches der ersten, etwa unverzögerten Zeitstufe entspricht, ver- einigt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Distanz-Zeitstufenrelais, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl der Zeitstufen in Abhängigkeit vom Quotienten aus den Integralwerten über die Zeit zweier solcher von Spannung oder Strom oder beiden abhängigen Grössen erfolgt, deren Quotient in festem Zusammenhang mit den Konstanten des Schützlings (Leitungen, Transformatoren usw. ) steht.