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Einrichtung für den Selektivschutz elektrischer Netze mit Widerstandsschaltern
Für elektrische Übertragungsleitungen und Netze sind Widerstandsschalter entwickelt worden, die In sehr kurzer Zeit entweder den Strom unterbrechen oder ihn auf eine Stromstärke vermindern, die eine Abschaltung'mit verhältnismässig einfachen Schaltern zulässt. Derartige Widerstandsschalter sind unter den Namen Reduktionsschalter und Reduktor bekanntgeworden. Die Reduktionsschalter beginnen mit der Wi- derstandseinschaltung beimStromnulldurchgang des Kurzschlussstromes, die Reduktoren oder auch Strombegrenzer genannt, beginnen mit der Widerstandseinschaltung bereits etwa 0, 1 ms nach Erreichen des Ansprechstromes. Die Zeitdauer eines Abschaltvorganges beträgt bei Reduktoren höchstens eine Halbwelle, vorzugsweise etwa 5 ms.
Sie liegt also wesentlich unter der Abschaltzeit der bisher üblichen Schalter, die um rund eine Grössenordnung höher liegen. Infolge der grossen Schaltgeschwindigkeit der neuen Wider- stanosschalter ist es möglich, Kurzschlussströme schon während ihres ersten Anstieges, das heisst in der ersten Halbwelle zu erfassen, wobei der Ansprechwert des Auslöseorgans etwa beim zwei-bis dreifachen Nennstrom und der Höchstwert des begrenzten Stromes etwa beim drei-bis vierfachen Nennstrom liegen. Bei Verwendung mehrerer Reduktoren in elektrischen Übertragungsleitungen und Netzen eignen sich jedoch die bisherigen Einrichtungen für die selektive Auswahl der der Fehlerstelle zunächstliegenden Schalter nicht mehr, da z. B. die bei den bisherigen Verfahren notwendige Impedanzmessung allein Zeiten bis zu 20 ms benötigt.
Mindestens müsste aber bei den bisherigen Messverfahren für konventionelle Schalter 1 Halbwelle (10 ms) zur Verfügung stehen, um im Störungsfall eine selektive Auswahl unter den Schaltern zu ermöglichen.
Die Auslösung der neuen Widerstandsschalter, z. B. Reduktoren oder Reduktionsschalter, erfolgt meist in Abhängigkeit vom Momentanwert des zu überwachenden Stromes. Es können bei einem Fehler mehrere hintereinanderliegende Schalter ansprechen, die ihrerseits Widerstände in den Leitungszug einfügen. Wäh- rend der hiezu notwendigen kurzen Schaltzeit steigt der Widerstand je Schaltstelle von Null auf einen hohen Endwert. Es fliesst dann nur noch ein kleiner Fehlerstrom (Bruchteile des Nennstromes bis herab auf weniger als 1 Ampere). Die eingefügten Widerstände verursachen, wovon die im folgenden beschriebene Einrichtung Gebrauch macht, einen entsprechenden Spannungsabfall.
Die erfindungsgemässe Einrichtung für den Selektivschutz elektrischer Netze sieht für jeden Widerstandsschalter (bei mehrpoligen Schaltern je Pol) zwei Spannungsmessvorrichtungen vor, von denen jede, sobald beim"Öffnen"des Widerstandsschalters sein Widerstand einen vorgegebenen Wert erreicht, die Spannung vor bzw. hinter dem Widerstandsschalter gegen ein Bezugspotential erfasst.
Diejenige Spannungsmessvorrichtung, die eine Spannung gleich oder kleiner einer vorgegebenen Mindestspannung feststellt, be- einflusst ein Verriegelungsglied des zugehörigen Widerstandsschalters im Sinne der Verriegelung gegen Wiedereinschalten, während die übrigen Widerstandsschalter, die ebenfalls geöffnet hatten, deren Span- nungsmessvorrichtungen aber eine Spannung höher als die Mindestspannung feststellen, ohne Wirksamwerden der Verriegelungsglieder in die Ein-Stellung zurückgehen ("Wiedereinschalten").
Da die Spannungen an den Widerstandsschaltern die selektive Auswahl bestimmen, ist es vorteilhaft, sie vonStörvorgängen oder sonstigen hochfrequenten Schwingungen zu befreien. Zu diesem Zweck können
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in die Zuleitungen zu den Spannungsmessvorrichtungen Tiefpassfilter eingefügt werden, so dass praktisch nur die betriebsfrequente Spannung je Spannungsmessvorrichtung erfasst wird.
Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen ; es zeigt Fig. 1 ein Diagramm der Impedanzen der Widerstandsschalter, der Lasten und der Kurzschlüsse bei verschiedenen Spannungen, Fig. 2 ein Blockschema einer Selektivschutzeinrichtung für eine Übertragungsleitung, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Übertragungsleitung mit Widerstandsschaltern, Fig. 4 die räumliche Spannungsverteilung bei einem Kurzschluss auf der Leitung, Fig. 5 die räumliche Spannungsverteilung bei einem Kurzschluss an der Sammelschiene.
In Fig. 1 sind aIsOrdinatedie Widerstandswerte von 0, 1 bis 1000 dz als Abszisse die Spannungen von 6 bis 220 kV aufgetragen. Das Diagramm enthält drei Flächen, in denen die üblichen Widerstandswerte bei den ensprechenden Spannungen liegen, u. zw. betrifft die Fläche 1 die Kurzschlussimpedanzen, die Fläche 2 die Widerstände der Widerstandsschalter im Augenblick des für die selektive Auswahl günstigsten Zeitpunktes und die Fläche 3 die Lastimpedanzen. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, ergeben sich für alle genannten Spannungen bei den üblichen Netzen Widerstandswerte, die um mindestens eine Grössenordnung über der Kurzschlussimpedanz, aber noch bis zu zwei Grössenordnungen unter den Lastimpedanzen des Netzes liegen. Wählt man z.
B. für ein Netz eine Spannung von 20 kV, so liegt der Wert für die Kurz-
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Bereich von etwa6,. 30 und 12 0,. während der Impedanzwert für die Lasten zwischen 50 und 1000 0 liegt. Die einzelnen Impedanzbereiche unterscheiden sich demnach um mindestens eine Grössenordnung.
In Fig. 2 ist mit 4 die Sammelschiene bezeichnet. An die Sammelschiene 4 ist der Transformator 5 angeschlossen, der z. B. die anstehende Kraftwerksspannung auf 20 kV erhöht. Dem Transformator 5 sind die Widerstandsschalter 6 und 7 nachgeschaltet. In Reihe mit dem Widerstandsschalter 7 liegt eine nicht dargestellte Last. Zwischen den Widerstandsschaltern 6 und 7 geht eine Leitung für eine weitere nicht dargestellte Last ab. Vor und hinter jedem Schalter sind je zwei Tiefpassfilter 8a, 8b bzw. 9a, 9b angeschlossen. Die Tiefpassfilter 8a, 8b sind mit den Eingängen der zwei Spannungsmessvorrichtungen 10a, 10b bzw. 13a. 13b verbunden. Die Spannungsmessvorrichtungen 10a, l Ob beeinflussen ein Verriegelungglied 11 des Widerstandsschalters 6.
Je nachdem, welche Spannung von den Spannungsmessvorrichtungen 10a oder lOb festgestellt wird, verriegelt das Verriegelungsglied 11 oder es verriegelt nicht, es bleibt also der Endwert des Widerstandsschalters 6 eingeschaltet oder der Widerstand wird sofort wieder überbrückt, dass heisst der Schalter geht in seine Einschaltstellung (Widerstand Null) zurück. Die gleiche Anordnung wie für den Widerstandsschalter 6 ist auch für den Widerstandsschalter 7 vorgesehen. Die Span- nungsmessvorrichtungen sind in diesem Fall mit 13a, 13b und das Verriegelungsglied mit 14 bezeichnet.
Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende : Die Spannungsmessvorrichtungen jedes Widerstandsschalters erfassen die Spannungen vor und hinter dem Widerstand jedes Schalters, u. zw. wird jeweils die Spannung gegen das Erdpotential oder ein Bezugspotential gemessen. Das Verriegelungsglied verhindert ein Wiedereinschalten des Widerstandsschalters, falls am Messglied eine durch die Netzkonfiguration oder durch die mögliche Fehlerlage gegebene Mindestspannung von beispielsweise 10 oder 20 % der normalen Spannung gegen das Bezugspotential, z. B. die Erde, unterschritten wird. Die Spannungsmessvorrichtungen ihrerseits werden erst wirksam bei einem vorgegebenen Widerstandswert, dessen Auswahl nach dem in Fig. 1 dargestellten Bereich 2 für die Widerstandswerte der Schalter erfolgt.
Tritt nun z. B. an der mit einem Pfeil bezeichneten Stelle F der Übertragungsleitung ein Kurzschluss auf, so wird die Spannung an dieser Stelle praktisch Null sein und steigt von hier längs der Leitung entsprechend den Leitungs-Transformator-Impedanzen usw. auf die Spannung der Energiequelle an. Dieser Spannungsverlauf ändert sich jedoch sofort nach Eintritt des Kurzschlusses mit dem Ansprechen der Widerstandsschalter 6 und 7, da hiedurch Impedanzen (Widerstände) eingeschaltet werden, deren Ohmwert gross ist gegenüber den Leitungsimpedanzen. Dies hat zur Folge, dass die Spannung an der Klemme a des Widerstandsschalters 7 noch annähernd Null bleibt, während die. Klemmen b und c eine wesentlich höhere und die Klemme d nochmals eine durch den Widerstand des Schalters 6 bedingte höhere Spannung aufweisen (s. auch Fig. 4).
Bei Erreichen einer vorgegebenen Grösse des Widerstandswertes der Schalter 6 und 7, also bevor der End-
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und 13a, 13b wirksam und liefern den zugeordneten Verriegelungsgliedern 11 und 14 Spannungen bzw. dazu proportionale Ströme ganz bestimmter Grösse. Entscheidend ist für das folgende der Umstand, dass die Spannung an der Klemme b des Schalters 7 in diesem Augenblick wesentlich höher ist als an der Klemme a. Der Spannungsunterschied entspricht dem Spannungsabfall im Widerstand des Schalters 7 in dem betrachteten Augenblick.
Durch die relativ hohen Spannungen an den Klemmen c und d des Widerstandsschalters 6 spricht das Verriegelungsglied 11 nicht an, so dass der Widerstandsschalter 6 nicht in der
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Ausschaltstellung (grösster Widerstand) festgehalten wird, sondern sofort wieder in die Einschaltstellung mit überbrücktem Widerstand zurückfällt. Im Gegensatz dazu hat die kleine Spannung an der Klemme a zur
Folge, dass der Widerstandsschalter 7 durch das Verriegelungsglied 14 in seiner ausgeschalteten Stellung (Endwert des Widerstandes) festgehalten wird, was die selektive Abschaltung des Fehlers F zur Folge hat.
Die Fig. 2 zeigt nur eine einseitige Speisung der Fehlerstelle ; in Verteilungsnetzen wird jedoch die
Fehlerstelle vielfach von zwei Seiten aus gespeist, z. B. in vermaschten Netzen oder Leitungsringen. Da- her ist es erforderlich, vor und hinter den Widerstandsschaltern die Spannungen zu messen, da der Fehler vor oder hinter dem Widerstandsschalter liegen kann und somit die zur selektiven Erfassung notwendige
Spannung, die gleich oder kleiner als die Mindestspannung ist, je nach Fehlerlage auf der einen oder andern Seite des Schalters auftreten kann.
Nach dem bisher Gesagten ist noch nicht erkennbar, warum es vorteilhaft ist, nicht die Mindestspan- nung Null als Kriterium für das Ansprechen der Verriegelungsglieder zu wählen. Der Grund dafür ist fol- gender :
Wenn sich der Fehler in einiger Entfernung vom nächstgelegenen Widerstandsschalter befindet, so steht an der dem Fehler zugeordneten Klemme des Widerstandsschalters infolge der Leitungsimpedanzen eine Spannung an. Hieraus ergibt sich die Forderung, nicht die Spannung Null, sondern einen bestimm- ten höheren Mindestspannungswert zu wählen, bei dessen Unterschreiten der betreffende Widerstands- schalter geöffnet bleibt.
Anderseits kann noch eine weitere Schwierigkeit auftreten. Ist nämlich eine Last sehr gross, so würde der dieser Last entsprechende Widerstand kleiner sein als die Endwerte der Schalterwiderstände. Es würde damit am Anschlusspunkt der Last praktisch ein Kurzschluss vorgetäuscht werden. Die Spannung an dem
Netzpunkt, an welchem. die Last angeschlossen ist, würde unter Umständen tiefer sein als der eingestellte
Spannungswert für das selektive Kriterium. Durch die angegebenen Widerstandswerte der Schalter im Mo- ment des Ansprechens der Messvorrichtungen wird dieser Fehler vermieden.
Widerstandsschalter, die mit der beschriebenen Einrichtung für den Selektivschutz elektrischer Über- tragungsleitungen und Netze arbeiten, können auch zur Kurzunterbrechung verwendet werden. Es ist hie- für notwendig, dass auch der selektiv ausgewählte Schalter sofort mit dem andern Schalter wieder in die
Ein-Stellung geht und dass erst bei einem nochmaligen Ansprechen aller Schalter beim gleichen Fehler der selektiv ausgewählte Schalter in der Aus-Stellung (Endwert des Widerstandes) verriegelt bleibt.
Dies kann durch jedem Schalter zugeordnete Sperrglieder erreicht werden, die die sofortige Wiedereinschal- tung aller Schalter einschliesslich der selektiv ausgewählten Schalter zulassen, während beim zweiten An- sprechen der Schalter durch den gleichen Fehler die Sperrglieder die betroffenen Schalter so beeinflussen, dass diese in der"Aus"-Stellung bleiben. Da die Widerstandsschalter jedoch sehr schnell arbeiten, ist unter Umständen die spannungslose Pause für die Entionisierung der Llchtbogenstrecke an der Fehlerstelle zu kurz. Dieser Nachteil kann dadurch vermieden werden, dass sämtliche Widerstandsschalter mit einem einstellbaren Verzögerungsglied versehen werden.
Diejenigen Widerstandsschalter, die selektiv ausge- wählt wurden, schalten über das Verzögerungsglied zu, während alle übrigen Schalter, die ebenfalls durch den Fehler angeregt wurden, sich unverzögert wiedereinschalten.
In Fig. 3 ist eine Übertragungsleitung mit Widerstandsschaltern schematisch dargestellt, während die Fig. 4 und Fig. 5 die räumliche Spannungsverteilung bei Kurzschlüssen auf der Leitung bzw. an der
Sammelschiene wiedergeben.
In Fig. 3 bedeuten in Übereinstimmung mit Fig. 2 5 den Transformator, 6 und 7 die Widerstands- schalter mit den Klemmen c, d bzw. a, b, F eine Fehlerstelle auf der Leitung, F einen Fehler an der Sammelschiene S. B ist die im Normalbetrieb vorhandene Belastung. 31 bedeutet eine der Sekundär- wicklungen des Transformators 5, dessen Sternpunkt 0 geerdet ist ; die Klemmenspannung betrage UT.
Der Widerstandsschalter 6 besteht aus dem Fahrgestell 32, das die als hochohmige Widerstände aus- gebildeten Stützer 33 und 34 trägt. 35 und 36 sind Isolierplatten, 37 und 38 Metallplatten. Die Wider- stände sind mit 39 und 40 bezeichnet. 41 ist das bewegliche Schaltstück, das in einem isolierenden Füh- rungsstück 42 befestigt ist ;
es weist an seinem oberen Ende ein Loch 43 auf. 44 ist eine stirnseitig vor den
Widerständen liegende Isolierleiste zur Betätigung der Hilfsschalter 45 und 46.47 und 48 sind die Wicklungen der Verriegelungsglieder mit den Verriegelungsstiften 49 und 50, die durch nicht eingezeichnete Federn im stromlosen Zustand der Spulen 47 und 48 (Spannungsmessvorrichtungen 47 und 48) nach innen gedrückt werden. 51 bedeuten auf beiden Stirnseiten angebrachte Gummibänder, die den beweglichen Kontakt 41 in die Einschaltlage zurückziehen. Für den Widerstandsschalter 7 gelten die gleichen Be- zugszeichen, jedoch mit hochgestelltem Strich.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende :
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**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.