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Einschaltsicheres Differentialstromrelais
Die vorliegende Erfindung betrifft ein einschaltsicheres Differentialstromrelais, das einen Auslösekreis, einen Kompensationskreis sowie einen Haltekreis aufweist, wobei der letztere vorzugsweise die zweite Harmonische des Differentialstromes führt und mit einem Zwischenstromwandler in Verbindung steht.
Das Verhalten eines Transformators kann man bekanntlich mit Hilfe des in Fig. l gezeigten, vereinfachten Ersatzschemas hinreichend genau beschreiben. Dort sind mit X. der primäre, mit X'der reduzierte sekundäre Streublindwiderstand und mit X die Leerlaufreaktanz bezeichnet. Beim einwandfreien
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ein Phasenschluss oder eine andere innere Störung auf, so ist an Stelle von Xp eine wesentlich kleinere
Reaktanz vorhanden und es fliesst ein beträchtlicher Differentialstrom. Diese Tatsache wird benützt, um
Transformatoren durch Differentialstromrelais vor den Folgen innerer Kurzschlüsse zu schützen. Ordnet man nämlich gemäss Fig. 2 im Primär-bzw. Sekundärkreis des Transformators die Stromwandler 1 bzw.
2 an, so lässt sich durch entsprechende Wahl der Übersetzungsverhältnisse erreichen, dass über das Relais 3 der Differentialstrom iD fliesst und beim Auftreten eines Fehlers die Abschaltung des Transformators erfolgt. Falls man die Stromwandler 1 und 2 nicht exakt dem Übersetzungsverhältnis des Transformators anpasst, entsteht auch unter normalen Bedingungen ein Differentialstrom. Um ein hiedurch bedingtes unberechtigtes Ansprechen zu vermeiden, wird in bekannter Weise gemäss Fig. 3 ein stromabhängiges Kompensationssystem 4 vorgesehen, welches dem Differentialsystem 3 entgegenwirkt. Nun tritt jedoch nicht nur bei ungenauer Anpassung der Stromwandler oder bei einem Defekt, sondern auch beim Einschalten eines Transformators ein Differentialstrom auf, so dass es zu Fehlauslösungen kommen könnte.
Das Differentialstromrelais muss deshalb so gebaut sein, dass eine Unterscheidung zwischen Fehlerströmen und Einschaltstromstössen möglich wird. Die Lösung hiezu ergibt sich aus der harmonischen Analyse von oszillographisch aufgenommenen Fehler- und Einschaltströmen. Während sowohl beim Fehler- als auch beim Einschaltstrom eine Gleichstrom-Komponente, sowie in geringerem Masse höhere Harmonische vorhanden sind, ist der Einschaltstoss durch einen relativ hohen Wert der zweiten Harmonischen (etwa 30-70% der Grundwelle) gegenüber dem Fehlerstrom eindeutig gekennzeichnet.
Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, das Differentialstromrelais nicht nur mit einem Auslöse- und Kompensationssystem, sondern dar- über hinaus mit einem Haltesystem zu versehen, wobei letzteres unter Verwendung von Siebkreisen bzw.
Sperrkreisen nur auf die höheren Harmonischen bzw. insbesondere auf die zweite Harmonische anspricht. Sobald diese Harmonischen einen bestimmten Wert besitzen, verhindert das Haltesystem eine Abschaltung des Transformators, da es sich ja um einen Einschaltstoss handelt. Wenn man sämtliche höheren Harmonischen in bekannter Weise auf das Haltesystem wirken lässt, kann bei heftigen Fehlern, z. B. in der Nähe der Transformatorklemmen, infolge der Sättigung der Stromwandler und der hiedurch hervorgerufenen starken Oberwellen dritter und höherer Ordnung ein Einschaltstoss vorgetäuscht werden und der Schutz versagen.
Ordnet man hingegen gemäss einer andern bekannten Einrichtung in Reihe zum Haltekreis einen Sperrkreis bzw. parallel zum Haltekreis einen Resonanzkreis für die Grundwelle an, so wird eine genaue Abstimmung des Haltekreises auf die zweite Harmonische relativ schwierig und die dritte Oberwelle bzw. weitere Oberwellen höherer Ordnung können auch hier bei grossen Fehlerströmen einen Einschaltstoss vortäuschen. Nur durch die Verwendung zahlreicher zusätzlicher Schalteinheiten lässt sich eine einigerma- ssen einwandfreie Siebung ermöglichen.
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Die Nachteile des Bekannten können vermieden werden, wenn erfindungsgemäss der die zweite Har- monische bevorzugende Kreis in Reihe liegt zur Primärwicklung eines Zwischenstromwandlers und wenn diese Primärwicklung einen Abgriff besitzt, der mit einem weiteren Kreis verbunden ist, welcher die zweite Harmonische sperrt.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch wiedergegeben. Mit 1 wird ein im primären, mit 2 ein im sekundären Transformatorkreis angeordneter Stromwandler bezeichnet.
Der Stromwandler 3'führt den Differentialstrom in, während der Wandler 4'im Zusammenwirken mit der Gleichrichterbrücke 5 dem Auslösesystem 6 eine vom Transformatorbetriebsstrom abhängige Komponente zuführt, welche zur Kompensation desjenigen Differentialstromes dient, der von einer nicht völlig genauen Anpassung der Stromwandler 1 und 2 an das Transformatorüberseizungs-Verhältnis herrührt. Die Sekundärwicklung eines Zwischenstromwandlers 7 ist mit einer Gleichrichterbrücke 8 verbunden, welche den Haltestrom liefert. Die Primärwicklung des Zwischenstromwandlers 7 liegt in Reihe zu einer Drossel
9 und einer Kapazität 10, welche vorwiegend die zweite Harmonische des Differentialstromes führen.
Der aus einer Induktivität 11 und einem Kondensator 12 aufgebaute Kreis, welcher einen Sperrkreis für die zweite Harmonische darstellt, steht einerseits mit einer den Auslösestrom abgebenden Gleichrichterbrücke 13 in Verbindung, anderseits mit einem Abgriff 14 der Primärwicklung des Zwischenstromwandlers 7. Der Wandler 3'und die Brücke 13 sind über einen ohmschen Widerstand 15 miteinander verbunden.
Zur Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes ist folgendes auszuführen : Bei Nennfrequenz verhält sich der aus der Drossel 11 und dem Kondensator 12 bestehende Parallelkreis induktiv, während die aus der Drossel 9 und dem Kondensator 10 gebildete Reihenschaltung kapazitiv ist. Die Grundwelle des Differentialstromes hat also zu beiden Seiten des an der Zwischenstromwandler-Primärwicklung angebrachten Abgriffs 14 entgegengesetzte Richtungen. Dies ist in Fig. 5 dargestellt, in welcher gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 4.
Die Grundwelle wird also bei entsprechender Einstellung des Abgriffs 14 nicht auf die Sekundärseite des Zwischenstromwandlers 7 übertragen und kann damit vom Gleichrichter 8 des Haltesystems ferngehalten werden ; Es lässt sich also auf einfachste Weise, unter Vermeidung eines zusätzlichen Sperrkreises, die Grundwelle aus dem Haltekreis eliminieren. Ähnliches gilt auch für die dritte Oberwelle sowie für die höheren Harmonischen, da bei dreifacher und höherer Nennfrequenz der Parallelkreis 11, 12 kapazitiv und die Reihenschaltung 9, 10 induktiv ist. Zum Zwecke der weiteren Schwächung der dritten Oberwelle im Haltestromkreis wird ausserdem die Reihenschaltung 9, 10 bei doppelter Nennfrequenz bereits leicht induktiv eingestellt.
Das Auslösesystem 6 (Fig. 4) wird von der Differenz zwischen Auslöse-Kompensations-und Haltestrom gesteuert. Man könnte jeden der vorgenannten Ströme auf eine separate Wicklung wirken lassen, es ist jedoch auch ein galvanischer Vergleich mit Hilfe der Gleichrichterbrücken 5, 8 und 13 möglich. Solange die an den Klemmen des Auslösesystems 6 auftretende Differenzspannung kleiner ist als die Schwellenspannung der Gleichrichter, muss sich der relativ kleine Gesamtstrom über das Auslösesystem schliessen, weil die Gleichrichter von entgegengesetzter Polarität noch nicht durchlässig sind. Wird hingegen die Schwellenspannung überschritten, so fliesst ein Teil des Stromes über das Auslösesystem und ein weiterer über die Gleichrichter mit anderer Polarität.
Im Auslösesystem selbst kann also ein bestimmter Höchststrom und damit eine bestimmte Höchstspannung nicht überschritten werden. Folglich entstehen auch an den Gleichrichtern keine unzulässig hohen Spannungen. Um einen richtigen Vergleich der Ströme zu gewährleisten, müssen die Gleichrichterbrücken 5, 8, 13 denselben dynamischen Widerstand und die gleiche Schwellenspannung aufweisen. Gemäss Fig. 4 wird der vomStromwandler 4'gebildete Kompensationsstrom durch den Primärkreis und nur einen Sekundärkreis des Transformators bestimmt. Handelt es sich jedoch um mehr als zwei sekundäre Zweige, beispielsweise bei einem Dreiwicklungstransformator oder vorhandenen Abzweigungen, so ist die wechselstromseitige Addition, wie sie in Fig. 4 vorgenommen wird, nicht mehr anwendbar, da die Kompensation dann bei allen möglichen Fehlern keinesfalls mehr einwandfrei wirkt.
In diesem Fall lässt sich die Anordnung entsprechend Fig. 6 verwenden. Die einzelnen Zweige werden über Wandler 16, 17 usw., die zur Einstellung der Kompensationswirkung mit Anzapfungen versehen sind, an die Gleichrichterbrücken 18, 19, 20 gelegt, welche den Gleichrichter 5 speisen. Auf diese Weise erreicht man, dass die dynamischen Widerstände der Brücken 5, 8, 13 einander gleichbleiben.
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