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Distanzmessverfahren mit grosser Reserve- für Lichtbogenwiderstände
Die Grundform des Distanzrelais stellt das reine Impedanzrelais dar, dessen Kippimpedanz unabhängig von der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ist und dessen Ortskurve also ein in Fig. 1 der Zeichnung dargestellter Kreis mit dem Koordinatenursprung als Mittelpunkt ist. Der Vektor Z stellt die Impedanz für einen metallischen Kurzschluss innerhalb der zu schützenden Leitungsstrecke dar. Überschreitet der Vektor Z die Kippimpedanz Zr, kommt keine direkte Auslösung mehr zustande.
Lichtbogenwiderstände, die bekanntlich fast rein ohmscher Natur sind, fälschen die Impedanzmessung, wenn sie grösser sind als die Lichtbogenreserve RL, die durch den Abstand von der Peripherie des Kreises in ohmscher Richtung gegeben ist. Für die Kippimpedanz ZK ist die Lichtbogenreserve RL gleich Null.
Um grössere Lichtbogenreserve, insbesondere für den Kippunkt, zu erzielen, istes üblich geworden, denKreis, wie inFig. 2 der Zeichnung dargestellt, in ohmscher Richtung so weit zu verschieben, dass sich für den Kippunkt noch eine Lichtbogenreserve von zirka 63% des Ortskurvenradius ergibt. Die Kuppe eines solchen in Fig. 2 dargestellten Mischimpedanzkreises beträgt dabei 5go des Ortskurvenradius.
Es ist weiter bekannt, die Lichtbogenreserve, insbesondere für kurze Leitungen, dadurch zu erhöhen, dass man zwei Messrelaisschaltungen verwendet, von denen die eine reines Reaktanzrelais die andere ein Impedanz-, Mischimpedanz-, oder Konduktanzrelais enthält. Fig. 3 zeigt als Beispiel die Kennlinien eines Reaktanzrelais und eines Konduktanzrelais ; die Charakteristik des Reaktanzrelais XK = const begrenzt den direkten Auslösebereich in X-Richtung, der Konduktanzkreis begrenzt in R-Richtung. Dieses Prinzip führt zu relativ grossen Lichtbogenreserven, allerdings mit dem hohen Aufwand zweier vollständiger Messschaltungen.
Bekannt ist es ferner, die Distanzmessung auf einen Phasenvergleich zurückzuführen, indem man bei von den beidenGrundgrössenStrom und Spannung in geeigneterweise zwei Spannungen U und U ableitet, die ganz allgemein den Vektorgleichungen
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längs einer um den Innenwinkel 6 gegenüber der ohmschen Achse geneigten Geraden. Am Beispiel der Fig. 6, in die auch der Leitungswinkel soK, unter dem sich der Impedanzvektor Z für metallischen Kurzschluss aufbaut, eingezeichnet ist, wird deutlich, dass auch mit den bekannten Phasenvergleichsverfahren bisher keine grösserenLichtbogenreservenRL als bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Verfahren erzielt wurden.
Die Erfindung befasst sich mit dem Problem, ein Distanzmessverfahren zu entwickeln, welches bei geringem Aufwand auch extrem grosse Lichtbogenreserven garantiert, die etwa in der gleichen Grössen-
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ordnung liegen, wie diejenigen Lichtbogenreserven, die man beispielsweise durch die Kombination Reaktanz-Konduktanzrelais (vgl. Fig. 3) erhalten kann.
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Lösung des vorstehend genannten Problems ist zwar bereits vorgeschlagen worden, elliptische Ortskur-ven zu verwenden. Die Verwirklichung derartiger Ortskurvenführt jedoch zu Schwierigkeiten, sobald ein grosses Achsenverhältnis gebildet werden soll. Die Schwierigkeiten sind dabei messtechnischer Art und betreffen einmal die Ansprechgeschwindigkeit und zum andern die Ausführung des Relais.
Bezüglich der Ansprech- geschwindigkeit, insbesondere bei Verwendung elektromechanischer Relais, gilt, dass diese in der Nähe der Ortskurve geringer wird, da sich die für die Relaisbetätigung verfügbare Energie ebenfalls verringert.
Im Falle einer Ellipse mit grossem Achsenverhältnis führt dies zu grossen Bereichen, in denen mit verrin- gerter Ansprechgeschwindigkeit zu rechnen ist.
Hinsichtlich der Ausführung eines Relais mit elliptischer Ortskurve gilt, dass mindestens drei ver- schiedene Messgrössen miteinander verglichen werden müssen. Der Gesamtfehler setzt sich daher aus den
Messfehlern zusammen, mit denen die drei verschiedenen Messgrössen ihrem Betrage nach bestimmtwerden können. Ferner gehen noch die Messfehler ein, mit denen zwei der genannten Grössen hinsichtlich Betrag und Richtung ermittelt werden können.
Demgegenüber wird bei der erfindungsgemässen Distanzschutzeinrichtung ein sehr viel einfacheres
Messkriterium verwendet. Es wird nämlich davon Gebrauch gemacht, dass der Winkel, unter dem eine Se- kante von einem darüber aufgespanntenKreisbogen gesehen wird, konstant ist. Dies führt zu linsenförmi- gen Ortskurven (vgl. Fig. 7 oder 9).
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Distanzschutzeinrichtung, die auf einem Phasenvergleich zweier an denEnden eines zu schützendenLeitungsabschnittes aus der Spannung direkt und vom Strom mit
Hilfe vonReferenzimpedanzen abgeleiteten Bezugsspannungen beruht, wobei ihre Auslösung erfolgt, wenn der Phasenwinkel zwischen diesen Bezugsspannungen einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
Erfindungsgemäss ist zur Lösung der oben erwähnten Aufgabenstellung der Grenzwert des Phasenver- schiebungswinkels zwischen den beiden Bezugsspannungen, bei dessen Unterschreitung eine Auslösung er- folgt, auf einen bestimmten Wert kleiner als 900 festgesetzt, so dass man bei der Darstellung im R-X-
Diagramm eine aus zwei sich schneidenden Kreisbögen des gleichen Krümmungsradius bestehende Orts- kurve erhält, welche durch entsprechende Bemessung der zur Bildung der beiden Bezugsspannungen ver- wendetenReferenzimpedanzenin ohmscher Richtung desR-X-Diagramms soweitverschoben wird, dass man für alle Fehlerortsentfernungen auf der überwachten Leitungslänge sehr grosse Lichtbogenreserven erhält.
Die Ortskurve bei der erfindungsgemässenDistanzschutzeinrichtung, nämlich der Kreisbogenabschnitt, ist durch die erfindungsgemässe Lösung bis auf einenÄhnlichkeitsfaktor allein durch den Winkel bestimmt.
Der Ahnlichkeitsfaktor wieder wird durch die Wahl der Referenzimpedanzen ZR Z festgelegt. Als
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Durch die Wahl einer elektronischen Phasenvergleichsmessschaltung wird weiter erreicht, dass die Ansprechgeschwindigkeit im gesamten, von der linsenförmigen Ortskurve eingeschlossenen Gebiet konstant ist.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 7-9 wird nachfolgend das erfindungsgemässe Verfahren näher erläutert.
Fig. 7 zeigt als Beispiel die Ortskurve für den Fall, dass man den Winkel , innerhalb-dessen die Schaltung anspricht, auf 200 begrenzt. Die beiden Referenzimpedanzen ZR und Zusind hier ohmsche
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Widerstände, d. h. ihr Innenwinkel ist 6=0. Die Hauptachse der Ortskurve, die einen linsenförmigen Ansprechbereich umschreibt, liegt deshalb in ohmscher Richtung.
Das Mass der Verschiebung der Ortskurve in ohmscher Richtung ergibt sich aus dem Grössenverhältnis der beiden Referenzimpedanzen Zen, und Zn, und ist gemäss dem Leitungswinkel soK so gewählt, dass die Kuppe etwa 5% der Kippreaktanz XK beträgt, und damit der Bereich einer möglichenFehlauslösung bezogen auf die geschützte Leitungslänge mit guter Annäherung dem gleichen Bereich im Falle der Ortskurve nach Fig. 2 entspricht. Für die Koeffizienten, mit
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U eingeht,der Ortskurve nach Fig. 2. Für näher liegende Fehler ist die Lichtbogenreserve noch wesentlich grösser ; für einen Fehler direkt am Einbauort des Relais würde sie nach dem Beispiel zirka 750% der Reaktanz XK ausmachen. Das Messprinzip ist also besonders für kurze Leitungen sehr gut geeignet.
Es ist verständlich, dass man noch grössere Lichtbogenreserven, insbesondere für denKippunkt erzielen könnte, wenn man statt der 5%-Kuppe eine 100/0-Kuppe zulassen würde.
Fig. 8 zeigt zur Veranschaulichung des Messprinzips das Vektordiagramm für einen Fehler am Kipp-
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legenen Fehler an, ist die Spannung U kleiner, der Winkel zwischen U und U ebenfalls. Die Schaltung würde also ansprechen. Läge anderseits ein Fehler ausserhalb der direkt zu schützenden Leitungsstrecke vor, so wäre bei gleichem Strom die Spannung U grösser, der Winkel #12 zwischen U1 und U ebenfalls, d. h. die Schaltung würde also, so wie es sein muss, nicht ansprechen.
In Fig. 9 ist eine Ortskurve dargestellt, die man durch geeignete Wahl der Referenzimpedanzen ZR ! und Zp sowie deren Innenwinkel 6 erhält. Eine solche Ortskurve garantiert im Spezialfall für alle Fehlerentfernungen bis hin zum Kippunkt etwa gleiche Lichtbogenreserve.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eignet sich insbesondere eine an sich bekannte, vorwiegend mit elektronischen Mitteln arbeitende Schaltungsanordnung für "integrierenden Phasenvergleich". Bei dieser Schaltungsanordnung werden die beiden abgeleiteten Spannungen U und U, vielfach nach Umformung in Rechteckform, einer Koinzidenzschaltung zugeführt, die nur so lange an ihrem Aus-
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integriert und einem Messglied (Pegeldetektor) zugeführt, das beispielsweise aus Transistorkippschaltungen besteht. Dieses spricht an, sobald der Integralwert einen bestimmten Ansprechwert überschreitet. Je flacher man die erfindungsgemässe Ortskurve machen will, umso höher muss der Ansprechwert des Messgliedes liegen.
Integriereinheit und Messglied können auch zusammengefasst sein, beispielsweise zu einem einzigen Relais, das auf einen bestimmten arithmetischen oder geometrischen Mittelwert der Ausgangsgrösse anspricht.