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Schutzeinrichtung für elektrische Anlageteile
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einer steuerbaren Kalt-Kathodenröhre besteht, parallelgeschaltet. Bei Auftreten eines Erdschlussfehlers dient die Fehlerspannung, die am Gehäuse der zu schützenden Maschine auftritt, als Auslösespannung für die Kaltkathodenröhre. Nach ihrem Zünden entlädt sich der Ladekondensator über das Schutzrelais, das die erdschlussbehaftete Maschine vom Drehstromnetz trennt. Weiterhin ist eine Schutzeinrichtung für
Stromerzeuger bekannt, die bei Über-oder Unterspannungen nach Kurzschluss- oder Erdschlussfehlern so- wie bei zu hoher oder zu niedriger Generatorfrequenz den Netzschalter auslöst.
Zum Erfassen einer Ull- zulässig hohen Generatorspannung ist an das Drehstromnetz eine Gleichrichteranordnung in einer Dreh- strombrückenschaltung angeschlossen ; der Gleichstromausgang dieser Anordnung ist mit einem Überwa- chungsrelais verbunden, das bei Ansteigender Generatorspannung über einen unzulässigen Wert anspricht und den Stromerzeuger vom Netz abschaltet. Ein weiteres Überwachungsrelais, das einen mit zwei Wick- lungen versehenen Magnetkern besitzt, dient als Schutzeinrichtung des Stromerzeugers bei Auftreten von
Kurzschlussfehlern, die ein Zusammenbrechen einer oder mehrerer Phasen der Netzspannung hervorrufen.
Während die eine Wicklung von einem von allen Phasenspannungen des Netzes abhängigen gleichgerich- teten Strom durchflossen wird, wird der andern Wicklung ein Strom zugeführt, der von der Verlagerung des Stempunktes bei Fehlerfall abhängig ist. Bei Normalbetrieb der elektrischen Anlage tritt in der zwei- ten Wicklung kein Strom auf. Im Magnetkern des Schutzrelais sind die magnetischen Flüsse, die von den beiden Gleichströmen hervorgerufen werden, einander entgegengerichtet. Bei Auftreten eines Kurzschluss- fehlers bringt der in der zweiten Wicklung auftretende Strom das Überwachungsrelais zum Abfallen.
Bei der bekannten Schutzeinrichtung erfolgt die Erfassung eines Kurzschlussfehlers mit einem Überwachungs- relais, das in Abhängigkeit von einem aus den Phasenspannungen abgeleiteten mittleren Gleichstrom und einem Gleichstrom arbeitet, der aus der Nullspannung entsteht, die im Fehlerfall an dem Sternpunkt einer symmetrisch aufgebauten Widerstandsanordnung gegen Erde auftritt. Bei dieser zyklischen Anregung handelt es sich um eine arithmetische Differenzbildung zweier Gleichströme, die über Wicklungen eines polarisierten Überwachungssystems vorgenommen wird. Die bekannte Schutzeinrichtung besitzt den Nachteil, dass sie in Abhängigkeit vom Auftreten der Verlagerung des Netzsternpunktes betätigt wird, und erst nach Erreichen einer bestimmten Grösse der Nullspannung des Schutzrelais abfällt.
Es stellt sich also die Aufgabe, in einem elektrischen Anlageteile die Phasenspannungen bzw. verketteten Spannungen eines Drehstromnetzes bei dreipoligem Kurzschluss oder zweipoligen Kurzschlüssen vor bzw. hinter Stern-Dreiecktransformatoren sowie bei Erdschluss mittels eines Relaissystems zu überwachen, das unabhängig von der Fehlerart mit annähernd gleicher Empfindlichkeit den Zusammenbruch jeder der drei Phasenspannungen oder verketteten Spannungen erfasst und diese zur Anzeige bzw. Abschaltung des Anlageteiles auswertet. Bei den bekannten Einrichtungen wird entweder nur ein Teil der Fehlerfälle erfasst oder es werden zur Ausmessung der verschiedenen Fehlerfälle mehrere Messrelais verwendet bzw.
Umschaltungen im Messkreis vorgenommen.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist erfindungsgemäss als Schutzrelais ein Gleichstromrelais mit zwei Wicklungen vorgesehen, dessen eine Wicklung zwischen einen an alle Phasenspannungen über Gleichrichter geschalteten Sternpunkt und den Nulleiter des Drehstromnetzes geschaltet ist und dessen andere Wicklung über einen Vollweggleichrichter an die Sekundärwicklung eines Zwischenwandlers mit zwei Primärwicklungen angeschlossen ist, von denen die eine über einen ohmschen Widerstand zwischen einen Phasenleiter und den Nulleiter, dagegen die andere über eine mindestens einen Blindwiderstand aufweisende Serienschaltung für eine 600 Phasendrehung zwischen einen weiteren Phasenleiter und den Nulleiter geschaltet ist, derart,
dass die in den Primärwicklungen erzeugten Ströme bei fehlerfreiem Drehstromnetz gleiche Grösse und gegeneinander 1800 Phasenverschiebung aufweisen und dass bei fehlerbehaftetem Drehstromnetz das Gleichstromrelais durch ein in den Wicklungen von den entgegengesetzt flie- ssenden Strömen erzeugtes resultierendes Magnetfeld abfällt.
Die über die Gleichrichtersternschaltung erzeugte Gleichspannung ist ein Mass für die Veränderung der verketteten Spannungen bei fehlerbehaftetem Netz ; die aus der Differenz der zwei Phasenspannungen gewonnene Gleichspannung ist ein Mass für die Veränderung des Winkels zwischen den einzelnen Phasenspannungen. Durch geeignete Dimensionierung des Übersetzungsverhältnisses des Zwischenwandlers wird erzielt, dass die aus den beiden Gleichströmen erzeugte Durchflutung im polarisierten Gleichstromrelais eine annähernd gleiche Empfindlichkeit für alle Fehlerarten ergibt.
Gemäss der Erfindung dient für die Spannungsüberwachung als Schutzrelais ein Gleichstromrelais mit zwei Wicklungen ; in diesem wirkt einem gleichgerichteten Strom, der etwa der Summe der Phasenspannung proportional ist, ein am Ausgang eines primärseitig von zwei Phasenströmen gespeisten Zwischenwandlers ebenfalls gleichgerichteter Strom magnetisch entgegen, wodurch das Relais mit gleicher Empfindlichkeit zum Abfallen gebracht wird, gleichgültig ob ein Kurzschluss oder Erdschluss innerhalb des zu
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überwiegenden Teilen sich völlig deckend verlaufen, zeigen diese, dass sich bei Auftreten verschiedenartiger Fehlerfälle eine gleich grosse Auslösesicherheit bei der erfindungsgemässen Einrichtung auftritt.
In Fig. 1 ist ein zu überwachender Anlageteil dargestellt, der beispielsweise aus einer Drehstromleitung 1 mit Nulleiter und einem Leistungstransformator besteht, an dessen in Dreieck geschaltete Sekundärwicklung 2 eine Drehstromleitung 3 ohne Nulleiter angeschlossen ist. Aus den Spannungen des Drehstromnetzes wird durch eine Gleichrichterstemschaltung 4 die Gleichspannung U gebildet, die der Wicklung 5 eines Gleichstromrelais zugeführt ist. Die Fig. 1 zeigt die Fehlerarten, die von der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung mit annähernd gleicher Empfindlichkeit erfasst werden.
Es handelt sich um a) einen dreipoligen Kurzschluss,
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fliesst, der phasengleich mit der Phasenspannung UR ist. Dagegen wird die Phasenspannung UT an die Serienschaltung angelegt, die aus dem ohmschen Widerstand 18 und dem Kondensator 11 besteht. Es entsteht ein Wechselstrom
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Die Grössen der Widerstände RR, RT und des Kondensators CT sind derart festgelegt, dass bei fehlerfreiem Betrieb des elektrischen Anlageteiles (alle dreiphasenspannungen gleich der Nennspannung und jeweils um 1200 zueinander phasenverschoben) die vektorielle Summe der Wechselströme JR und JT gleich Null ist. Die Erfüllung dieser Bedingung wird mit den folgenden Beziehungen erreicht :
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Die Wechselströme JR und JT fliessen durch die beiden Primärwicklungen 8,9 des Zwischenwandlers.
Die beiden Primärwicklungen 8,9 mit gleich grosser Windungszahl wR = wT sind gleichsinnig gewickelt. In der Sekundärwicklung 7 des Zwischenwandlers mit der Windungszahl w2 entsteht ein Strom, der der Summe von JR und JT entspricht. Der in der Sekundärwicklung 7 auftretende Strom J2 wird einer Gleichrichteranordnung 14 zugeführt, an deren Ausgang die Wicklung 6 des Gleichstromrelais angeschlossen ist.
Die Windungszahl w2 der Sekundärwicklung 7 des Zwischenwandlers ist derart festgelegt, dass bei Nennspannung des Drehstromnetzes und Erdschluss einer der Phasenspannungen die resultierende elektrische Durchflutung im magnetischen Kreis des Gleichstromrelais Null ist.
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Mit der Festlegung solcher Durchflutungsverhältnisse im Gleichstromrelais bei einem Erdschlussfehler des elektrischen Anlageteiles ergibt sich für das Übersetzungsverhältnis ü des Zwischenwandlers folgender Zusammenhang :
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Zwischen den Windungszahlen w, w , w der einzelnen Wicklungen 7, 8,9 des Zwischenwandlers besteht folgende Beziehung :
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Bei den verschiedenen Kurzschluss- und Erdschlussfehlern bricht je nach der Entfernung der Fehlerstelle vomEinbauort der Schutzeinrichtung jeweils mindestens eine Phasenspannung zusammen.
Bezeich-
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Bei einem zweipoligen Kurzschluss vor einem Stem-Dreiecktransformator b ergibt sich :
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Bei einem einpoligen Erdschluss c folgt die Gleichung :
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Bei einem zweipoligen Kurzschluss d hinter einem Stern-Dreiecktransformator besteht die Beziehung :
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dargestellt.
Für die einzelnen Fehlerfälle bestehen folgende Gleichungen :
Bei einem dreipoligen Kurzschluss a gilt :
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Bei einem zweipoligen Kurzschluss vor bzw. hinter einem Stern-Dreiecktransformator b, d ergibt sich :
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Bei einem einpoligen Erdschluss c besteht die Beziehung :
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lung 5 von dem Gleichstrom 11 durchflossen ist. Bei einem dreipoligen Kurzschluss nimmt je nach der Nähe des Fehlers die elektrische Durchflutung 11. wl im magnetischen Kreis ab ; dagegen besitzt
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tierenden magnetischen Flusses im Magnetkreis des Relais ein. Bei jedem Kurzschluss-oder Erdschluss- fehler erfolgt ein Abfallen des polarisierten Gleichstromrelais.
Für schwere Fehlerfälle ist gerade ein rich- tiges, im gleichen Masse empfindlicheres Funktionieren der Einrichtung gewährleistet.
Durch die Bemessung der Widerstände RU, RUT und des Kondensators CT nach den Gleichungen (3) und (4) und des Übersetzungsverhältnisses ü des Zwischenwandlers nach der Gleichung (6) ist es bei dem Auftreten eines Kurzschluss-oder Erdschlussfalles in dem elektrischen Anlageteile möglich, dass in
Abhängigkeit von dem Zusammenbruch des Drehstromnetzes die elektrische Durchflutung il. w, und die ausgenommen bei dreipoligem Kurzschluss auftretende, der ersteren entgegengesetzt gerichtete Durch- flutung J2. wjj im magnetischen Kreis des Gleichstromrelais derart zusammenwirken, dass das Gleich- stromrelais die Kurzschluss-und Erdschlussfehler mit annähernd gleicher Empfindlichkeit erfasst und ab- fällt.
Bei einem dreipoligen Kurzschlussfehler tritt zwar keine elektrische Durchflutung Jz. n & uf, aber der Rückgang der elektrischen Durchflutung J1.WI be wirkt ein Abfallen des Gleichstromrelais, das den gestörten Anlageteil abschaltet.
Auf einfache Weise dient die erfindungsgemässe Einrichtung auch dazu, um die Unterbrechung der Auslöseleitungen anderer hochwertiger Schutzeinrichtungen während der periodischen Schutzprüfung bei schweren Fehlern in einem Schutzobjekt, das dem elektrischen Anlageteil vorgeschaltet ist, rückgängig zu machen und so eine rasche Meldung des Fehlers bzw. Abschaltung des Schutzobjektes zu gewährleisten.
Tritt während einer solchen Prüfung eines Generatorschutzes ein schwerer Fehler in dem Schutzobjekt, beispielsweise ein Windungsschluss in dem Generator C auf, der kaum zu einer starken Verlagerung des Spannungssternes führt, ist es möglich, den zum Abfallen des Gleichstromrelais notwendigen Strom J2 mit einem aus zwei Wicklungen bestehenden Zwischenwandler 12 und einem diesen sekundärsei- tig nachgeschalteten Vollweggleichrichter 13 zu erzeugen, wobei die bei einem Windungsschluss des Generators G auftretende Spannung UA an der offenen Dreieckwicklung der Generatorstützdrossel die Primärwicklung des Zwischenwandlers 12 speist.
In der Fig. 1 sind die Leitungsstücke unterbrochen dargestellt, die den Ausgang des Vollweggleichrichters 13 mit der Spule 6 des Gleichstromrelais verbinden. Es lässt sich dadurch erreichen, bei Auftreten eines schweren Generatorfehlers auch während der Prüfung seiner Schutzeinrichtungen durch selbsttätigen Abwurf der Prüfeinrichtung den mit einem Fehler behafteten Generator sofort abzuschalten, um eine Zerstörung der Wicklung und der der letzten naheliegenden Eisenteile zu verhindern.
Es besteht die Möglichkeit, als Schutzrelais jedes Gleichstromrelais oder Transistorrelais mit zwei Einspeiseseiten zu verwenden ; hiezu werden die Einspeiseseiten durch geeignet dimensionierte Widerstände voneinander entkoppelt. Besonders vorteilhaft kann als Schutzrelais auch ein elektromagnetisches Relais mit zwei Wicklungen und einem Halteverhältnis grösser als 1, 15 angewandt werden, wobei das Verhältnis der Ansprechspannung zu Abfallspannung (Halteverhältnis) durch die in Fig. 4 dargestellte Schaltung auf einen gewünschten Wert z. B. von etwa 1, 1 bis etwa 1, 15 gebracht werden kann. Nach der Fig. 4 liegt dauernd in Serie zu einer der beiden Relaisspulen 5 ein Widerstand 15, der so gewählt ist, dass beim festgelegten Ansprechwert am Relais gerade die Ansprechspannung liegt.
Durch einen Relais-
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kontakt wird parallel zur Relaisspule 5 der Widerstand 16 geschaltet, der so dimensioniert ist, dass am Relais nur mehr der etwa 1, bis 1,15face Wert der Abfallspannung liegt, wodurch das gewünschte
Halteverhältnis erreicht wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schutzeinrichtung für einen elektrischen Anlageteil, in dem Spannungen, insbesondere die Phai senspannungen und verketteten Spannungen eines Drehstromnetzes, mittels eines Schutzrelais überwacht werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzrelais ein Gleichstromrelais mit zwei Wick- lungen dient, dessen eine Wicklung (5) zwischen einen an alle Phasenspannungen über Gleichrichter (4) geschalteten Stempunkt und den Nulleiter des Drehstromnetzes geschaltet ist und dessen andere Wicklung (6) über einen Vollweggleichrichter (14) an die Sekundärwicklung eines Zwischenwandlers (7) mit zwei ) Primärwicklungen (8,9) angeschlossen ist, von denen die eine (8) über einen ohmschen Widerstand (10) zwischen einen Phasenleiter und den Nulleiter, dagegen die andere (9) über eine mindestens einen Blind- widerstand (11)
aufweisende Serienschaltung (11, 18) für eine 60 Phasendrehung zwischen einen weiteren
Phasenleiter und den Nulleiter geschaltet ist, derart, dass die in den Primärwicklungen (8,9) erzeugten
Ströme bei fehlerfreiem Drehstromnetz gleiche Grösse und gegeneinander 180 Phasenverschiebung aufweisen und dass bei fehlerbehaftetem Drehstromnetz das Gleichstromrelais durch ein in den Wicklungen (5,6) von den entgegengesetzt fliessenden Strömen erzeugtes resultierendes Magnetfeld abfällt.