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Schaltungsanordnung mit einem Richtungsrelais oder
Richtungsvergleichsschutz
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Richtungsrelais oder Richtungsvergleichsschutz, der eine vom Strom in dem zu überwachenden Netz abhängige Grösse und der eine mittels eines Spannungswandlers aus der Spannung in dem zu überwachenden Netz abgeleitete Spannung zugeführt wird.
Die Schaltungsanordnung mit einem Richtungsrelais oder Richtungsvergleichsschutz ist gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die abgeleitete Spannung einem kapazitiven Spannungswandler entnommen wird, an den sekundärseitig über ein Filternetzwerk das Richtungsrelais oder der Richtungsvergleichsschutz angeschlossen ist, wobei das Filternetzwerk in der abgeleiteten Spannung vorhandene Ausgleichsschwingungen des kapazitiven Wandlers unterdrückt und den die Messgrösse darstellenden, netzfrequenten Anteil der abgeleiteten Spannungen überträgt.
Bisher sind in Richtungsrelais-oder Richtungsvergleichsanordnungen vorwiegend induktive Spannungwandler eingesetzt worden, die sich gegenüber kapazitiven Spannungswandlern durch eine gute Abbildungstreue auszeichnen. Bei kapazitiven Spannungswandlern entstehen nämlich insbesondere bei Kurzschlüssen Ausgleichsschwingungen, die eine derartige Amplitude und Zeitdauer aufweisen, dass bei einem naheliegenden Fehlerort die auf einen Bruchteil der Nennspannung reduzierte Kurzschlussspannung völlig überdeckt wird.
In Fig. 1 ist der Verlauf der Ausgleichsschwingung Ual eines kapazitiven Spannungswandlers in Abhängigkeit von der Zeit t für den Fall dargestellt, dass der Kurzschluss im Maximum der Netzspannung UN auftritt. Der Kurzschluss setze zur Zeit t = 0 ein ; es entsteht eine kräftige, innerhalb von einigen Halbwellen der Netzspannung abfallende Ausgleichsschwingung Ua1 mit einer Frequenz von einigen Hundert Hz.
Bei einem im Nulldurchgang der Netzspannung UN, beispielsweise bei einem Blitzschlag, eintretenden Kurzschluss entsteht eine weitere, in Fig. 2 gezeigte, sehr gefährliche Ausgleichsschwingung Ua2, die eine Amplitude von bis zu 10% der vollen Netzspannung und eine tiefe Frequenz von weniger als 10 Hz besitzt. Diese Ausgleichsschwingung Ua2 ist darum so gefährlich, weil bei einem naheliegenden Kurzschlussort die Amplitude der Ausgleichsschwingungen Ua2 des kapazitiven Spannungswandlers die der die Messgrösse darstellenden, netzfrequenten Schwingungen der abgeleiteten Spannung überdeckt.
Wird als Messwerk ein solches mit wattmeterähnlichen Eigenschaften verwendet, wie es bei einem Richtungsrelais oder Richtungsvergleichsschutz üblich ist, dann führt das Messwerk unter dem Einfluss der abgeleiteten Spannung und einer dem Kurzschlussstrom proportionalen, netzfrequenten Spannung Pendelungen um seine Ruhelage aus, was zu Fehlauslösungen des Richtungsrelais oder des Richtungsvergleichsschutzes führt.
Der Einfluss der Ausgleichsschwingungen würde also bei einem direkt an einen kapazitiven Spannungswandler angeschlossenen Richtungsrelais oder Richtungsvergleichsschutz zu Fehlentscheidungen führen, die im vorübergehenden Blockieren oder Fehlauslösen des zugehörigen Leistungsschalters bestehen können.
Die beschriebenen Eigenschaften der kapazitiven Spannungswandler, die einer Verwendung dieser
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Spannungswandler im Rahmen von Richtungsrelaisanordnungen bisher hinderlich im Wege standen, üben auf die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung keinen nachteiligen Einfluss aus, da das Richtungsrelais oder derRichtungsvergleichsschutz nicht direkt an die Sekundärausgänge des kapazitiven Wandlers angeschlossen ist, sondern unter Zwischenschaltung eines Filternetzwerkes mit dem kapazitiven Spannungswandler verbunden ist.
Das Filternetzwerk ist dabei derart dimensioniert, dass die in der mittels des kapazitiven Spannungswandlers aus der Spannung in dem zu überwachenden Netzwerk abgeleiteten Spannung vorhandenen Ausgleichsschwingungen unterdrückt und die die Messgrösse darstellenden, netzfrequenten Schwin- gungen der abgeleiteten Spannung übertragen werden.
Um die Genauigkeit der Messung nicht negativ zu beeinflussen, muss eine phasengetreue Übertragung der Messgrösse vom Beginn des Kurzschlusses an gewährleistet sein. Um diese Forderung zu erfüllen, muss das Filternetzwerk eine möglichst kleine Einschwingzeit aufweisen ; das hat zwar eine grosse Dämpfung beim Einschalten und eine damit verbundene Reduzierung der Amplitude der Messgrösse zur Folge, die jedoch in Kauf genommen werden kann, da die gegebenenfalls zu stark abgeschwächte Messgrösse - falls erforderlich-durch nachgeschaltete Verstärker wieder auf die gewünschte Höhe angehoben werden kann.
Ferner muss das Filternetzwerk auch im Hinblick darauf geeignet dimensioniert werden, dass die Ausgleichsschwingungen des kapazitiven Wandlers genügend ausgefiltert werden, d. h. das Filternetzwerk muss eine ausreichende Unterdrückung von Schwingungen, die nicht in unmittelbarer Nähe des Durchlassbereiches des Filternetzwerkes liegen, aufweisen.
Ausserdem muss dafür gesorgt werden, dass die im Filternetzwerk beim Einschwingen gespeicherte Energie möglichst im vollen Umfang dem gegebenenfalls leistung- mässig an das Filternetzwerk angepassten Messkreis des Richtungsrelais oder Richtungsvergleichsschutzes zugeführt wird, um die hohe Empfindlichkeit nicht zu verlieren, und dass die dem Filternetzwerk eingangsseitig parallelliegende Sekundärwicklung des Spannungswandlers das Filternetzwerk nicht zusätzlich bedämpft : andernfalls ginge nämlich Energie für das Messwerk verloren, und die Induktivität der Sekundärwicklung würde die Ausschwingfrequenz des Filternetzwerkes beeinflussen.
Den beschriebenen Anforderungen entspricht ein Filternetzwerk, das im einfachsten Falle einen Resonanzkreis enthält, dem gegebenenfalls ein ohmscher Widerstand parallelgeschaltet ist, der die Grunddämpfung des Filters bestimmt ; vor dem Resonanzkreis ist ein Vorwiderstand angeordnet.
In den Fällen, in denen sich eine leistungsgemässe Anpassung des Messwerkes an das Filternetzwerk nicht durchführen lässt, z. B. bei bereits vorhandenen Schutzeinrichtungen, kann zusätzlich eine Hilfseinrichtung vorgesehen werden, die den zu Beginn eines Kurzschlusses vom Richtungsrelais bzw. Richtungsvergleichsschutz getroffenen Entscheid zunächst aufrechterhält. Diese Hilfseinrichtung wirkt sich besonders vorteilhaft aus, wenn bei einem naheliegenden Kurzschlussort die Messgrösse auf eine sehr kleine Amplitude zusammengebrochen ist. In diesem Falle bewirkt die im Filternetzwerk gespeicherte Energie eine der Richtung des Kurzschlussortes entsprechende Betätigung des Richtungsrelais oder des Richtungsvergleichsschutzes, die bis zum Ausschwingen der im Filternetzwerk gespeicherten Energie erhalten bleibt.
Danach würde das Messwerk in seine Ruhelage zurückkehren, und der zunächst getroffene Entscheid würde eventuell wieder verlorengehen. Dies wird durch die Hilfseinrichtung verhindert, die den Entscheid so lange aufrechterhält, bis die Messgrösse wieder eine zur Betätigung des Messwerkes erforderliche Amplitude erreicht hat, z. B. nach dem Fortschalten des Kurzschlusses.
Die Hilfseinrichtung kann ein Zeitrelais und ein Hilfsrelais enthalten und kann gegebenenfalls von einer von der Höhe der Spannung in dem zu überwachenden Netzwerk beeinflussten Relaisanordnung gesteuert werden.
Bei einer mit der Hilfseinrichtung ausgerüsteten erfindungsgemässen Schaltungsanordnung kann es vorteilhaft sein, wenn dem Filternetzwerk ein vorzugsweise von Zenerdioden gebildetes Begrenzungsglied mit Schwellwert vorgeschaltet ist. Durch ein solches Begrenzungsglied wird beim Zusammenbruch der aus der Spannung in dem zu überwachenden Netzwerk abgeleiteten Spannung das Filternetzwerk vom kapazitiven Spannungswandler entkoppelt und damit sichergestellt, dass die in dem Filternetzwerk gespeicherte Energie über das Richtungsrelais bzw. den Richtungsvergleichsschutz und nicht über die Sekundärwicklung des kapazitiven Spannungswandlers abfliesst.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung mit einem Richtungsrelais gezeigt. An den sekundären Ausgangsklemmen 1 und 2 des nicht dargestellten kapazitiven Spannungswandlers ist das den aus dem Kondensator Cres und der Induktivität Lres bestehenden Parallel-
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stellung einer gewünschten Phasendrehung aus einem Phasenschiebernetzwerk bestehen kann, angeschlossen.
Parallel zudem auf die Netzfrequenz abgestimmten Parallelresonanzkreis liegt ein Widerstand Rp,
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der die Grunddämpfung des Filternetzwerkes F bestimmt. Über die Klemmen 3 und 4 ist das Filternetzwerk F an das Messwerk M des Richtungsrelais W angeschlossen, dem über die Klemmen 5 und 6 ein durch Kurzschlussstrom in dem zu überwachenden Netzwerk proportionaler Strom J zugeführt wird.
Tritt auf der zu überwachenden Leitung ein Kurzschluss auf, dann weist die an den Sekundärklem- men 1 und 2 des kapazitiven Spannungswandlers vorhandene, abgeleitete Spannung U nicht nur netzfrequente Schwingungen, sondern auch vom kapazitiven Spannungswandler erzeugte, in den Fig. l und 2 dargestellte Ausgleichsschwingungen auf. Diese in der abgeleiteten Spannung U vorhandenen
Ausgleichsschwingungen werden im Filternetzwerk F ausgesiebt, das also nur die die Messgrösse darstellenden, netzfrequenten Schwingungen passieren lässt, während die Ausgleichsschwingungen des kapazitiven Spannungswandlers vom Messwerk M ferngehalten werden.
Ein Ausführungsbeispiel der mit einer Hilfseinrichtung ausgerüsteten erfindungsgemässen Schaltungs- anordnung ist in Fig. 4 dargestellt. Dem in Übereinstimmung mit dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel aus der Induktivität Lres und der Kapazität Cres aufgebauten Resonanzkreis des FilternetzweT- kes F ist hiebei ein vorzugsweise von Zenerdioden Z gebildetes Begrenzungsglied B mit Schwellwert vorgeschaltet. Die Zenerdioden Z trennen beim Zusammenbruch der abgeleiteten Spannung, d. h. der Sekundärspannung U des in Fig. 4 nicht dargestellten kapazitiven Spannungswandlers, das Filternetzwerk F vom Wandler ab, so dass eine Beeinflussung der Messung durch Ausgleichsschwingungen mit Sicherheit vermieden wird.
Dieses Abtrennen des Filternetzwerkes F vom kapazitiven Spannungswand- ler bewirkt gleichzeitig, dass die im Filternetzwerk F gespeicherte elektrische Energie nicht über die
Sekundärwicklung des kapazitiven Spannungswandlers, sondern nur über das Messwerk M des Richtungsrelais W oder des Richtungsvergleichsschutzes abfliesst.
Da das Messwerk M bei einem Zusammenbruch der abgeleiteten Spannung U nur so lange betätigt werden würde, wie die im Filternetzwerk gespeicherte Energie ausschwingt, würde das Richtungsrelais W auch bei einem in Sperrichtung liegenden Kurzschlussort eine Auslösung verursachen, da sein Messwerk M wieder in die Ruhelage zurückkehren würde. Um dies zu vermeiden, ist die Hilfseinrichtung S vorgesehen, die den beim Ausschwingen der gespeicherten Energie getroffenen Richtungsentscheid aufrechterhält.
Die Schaltungseinrichtung S enthält ein in Fig. 4 nicht dargestelltes Zeitrelais mit einem Kontakt t sowie das Hilfsrelais H, das mit dem Kontakt t in Reihe geschaltet ist. In Reihe mit dem Kontakt t und dem Hilfsrelais H sind die parallelgeschalteten Kontakte m und hl, von denen der Ruhekontakt m vom Messwerk M und der Arbeitskontakt hl vom Hilfsrelais H betätigt wird.
Über die parallelgeschalteten Kontakte m und h1 ist das Hilfsrelais H beispielsweise an den Minuspol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen, deren Pluspol über den Kontakt i eines nicht dargestellten üblichen Anregerrelais mit dem Kontakt t verbunden werden kann. Die Schaltungsanordnung S weist ferner einen ebenfalls vom Hilfsrelais H betätigten Arbeitskontakt h2 auf, der über den Arbeitskontakt s eines nicht dargestellten üblichen Abfragerelais an den Pluspol und über das übliche Auslöserelais A an den Minuspol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.
Tritt ein Kurzschluss auf, dann bricht die abgeleitete Spannung U zusammen. Am Ausgang des Filternetzwerkes steht auch nach dem Zusammenbrechen der abgeleiteten Spannung U eine phasengetreue Messspannung ausreichender Grösse für das nachgeschaltete Messwerk des Richtungsrelais an, so dass bei einem Kurzschlussort in Sperrichtung der in der Hilfseinrichtung angeordnete Kontakt m des Messwerkes M öffnet, und das Hilfsrelais H bleibt stromlos, obwohl die bei jedem Kurzschluss betätigten Kontakte i und t geschlossen sind. Damit bleibt der Kontakt h2 geöffnet, und das Auslöserelais A wird nicht erregt. Auch nach Beendigung des Ausschwingvorganges des Filternetzwerkes F tritt kein Fehlauslösen ein, da dann der Kontakt s des durch ein übliches Anregerelais, z.
B. ein Überstromanregerelais, nach einer bestimmten Verzögerungszeit (Abfragezeit) betätigten Abfragerelais bereits wieder geöffnet ist, so dass nunmehr trotz geschlossenen Kontaktes h2 - das Hilfsrelais zieht beim Schliessen des Kontaktes m an-das Auslöserelais A keinen Strom bekommt.
Bei einem in Auslöserichtung liegenden Kurzschlussort bleibt der Kontakt m in seiner Ruhelage liegen ; das Hilfsrelais H wird erregt und hält sich über seinen Kontakt hl selbst. Es schliesst sich der Kontakt h2 sowie der Kontakt s und das Auslöserelais A spricht an. Um ein Abfallen des Auslöserelais A beim Öffnen des Kontaktes s des Abfragerelais zu verhindern, hält sich dieses über einen nicht gezeigten Kontakt selbst. Nach Ablauf einer zur Abwicklung der verschiedenen Schaltvorgänge, z. B. Abschalten der Leistungsschalter erforderlichen Zeitdauer, öffnet der Kontakt t des Zeitrelais, und das Hilfsrelais H und damit auch das Auslöserelais A fallen in ihre Ruhelage zurück.
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Die in Fig. 4 dargestellte Schaltungsanordnung kann unter geringfügiger Abänderung dazu verwendet werden, um Richtungsrelais üblicher Schutzeinrichtungen an kapazitive Spannungswandler anzuschliessen.
Selbst wenn das Richtungsrelais einer solchen Schutzeinrichtung unter Verwendung kurzschlussfremder Spannungen arbeitet, ergeben sich nämlich Schwierigkeiten, wenn ein dreipoliger Fehler auftritt. In einem solchen Kurzschlussfall würde das direkt von einem kapazitiven Spannungswandler gespeiste Richtungsrelais einer üblichen Schutzeinrichtung mit einer auch Ausgleichsschwingungen des kapazitiven Spannungswandlers enthaltenden, abgeleiteten Spannung gespeist werden, wodurch die eingangs erwähnten Fehlentscheidungen auftreten könnten. Um dies zu vermeiden. genügt es z. B., den in Fig. 4 dargestellten Kontakt i nur bei dreipoliger Anregung zu betätigen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung mit einem Richtungsrelais oder Richtungsvergleichsschutz, der eine von dem Strom in dem zu überwachenden Netz abhängige Grösse und eine mittels eines Spannungswandlers aus der Spannung in dem zu überwachenden Netz abgeleitete Spannung zugeführt wird, dadurch gekenn- zeichnet, dass die abgeleitete Spannung einem kapazitiven Spannungswandler entnommen wird, an den sekundärseitig unter Zwischenschaltung eines Vorwiderstandes (Zy) über ein Filternetzwerk (F) das Richtungsrelais (W) oder der Richtungsvergleichsschutz angeschlossen ist, wobei das Filternetzwerk (F) in der abgeleiteten Spannung (U) vorhandene Ausgleichsschwingungen des kapazitiven Wandlers unterdrückt und die die Messgrösse darstellenden, netzfrequenten Schwingungen der abgeleiteten Spannung (U) überträgt (Fig. l).