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Differentialschutzanordnung mit zusätzlicher Stabilisierung
Für den Differentialschutz von Transformatoren, Maschinen oder Leitungen sind
Differentialschutzanordnungen bekanntgeworden, bei denen auf ein Differentialschutzrelais sowohl ein in Auslöserichtung wirkender Strom als auch ein Sperrstrom gegeben wird. Dieser Sperrstrom dient zum
Ausgleich von Wandlerfehlern, die bei hohen Durchgangsströmen durch das zu schützende System, z. B. bei einem aussenliegenden Kurzschluss, auftreten können.
Bei bekannten Differentialschutzgeräten und insbesondere bei solchen für elektrische Systeme mit mehr als zwei Enden wird als Auslösestrom die Summe der in das System hineinfliessenden Ströme und als Sperrstrom die Summe der Beträge der einzelnen in das System hineinfliessenden Ströme verwendet.
Der auf das Differentialschutzrelais gegebene Stabilisierungsstrom bei diesen bekannten Differentialschutzanordnungen reicht in manchen Fällen nicht aus, um mit Sicherheit eine
Fehlauslösung bei aussenliegendem Fehler zu verhindern, da mit Rücksicht auf ein sicheres Auslösen bei innenliegendem Fehler der Stabilisierungsstrom nicht beliebig hoch gemacht werden kann.
Mit der erfindungsgemässen Anordnung lässt sich die Aufgabe, einen Differentialschutz mit vollständiger Sicherheit gegen Fehlauslösungen zu schaffen, lösen. Sie betrifft eine Differentialschutzanordnung mit einem Differentialschutzrelais, dem die vektorielle Summe der in das zu schützende System hineinfliessenden Ströme als Auslösestrom und ein von den Beträgen der in das zu schützende System hineinfliessenden Ströme abgeleiteter Strom als Stabilisierungsstrom zugeführt wird.
Das Neue besteht dabei darin, dass jeder Zuleitung zu dem zu schützenden System eine Phasenlage-Vergleichseinrichtung zugeordnet ist, die ausgangsseitig an den Eingang des Differentialschutzrelais für den Stabilisierungsstrom und eingangsseitig erstens an eine der vektoriellen Summe der in das zu schützende System hineinfliessenden Ströme proportionale elektrische Grösse und zweitens an eine dem Strom der zugehörigen Zuleitung proportionale elektrische Grösse angeschlossen und so geschaltet ist, dass sie nur bei einem Phasenwinkel der Eingangsgrössen von mehr als 90 einen Stabilisierungsstrom abgibt.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Das zu schützende Objekt besteht hier aus einer Sammelschiene-l--mit drei Abzweigen-2, 3 und 4--, in die je ein Stromwandler--5, 6 und 7--eingeschaltet ist. Die Sekundärwicklungen der Stromwandler sind einander parallelgeschaltet und die Anschlüsse dieser Parallelschaltung sind über Leitungen --8 und 9-an die Wechselstromanschlüsse eines Gleichrichters-10--geführt, dessen Gleichstromanschlüsse über einen Strombegrenzungswiderstand --11-- an ein Differentialschutzrelais - angeschlossen sind. Die Gleichrichterschaltung --10-- ist dabei so in den Stromkreis des
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wirkt.
Die Parallelschaltung der Sekundärwicklungen der Stromwandler-5, 6 und 7-erfolgt jeweils über die Anschlüsse-a und c-je eines für jeden Stromwandler--5, 6 und 7-vorgesehenen Phasenlage-Vergleichsgerätes--13, 14 und 15--. Ausserdem ist an den Anschluss--b--der Phasenlage--Vergleichsgeräte-13, 14 und 15-eine Verbindungsleitung zu dem zweiten Anschluss des zugehörigen Stromwandlers-5, 6 oder 7-angeschlossen, so dass zwischen den Anschlüssen --b
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Phasenlage-Vergleichsgerätessperrende Wirkung auf das Differentialschutzrelais --12-- ausübt.
In den Fig. 2 und 3 ist je ein Beispiel für die Ausgestaltung eines der Phasenlage-Vergleichsgeräte --13, 14 oder 15--dargestellt. Die Anschlüsse der Phasenlage-Vergleichseinrichtungen sind ebenso wie in Fig. 1 mit den Buchstaben --a bis e-- bezeichnet.
In Fig. 2 liegen zwischen den Anschlüsse--b und c-des Phasenlage-Vergleichsgerätes zwei Zwischenwandler --19 und 20-- mit je drei Wicklungen. Die ersten Wicklungen dieser Wandler sind unmittelbar zwischen Anschlüsse--b und c--des Phasen-Vergleichsgerätes geschaltet. Die zweiten Wicklungen dieser Wandler liegen zwischen dem Anschluss--c--und dem Anschluss--a--des Phasenlage-Vergleichsgerätes. Diese zweiten Wicklungen sind dabei so gepolt, dass sich mit dem Strom in der ersten Wicklung in einem Mischwandler die Summe und in dem andern die Differenz der Ströme ergibt.
Die Sekundärwicklungen der Mischwandler--19 und 20--sind an Gleichrichterschaltungen --21 und 22--angeschlossen, deren Gleichstromanschlüsse zueinander antiparallel geschaltet sind.
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umwandelt. In Reihe zu dem Widerstand --23-- liegt eine Diode --24-- und ein aus Diode und ohmschen Widerstand bestehender nichtlinearer Widerstand--25--, dessen zweiter Anschluss mit der
Ausgangsklemme--d--verbunden ist. Der andere Anschluss des ohmschen widerstandes --23-- ist mit der Ausgangsklemme--e--verbunden.
Zwischen den Anschlussklemmen--a und c--des Phasenlage-Vergleichsgerätes liegt noch eine weitere Wicklung eines Wandlers--26--, an dessen
Sekundärwicklung ebenfalls ein Gleichrichter --27-- angeschlossen ist, dessen Gleichstromanschlüsse ebenfalls mit den Anschlussklemmen--d und e--des Phasenlage-Vergleichsgerätes verbunden sind.
Der Wandler--26--mit dem nachgeschalteten Gleichrichter --27-- stellt die bei bekannten
Geräten auch verwendete Stabilisierungseinrichtung dar. In dieser Schaltung wird der Betrag des zwischen den Anschlussklemmen--a und c-- fliessenden Stromes in der betreffenden Zuleitung zu dem zu schützenden System, also zu der Sammelschiene--l--gebildet. Die neue Differentialschutzanordnung würde auch ohne diese normalerweise angewendete Stabilisierungsrichtung einwandfrei arbeiten können.
Die beschriebene Anordnung wirkt folgendermassen : Wie aus Fig. 2 im einzelnen zu ersehen ist, sind bei den Phasenlage-Vergleichsgeräten --13,14 und 15-- die Klemmen --a und c-miteinander über Wicklungen der Zwischenwandler--26, 19 und 20--verbunden. Die Wicklungen liegen in Reihe zu den Sekundärwicklungen der Stromwandler--5, 6 und 7--, so dass durch sie der von den Stromwandlern-5, 6 und 7-- übersetzte Primärstrom der drei Abzweige-2, 3 und 4-fliesst. Da die Bürden der Zwischenwandler--26, 19 und 20--relativ gering sind, kann man unterstellen, dass kein nennenswerter Spannungsabfall zwischen den Klemmen--a und c--auftritt. Damit sind von den Leitungen--8 und 9-- der Fig.1 her gesehen die Sekundärwicklungen der Stromwandler--5, 6 und 7--parallelgeschaltet.
Damit fliesst in den Leitungen--8 und 9--der Summenstrom aller in das System hineinfliessenden Ströme. An den parallelgeschalteten Sekundärwicklungen der Stromwandler--5, 6 und 7--tritt damit eine Spannung auf, die dem Summenstrom proportional ist. Diese Spannung liegt zwischen den Anschlussklemmen--b und c-jedes der Phasenlage-Vergleichsgeräte --13,14 und 15--, während zwischen den Anschlussklemmen --a und c--der Phasenlage-Vergleichsgeräte jeweils der in dem zugehörigen Stromwandler fliessende Strom fliesst.
Wenn die Stromrichtung in einem Augenblick so ist, dass der Strom von--a nach c-fliesst, wird--c--positiv gegenüber--b--. Es wird daher im gleichen Augenblick ein Strom von - c nach b--fliessen. Dies hat zur Folge, dass in dem Mischwandler--20--die geometrische Differenz und in dem Mischwandler --19-- die geometrische Summe aus Summenstrom und Abzweigstrom gebildet wird. Ist der Phasenwinkel zwischen Summenstrom und Abzweigstrom annähernd Null, so wird die Summe aus diesen beiden Grössen überwiegen und der Gleichrichter --21-- wird einen grösseren Strom führen als der Gleichrichter--22--.
Das hat zur Folge, dass der
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--23-- positiv- wird positiv und es fliesst über die Diode --24-- ein Sperrstrom zum Differentialschutzrelais-12--. Der nichtlineare Widerstand --25-- kann zur Bildung einer geknickten Kennlinie herangezogen werden. Er kann verhindern, dass bereits bei kleinen Spannungen am ohmschen Widerstand --23-- ein Sperrstrom abgegeben wird.
In der Schaltung nach Fig. 3 sind gleiche Teile wie in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. An Stelle der Mischwandler--19 und 20--sind hier Wandler--28 und 20-zwischen die Anschlussklemmen-a und c bzw. b und c-eingeschaltet. Diese Wandler sind an einer Ringmodulatorschaltung bestehend aus vier Dioden --30-- angeschlossen und besitzen an ihren
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--23-- geführt- 28 und 29--fliessenden Ströme bestimmt, welche Dioden der Ringmodulatorschaltung--30-gerade leitend sind. Abhängig von dem Strom in dem andern der beiden Wandler-28 oder 29-ergibt sich dann am oberen Ende des ohmschen Widerstandes --23-- positives bzw. negatives Potential.
Bei der angegebenen Schaltung nach Fig. 3 wird der obere Anschluss des Widerstandes - ebenfalls positiv, wenn Phasenopposition zwischen dem Summenstrom und dem Abzweigstrom besteht.
Liegt nun ein Fehler innerhalb des Schutzbereiches vor, so besitzen alle Abzweigströme der Abzweige-2, 3 und 4-in etwa die gleiche Phasenlage. Auch der Summenstrom, der aus diesen Abzweigströmen durch geometrische Summierung gebildet wird, hat dann die gleiche Phasenlage, so dass
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hoher Sperrstrom an das Differentialschutzrelais abgegeben wird. Zur Einsparung von derartigen Geräten ist es aber ausserdem möglich, in jeder Zuleitung zum zu schützenden System einen an sich bekannten Mischwandler vorzusehen, der die Ströme in den drei Phasenleitern in einen einphasigen Wechselstrom umwandelt, dessen Grösse abhängig ist von allen drei Phasenleiterströmen. Im letzteren Falle ist dann nur ein Phasenlage-Vergleichsgerät für jede Zuleitung zu dem zu schützenden System notwendig.
Beim Ausführungsbeispiel ist der von den einzelnen Phasenlage-Vergleichsgeräten abgegebene Stabilisierungsstrom abhängig von dem jeweils im Abzweig fliessenden Strom und von der Grösse des durch Wandlerfehler bedingten Summenstromes. Durch entsprechende Auslegung der Mischwandler kann dieser Strom für alle vorkommenden Fälle ausreichend hoch bemessen werden. Man kann auch
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Stabilisierungsspannungsquelle an das Differentialschutzrelais benutzt. In allen Fällen ist aber bei aussenliegendem Fehler die Phasenlage zwischen dem durch Wandlerfehler bedingten Summenstrom aller der in das zu schützende System hineinfliessenden Ströme zu der Phasenlage der einzelnen Ströme entscheidend, ob ein zusätzlicher Stabilisierungsstrom an das Differentialschutzgerät abgegeben wird.
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Differential protection arrangement with additional stabilization
For the differential protection of transformers, machines or lines are
Differential protection arrangements become known in which both a current acting in the tripping direction and a reverse current are given to a differential protection relay. This reverse current is used to
Compensation of converter errors that occur with high through-currents through the system to be protected, e.g. B. in the event of an external short circuit.
In known differential protection devices and especially in those for electrical systems with more than two ends, the total of the currents flowing into the system is used as the tripping current and the sum of the amounts of the individual currents flowing into the system is used as the reverse current.
The stabilization current given to the differential protection relay in these known differential protection arrangements is in some cases not sufficient to guarantee a
To prevent false tripping in the event of an external fault, since the stabilization current cannot be made as high as desired, with regard to reliable tripping in the event of an internal fault.
With the arrangement according to the invention, the problem of creating differential protection with complete security against false tripping can be achieved. It relates to a differential protection arrangement with a differential protection relay, to which the vectorial sum of the currents flowing into the system to be protected is supplied as a tripping current and a current derived from the amounts of the currents flowing into the system to be protected is supplied as a stabilizing current.
What is new here is that each supply line to the system to be protected is assigned a phase position comparison device, which on the output side is connected to the input of the differential protection relay for the stabilization current and, on the input side, firstly to an electrical quantity proportional to the vectorial sum of the currents flowing into the system to be protected and secondly, it is connected to an electrical variable proportional to the current of the associated supply line and switched in such a way that it only emits a stabilizing current at a phase angle of the input variables of more than 90.
An exemplary embodiment of the arrangement according to the invention is shown in FIG. The object to be protected consists of a busbar-1 - with three branches-2, 3 and 4 - in each of which a current transformer - 5, 6 and 7 - is connected. The secondary windings of the current transformers are connected in parallel to each other and the connections of this parallel connection are led via lines --8 and 9 - to the alternating current connections of a rectifier 10 - whose direct current connections are connected to a differential protection relay via a current limiting resistor --11--. The rectifier circuit --10-- is so in the circuit of the
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works.
The parallel connection of the secondary windings of the current transformers-5, 6 and 7-takes place via the connections-a and c-each of a phase position comparison device -13, 14 and 15-provided for each current transformer -5, 6 and 7. In addition, a connection line to the second connection of the associated current transformer -5, 6 or 7-is connected to the connection - b - the phase position - comparison devices -13, 14 and 15-so that between the connections --b
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Has a phase position comparison device blocking effect on the differential protection relay --12--.
In FIGS. 2 and 3, an example for the configuration of one of the phase position comparison devices - 13, 14 or 15 - is shown. The connections of the phase position comparison devices are identified with the letters --a to e-- as in Fig. 1.
In Fig. 2 there are two intermediate converters - 19 and 20 - with three windings each between the connections - b and c - of the phase position comparison device. The first windings of these converters are connected directly between connections - b and c - of the phase comparison device. The second windings of these converters are between connection - c - and connection - a - of the phase position comparison device. These second windings are polarized in such a way that the current in the first winding results in the sum of the currents in one mixing transformer and the difference in the other.
The secondary windings of the mixer converters - 19 and 20 - are connected to rectifier circuits - 21 and 22 - whose DC connections are connected anti-parallel to one another.
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converts. In series with the resistor --23-- is a diode --24-- and a non-linear resistor - 25-- consisting of a diode and an ohmic resistor, the second connection of which with the
Output terminal - d - is connected. The other connection of the ohmic resistor --23-- is connected to the output terminal - e -.
Between the connection terminals - a and c - of the phase position comparison device there is another winding of a converter - 26 - on its
Secondary winding, a rectifier --27-- is also connected, the DC connections of which are also connected to the connection terminals - d and e - of the phase position comparison device.
The converter - 26 - with the downstream rectifier --27 - provides the known
Devices also represent the stabilization device used. In this circuit, the amount of the current flowing between the connection terminals - a and c - is formed in the relevant supply line to the system to be protected, i.e. to the busbar - l. The new differential protection arrangement would also be able to work properly without this stabilization direction, which is normally used.
The arrangement described works as follows: As can be seen in detail from Fig. 2, in the phase position comparison devices --13, 14 and 15 - the terminals --a and c - are connected to one another via the windings of the intermediate transformers - 26, 19 and 20 - connected. The windings are in series with the secondary windings of the current transformers - 5, 6 and 7 - so that the primary current of the three branches - 2, 3 and 4 - translated by the current transformers - 5, 6 and 7 - flows through them. Since the loads of the intermediate transformers - 26, 19 and 20 - are relatively low, it can be assumed that there is no significant voltage drop between the terminals - a and c. The secondary windings of the current transformers - 5, 6 and 7 - are thus connected in parallel from the lines - 8 and 9 - of FIG.
This means that the total current of all currents flowing into the system flows in lines 8 and 9. On the parallel-connected secondary windings of the current transformers - 5, 6 and 7 - a voltage occurs that is proportional to the total current. This voltage is between the connection terminals - b and c - of each of the phase position comparison devices - 13, 14 and 15 -, while the current flowing in the associated current transformer is between the connection terminals --a and c - of the phase position comparison devices flows.
If the direction of the current in a moment is such that the current flows from - a to c -, - c - becomes positive compared to - b--. A current will therefore flow from - c to b - at the same moment. This has the consequence that in the mixed transformer - 20 - the geometric difference and in the mixed transformer --19 - the geometric sum is formed from the total current and branch current. If the phase angle between total current and branch current is almost zero, the sum of these two quantities will predominate and the rectifier --21-- will carry a greater current than the rectifier - 22--.
As a result, the
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--23-- positive becomes positive and a reverse current flows through diode --24-- to differential protection relay -12--. The non-linear resistance --25-- can be used to create a kinked characteristic. It can prevent a reverse current from being emitted at the ohmic resistor --23-- even at low voltages.
In the circuit according to FIG. 3, the same parts as in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. Instead of the mixer converters - 19 and 20 - here converters - 28 and 20 - are connected between the connection terminals - a and c or b and c -. These converters are connected to a ring modulator circuit consisting of four diodes --30-- and have on their
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--23-- led- 28 and 29 - flowing currents determines which diodes of the ring modulator circuit - 30-are currently conducting. Depending on the current in the other of the two converters - 28 or 29 - there is then a positive or negative potential at the upper end of the ohmic resistance --23--.
In the circuit shown in FIG. 3, the upper connection of the resistor is also positive when there is phase opposition between the total current and the branch current.
If there is a fault within the protected area, all branch currents of branches 2, 3 and 4 have approximately the same phase position. The total current, which is formed from these branch currents by geometric summing, then has the same phase position, so that
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high reverse current is delivered to the differential protection relay. To save on such devices, however, it is also possible to provide a mixing converter known per se in each feed line to the system to be protected, which converts the currents in the three phase conductors into a single-phase alternating current, the size of which is dependent on all three phase conductor currents. In the latter case, only one phase comparison device is necessary for each feed line to the system to be protected.
In the exemplary embodiment, the stabilization current output by the individual phase position comparison devices is dependent on the current flowing in the branch and on the size of the total current caused by converter errors. By appropriately designing the mixing transformer, this current can be dimensioned sufficiently high for all cases that occur. One can also
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Stabilization voltage source used on the differential protection relay. In all cases, however, in the case of an external fault, the phase position between the total current of all currents flowing into the system to be protected and the phase position of the individual currents, which is caused by the transformer fault, is decisive as to whether an additional stabilization current is delivered to the differential protection device.
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