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Anordnung zum Schutz normal symmetrisch belasteter dreiphasiger Wechselstromanlagen.
Vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz normal symmetrisch belasteter, dreiphasiger Wechselstromanlagen in bezug auf Fehler, die sich als unsymmetrische Belastung äussern, also in bezug auf Leitungsbruch, Ableitung zwischen zwei willkürlichen Phasen oder
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tierendes Feld ergeben, welches bei symmetrischer Belastung entweder verschwindet oder gegen den dritten Netzstrom eine Phasenverschiebung von 900 aufweist. Hierdurch wird nämlich erreicht, dass das obengenannte resultierende Feld bei unsymmetrischer Belastung immer eine Komponente haben wird, die durch Wechselwirkung mit einer im ;
Relais angeordneten Ferrarisscheibe, Induktionsspule oder einer vom dritten Netzstrome durchflossenen, drehbaren Spule, das Ansprechen des Relais und dadurch die Auslösung des Hauptschalters der Anlage bewirkt.
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2 : war stellen
Fig. i bis 5 schematisch die Phasenverteilung in den Relais dar, die von allen drei Netzströmen durchflossen werden, Fig. 6 und 7 zwei verschiedene Ausführungsformen derartiger Relais, Fig. 8 ein vollständiges System derartiger Relais, Fig. 9 bis 12 zeigen die Phasenverteilung in Relais, die nur von zwei der Netzströme durchflossen werden, Fig. 13 eine Ausführungsform eines Induktionsrelais dieser Art, Fig. 14 eine Ausführungsform eines elektromagnetischen Relais dieser Art.
Bei symmetrisch belasteten Dreiphasenanlagen ist der Strom in einer Phase immer um 900 phasenverschoben gegen die Differenz der Ströme in den beiden anderen Phasen. Wie Fig. I
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Tritt nun ausser der symmetrischen Belastung noch eine besondere Belastung einer Phase oder, was die gleiche Wirkung hat, ein Isolationsfehler zwischen zwei Phasen, z. B. 1 und 2 auf, so wird aus Fig. 2 der Winkel zwischen 11, und sowie der Winkel zwischen 12 und (13-11) kleiner als 900, während. der Winkel zwischen 13 und unverändert, d. h. 900 bleibt. In entsprechender Weise werden die Winkel im Diagramm von einer besonderen Belastung bzw. Ableitung zwischen den Phasen 2 und 3 oder 3 und 1 verändert.
Ebenso wird eine Belastung oder ein Isolationsfehler zwischen einer Phase und dem Neutralleiter oder der Erde die Winkel des Diagramms verändern. Eine Belastung zwischen Phase 3 und dem Neutralleiter wird, wie aus Fig. 3 ersichtlich, die Winkel zwischen 11 und (12-13) sowie zwischen 12 und (7g-7 verändern, während der Winkel zwischen 13 und (11-12) unverändert bleibt. In entsprechender Weise werden die Winkel des Diagramms durch eine Belastung zwischen Phase 1 und dem Neutralleiter sowie zwischen Phase 2 und dem Neutralleiter verändert.
Wird eine Phase unterbrochen, so werden gleichfalls die Winkel des Diagramms verändert.
Fig. 4 veranschaulicht die Lage der Ströme, wenn Phase 1 in einem System ohne Neutralleiter unterbrochen wird ; 12 und Is gelangen hier in Gegenphase und (I2-I3) gelangt infolgedessen
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gleiche Phase. Wird dieselbe Phase in einer Anlage mit Nulleiter unterbrochen, so werden die Winkel, wie aus Fig 5 ersichtlich, sich ändern.
Die Ströme 12 und 13 sind stets'um 1200 gegen-
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entgegengerichtet, die Winkel zwischen 7s und (13-11) sowie zwischen 7g und (11-12) erhalten. aber nun eine Grösse von 1200 oder 600. In ähnlicher Weise werden die Winkel geändert, wenn eine der anderen Phasen unterbrochen wird.
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Anlage von einem Relaissystem geschützt werden kann, das derart angeordnet ist, dass es in Tätigkeit tritt, sobald ein oder mehrere der erwähnten Winkel zwischen einem der Netzströme und dem Unterschied der beiden anderen Strömen von 900 abweicht, wogegen das Relaissystem unbeeinflusst bleibt, solange diese Winkel den Wert 900 behalten.
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Fehler zwei Winkel stets verändert, und zwar gleichgültig, ob der Fehler von einer Ableitung zwischen zwei Phasen, von einer Ableitung zwischen einer Phase und Erde oder von Bruch einer Phase herrührt. Die Anlage wird somit in genügendem Umfang mit Hilfe von zwei Relais geschützt sein, von denen das eine z.
B. bei Änderung des Winkels 11 (12-1a), das andere bei Änderung des Winkels 12 (1a-11) in Tätigkeit tritt.
Fig. 6 veranschaulicht schematisch die Anordnung eines elektro-dynamischen Relais, welches, wenn der Winkel 11 (12-1a) von 900 abweicht, in Tätigkeit tritt. Die festen Spulen a und b werden von den Strömen 1a und 12 durchflossen. Sie sind derart gewickelt, dass, wenn ein und derselbe Strom durch die beiden Spulen gesandt wird, kein Feld in der Symmetrieebene d eser beiden Spulen entstehen wild.
Werden die Ströme 12 und 1a durch die Spulen gesandt, so entsteht ein Feld, das in Grösse und Phase mit (I2I3) proportional ist Die bewegliche Spule c ist um ihre Achse d drehbar angeordnet, wird aber von den Federn e und f in Gleichgewicht gehalten und vom Strom I, durchflossen. Bei symmetrischer Belastung wird nun der Strom in Spule c eine Phasenverschiebung um 90 gegen das Feld der Spulen a und b aufweisen, weshalb die Spule c unbeeinflusst bleibt.
Tritt indessen ein solcher Fehler im Netz auf, dass der Winkel zwischen 11 und (I2I3) von 900 verschieden wird, so wird die Spule c sich nach der einen oder der anderen Seite hin drehen und, nachdem der Fehler eine gewisse Grösse erreicht hat, wird die Drehung so gross, dass eine Verbindung zwischen dem beweglichen Kontakt g und einem der festen Kontakte h oder i geschlossen wird, wodurch der Stromkreis einer Signalvorrichtung oder eines Ausschaltmechanismus eines Ausschalters gc-
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Die Anlage ist gegenüber Fehlern zwischen den Phasen oder'zwischen einer Phase und Erde durch diese Relaisanordnung vollständig geschützt, vorausgesetzt, dass die Anlage belastet ist.
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leitung zwischen einer der Phasen und Erde, dann wegen des Fehlens der Netzströme, deren Winkel nicht verändern und daher keines der beiden Relais A und B beeinflussen kann. Die Sicherung muss in diesem Falle dadurch erzielt werden, dass in den Nulleiter der Stromtransformatoren ein Maximalrelais C bekannter Konstruktion eingeschaltet wird, das in Tätigkeit tritt, wenn ein Strom diesen Nulleiter durchfliesst, also wenn Ableitung von einer der Phasen nach der Erde entsteht. Das Relais C wird bei den bisher. bekannten Anordnungen an den Umstand leiden, dass es unter gewöhnlichen Betriebsverhältnissen von den höheren Harmonischen durchflossen wird, deren Periodenzahl durch 3 teilbar ist, was eine ziemlich grobe Einstellung des Relais bedingt.
Das Relais C wird daher mit grosser Reaktanz ausgeführt, oder wie in Fig. 8 ersichtlich, mit einer Induktionsspule in Reihe verbunden und ein induktionsfreier oder kapazitiver Widerstand R parallel zum Relais und zur Induktionsspule geschaltet. Bekanntlich dringt ein Strom um so schwieriger durch eine Induktionsspule, je höher seine Periodenzahl ist, zufolgedessen werden die höheren Harmonischen, deren Periodenzahl ein Vielfaches der Grundperiodenzahl ist, hauptsächlich den Widerstand R und somit nicht das Relais C durchfliessen. Letzteres kann also bei dieser Anordnung für sehr schwache Ströme der Grundperiodenzahl eingestellt werden, ohne von den höheren Harmonischen zur Auslösung gebracht zu werden.
Die oben beschriebenen Relais A und B bleiben von den Haimonischen, deren Periodenzahl durch 3 teilbar ist, vollkommen unbeeinflusst, da die beiden festen Spulen derart gewickelt sind, dass das gesamte Feld mit der Differenz der beiden Netzströme proportional ist, in welcher Differenz die dritten Harmonischen bekanntlich verschwinden.
Die drei Relais A, Bund C werden infolge der obigen Ausführungen eine Anlage in bezug auf Abteilung zwischen zwei der Phasen, Ableitung zwischen einer Phase und Erde und Bruch einer Phase schützen. Uni einen vollständigen Schutz zu erzielen, muss noch ein Schutz in bezug auf eine symmetrische Überlastung eingeführt werden, was vermittelst eines einzigen Maximalrelais D in Fig. 8 erreicht werden kann. Es ist bei diesem System nur die Anwendung eines einzigen Maximalrelais erforderlich, denn ist die Überlastung keine symmetrische, so wird eines der Relais A, B oder C in Tätigkeit treten.
Die einander entgegen wirkenden Felder in den Relais A und B werden, wie oben genannt, von zwei der Netzströme erzeugt. Statt dieser Ströme sind jedoch zu denselben in gleicher Weise phasenverschobene Ströme oder der eine der genannten Netzströme mit einem, gegen den andes en Netzstrom phasenverschobenen Strom zusammen verwendbar, welch letzterer dann zweckmässig um so viel gegen den betreffenden Netzstrom phasenverschoben ist ; dass er in direkte Gegenphase zu dem erstgenannten, durch das Relais fliessenden, zweiten Netzstrom gelangt ; es ist dann durch geeignete Wahl der Windungszahlen bei den entsprechenden Relaisspulen erreichbar, dass die im Relais erzeugten Felder bei symmetrischer Belastung der Anlage sich ausgleichen.
Fig. I3 und 14 stellen zwei verschiedene Ausführungsformen derartiger Relais dar. m ist ist ein eiserner Kern, der in Fig. 13 U-förrnig, in Fig. 14 ringförmig gestaltet ist und zwei Spulen n und p trägt, von denen die Spule n von einem der Netzströme 12 durchflossen wird, während die Spule p von einem, dem anderen der Netzströme la um 600 voreilenden Strom Ist durch- flossen wird. Dieser Strom und diese Phasenverschiebung entstehen dadurch, dass die Spule p mit einem Ohmschen Widerstand q in Reihe und hierzu ein induktiver Widel stand r parallel geschaltet ist. Durch Regelung der Widerstände q und r kann eine Phasen-
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zahlen der beiden Spulen n und p bei symmetrischer Belastung der Anlage gleich, so ist kein Feld im eisernen Kern in vorhanden.
Entsteht indessen ein Fehler zwischen den Phasen 1 und 2, so dass ausser den symmetrischen Netzströmen 1"1., und la ein Fehlerstrom F zwischen den Phasen 1 und 2 (Fig. 10) auftritt, so werden wohl die Ströme 12 und la'ihreWirkungen im Relais wie vorher ausgleichen, aber der nur die Spule n durchfliessende Fehlerstrom F wird ein
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Fig. I3 eine Ferrarisscheibe s beeinflussen lassen, die sich durch Wechselwirkung zwischen magnetischen Feldern (denjenigen des Eisenkernes M und die von demselben in der Scheibe selbst hervorgerufenen.
Wirbelströme) in bekannter Weise dreht und deren Drehung in bekannter Weise eine Auslösung des Hauptschalters bewirkt ; oder aber man kann, wie in Fig. 14 vorausgesetzt, das Wechselfeld eine Spannung in einer, auf dem eisernen Kern M angebrachten Sekundärwicklung t induzieren lassen, die in bekannter Weise über ein AuslÖserclais 1, z. B. ein gewöhnliches Zeitrelais, geschlossen ist.
Tritt der Fehlerstrom zwischen den Phasen 1 und 3 auf, so erhält der Strom la die Fehlerkomponente F (Fig. n) und der Strom la'die Fehlerkomponente F'. Da der Strom la'um 600
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des Stromes 12 im Relais aufheben, aber seine Fehlerkomponente Fus'rut ein Feld hervor, das das Relais in Tätigkeit setzt.
Tritt endlich der Fehler zwischen den Phasen 2 und 3 auf, so wird der Strom 12 eine Fehlerkomponente Fg (Fig. 12) und der Strom 7s eine ebenso grosse und entgegengesetzt gerichtete Fehlerkomponente Fg aufweisen. Auch in diesem Falle enthält der Strom IS'eine um 600 gegen Fa phasenverschobene Fehlerkomponente F,'. F, und Fs'durchfliessen beide das Relais, da sie aber nicht, wie die Ströme 12 und l'seinander entgegengerichtet sind, werden sie ihre Wirkungen
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und damit die im Relais entwickelten Kräfte, mit dem Fehlerstrom proportional ist.
Die letztgenannten Relais besitzen auch den grossen Vorteil, dass die Anwendung eines einzigen solchen Relais zum effektiven Schutz der Anlage in bezug auf Fehler, die als eine unsymmetrische Be- lastung in die-Erscheinung treten, genügt.
PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Anordnung zum Schutz normal symmetrisch belasteter, dreiphasiger Wechselstromanlagen in bezug auf Leitungsbruch, Ableitung zwischen zwei willkürlichen Phasen, oder zwischen einer Phase und Erde, sowie in bezug auf Überlastung, unter Verwendung eines oder mehrerer,
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indirekt auslösender Relais, die je zwei Spulen enthalten, von denen jede von je einem von zweien der Netzströme oder zu diesen um bestimmte Winkel phasenverschobenen Strömen durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese Spulen derartig zu einander angeordnet und bemessen
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Feld ergeben, welches bei symmetrischer Belastung der Anlage entweder verschwindet oder gegen den Strom in der dritten Netzphase eine Phasenverschiebung von 900 aufweist, also wirkungslos bleibt,
bei unsymmetrischer Belastung der Anlage aber durch Einwirkung auf eine Ferrarisscheibe, dritte feststehende Spule oder einer vom Strom der dritten Netzphase durch-