Einrichtung zum Erdschlussschutz von Hochspannungsnetzen mit geerdetem Nullpunlit. <B>in</B> Es sind Einrichtungen zum Erdschluss- schutz von Hochspannungsnetzen bekannt, welche das Zustandekominen des Erdschluss- stromes an der Fehlerstelle verhindern oder beschränken. Unter anderin werden zu diesem Zweck Drosselspulen zwischen Nullpunkt des Netzes und Ei-de geschaltet, welche auf die Teilkapazität des Netzes gegen Erde abge stimmt sein können.
Bei genauer Abstimmung tritt im Erdschlussfalle an diesen Drossel spulen eine Spannung auf, welche annähernd grössen- und phasengleich mit der Spannung der kranken Phase ist. Da nun die Span nung des Netzes infolge des Erdschlusses ebenfalls (im die Spannung der kranken Phase gehoben wird, so ist in dem die Fehler stelle enthaltenden Stromkreis (Fehlerstelle<B>-</B> Erde Drosselspule <B>-</B> Wicklung<B>-</B> Lei tung Feblerstelle) die Summe der S'pan- nungen gleich Null.
Ein grösserer E4 rd"chltifa># strom und ein Erdschlusslichtbogen kommt daher nicht zustande. Wenn damit auch die (4efahren eines Erdschlusses <B>für</B> den Netz betrieb erheblich herabgesetzt sind, so ist ein Fehler dieses Systems doch darin zu er- blicken, dass es ausserordentlich schwierig ist, zu erkennen, in welchem Leitungsteil sich die Fehlerstelle befindet.
Das ganze Netz, kranke und gesunde Leitungsteile, zeigen die gleiche Spanuungsverlagerung gegenüber dem normalen Spannungszustand des I-iet7,es. Nun kann aber auch bei dein geschützten Netz bei Dauererdschluss die Abschaltung des kran ken Leitunggteils nicht vermieden werden, weil schliesslich ein doppelter Erdschluss, welcher einem Netzkurzschluss' gleichkäme, auftreten könnte. Ist aber der kranke Lei tungsteil als solcher nicht zu erkennen, dann ist das Aufsuchen der Fehlerstelle schwierig, zeitraubend und ohne Störung des ganzen Netzbetriebes nicht ausführbar.
Ein anderer Nachteil dieses Systems ist der, dass die Wicklungen und Klemmen der Generatoren und Transformatoren des Netzes im Erdschluss- falle gegen Eisen mit der Aussenleiterspan- nung des Netzes beansprucht werden, so dass die Prüfspannung dieser Maschinen und <B>Ap-</B> parate bedeutend höher eingesetzt werden muss, als wie es bei direkter Erdung des Netznullpunktes nötig wäre.
Die Vermeidung dieser Nachteile ist Auf gabe der Erfindung, welche sowohl das Ent stehen des Erdschlussliehtbogens verhindert, als aueli es ermöglichen soll, die Spannungs verlagerung auf den kranken Netzteil zu be schränken und uns dadurch Mittel an die Hand züi geben, diesen Netzteil als fehlerhaft zu erkennen und ihn abzuschalten.
Gregenstand, der Erfindung ist nun eine Einrichtung zum Erdschlussschutz von Hoch spannungsnetzen mit geerdetem Nullpunkt, bei welcher in Reihe zu den von der Strom quelle (beziehungsweise den Sammelschienen) abgehenden Phasenleitern des Netzes Spulen eingeschaltet sind, welche unter sich derart verkettet und bemessen sind, dass sich bei gesundem Netz die Ampärewindungen der <B>3</B> einzelnen Spulen einander entgegenwirken, derart, dass sich ihre Wirkungen gegenseitig aufheben,
dass aber im Erdschlussfalle die von kapazitiven Strömen durchflossenen Spulen der gesunden Leitungen in der in der kranken Leitung, also im Erdschlussstromkreis, liegen den Spule eine EMK induzieren, welche die auf diesen Stromkreis wirkende Spannung der kranken Phase mindestens so weit kom pensiert, dass der noch zustande kommende Erdschlussstrom zur Bildung eines Dauerlicht- boo,ens nicht ausreicht.
Die Erfindung sei anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele ID näher erläutert.
In Fig. <B>1</B> ist schematisch ein von einer Generator- bezw. Transformatorwicklung a<B><I>b</I></B> gespeistes Einphasennetz <I>m</I> qi dargestellt. Der Spannungsnullpunkt des Netzes, hier der Mittelpunkt o der Wicklung a b, ist direkt geerdet. Nun ist erfindungsgemäss zwiselien die Wicklung a und dem zugehörigen Netz leiter in die Spule<B>d,</B> und zwischen die Wick-- lung <B>b</B> und dem zugehörigen Netzleiter ii, die Spule e geschaltet.
Die Spulen<B>d</B> und e be finden sich somit in Reihenscbaltung zu den Leitungen des Netzes. Ferner sollen diese Spulen derart auf einem gemeinsamen 3kig- netkreis angeordnet sein, dass sich ihre durch den Strom des gesunden Netzes erzeugten Ampbrewindungen aufheben, so dass der nor- male Belastungsstrom nieht gedrosselt wird.
Die Teilkapazitäten der Netzleiter gegen Erde sind mit <B>p</B> und q bezeichnet. Atieh die Lade ströme des gesunden und symmetrischen Netzes werden dann kein Feld in dem Magnetkreis erzeugen. Tritt aber eine kapazitive Unsyni- metrie, oder gar ein Erdschlufl, auf, dann entsteht eine Ungleichheit der Ströme in den beiden Spulen d und e in dem Misse, in welchem die Erdverbindung des Nullpunktes Strom führt.
Diese Differenz der Anipe're- windungen wirkt auf den gemeinsamen 3lag- netkreis der Spulen magnetisierend, so dass ein<B>Feld</B> entsteht, weiches eine der Sparinung der kranken Phase entgegenwirkende EMX in der in Reihe zur kranken Phase liegenden Spule erzeugt.
Bei entsprechender Bemessung des Eisens und der Windungszahl läf,,t sich erreichen, dass die Spannung der kranken Phase durch die in der zugehörigen Spule induzierte EMK vollkonunen kompensiert wird (wenn man von dem Einfluf, des ohm'sehen Widerstandes absieht). Ein Ei-dSellILII'),StU011) und Erdschlusslichtbogen kommt demnach nicht zustande.
Das Vektordiagramm der Spannungen und Strönie ist für diesen Fall durch Fig. 2\, veransehaulicht. Der Leiter in der Fig. <B>1</B> hat bei gesundem 'Netz gegen Erde die Span n ung o<B><I>a</I></B> # E, der Leiter ti die Span nung<I>o<B>b =</B></I><B> K</B> Zwischen den Netzleitern herrscht dann die Spannung a b #- 2F,. <I>Sei</I> oi. der Strom im Netzleiter ni, o;
" der Strom 111 Netzleiter ji, dann i"t klar, dass sie in bezug auf den gemeinsamen Magnetkreis der Spulen<B>(1</B> und e sieh in GegenpliaKe zueinander befin <I>den.</I> oi.,1 und oi., sind demgemäss im Diagranim der Fig. 211 uni<B>180'</B> gegeneinander'versetzt gezeichnet.
Wird<B>das</B> Netz entlastet, dann geht oi in oid, oi" in oi" über, wobei oi,1 und oi, die kapazitiven Ladeströnie des Netzes be deuten. Die der Netzbelastung entspreehen- den Stromkomponenten i,1 <I> & ,</I> und<I>i,</I> i" bleiben bei einem Erdschluf') unverändert und kom pensieren sieh im 31agnetkreis der Spulen<B>(1</B> und e ständig.
Sie können für die weitere Betrachtung dalier unberücksichtigt bleiben. Wenn inan nun annimmt, der Leiter n gerate in Ei rdschluss, dann verschwindet der Lade- strom oi,. während der Strom oii auf den doppelten Wert steigt, weil die Spannung <B>g</B> Erde des Leiters m auf das Doppelte ,hoben wird.
Da nun aber der Punkt o (Fig. <B>1)</B> direkt mit Erde verbunden ist, kann diuse Hebung der Netzleiterspannung nur er folgen, wenn zwischen Wicklung a un1 Leiter<B>m</B> eine Spannung eingefügt wird, weiche der Differenz 2E-E=Eentspricht. Betrachtet man nun den Magnetkreis der Spulen d und e, so geht aus Fig. <B>2b</B> hervor, dass der jetzt in der Spule<B>d</B> fliessende, vor eilende Strom oi, ein Feld (I) erzeugen wird, welches in dieser Spule<B>d</B> selbst, wie auch in der<I>Spule e</I> Spannungen iiiduziert,
die in Phase mit den Spannungen o a bzw. <I>o<B>b</B></I> sind. r)er Eisenquerschnitt und die Windungszabl der Spulen kann so gewählt werden, dass die induzierten Spannungen auch grössengleich init der Pliasenspannung <B>E</B> des Netzes sind, In diesein Falle addieren sich<B>für</B> den Erd- schlusskreis die Spannungsvektoren<I>o<B>b</B></I> + <B><I>b</I></B><I> o</I> züi Null,
<B>für</B> das Netz aber die Spannungs vektoren oa <B><I>1-</I></B> ae zu<B>2E.</B> Für, die Bemessung der Spulen zum völligen Unterdrücken des induktiven oder kapazitiven Erdschlussstromes lassen sieh folgende Gleichungen aufstellen:
Im Erdschlusskreis muss sein jd. <B>IM.</B> a) <B><I>= E</I></B> wo Jd der Ladestrom des gesunden Leiters, JI der Coeffizient der gegenseitigen In duktion der Spulen d und e, <I>o)</I> die Kreisfrequenz des Netzes, <B>E</B> die Spannung der kranken Phase ist.
Nun ist aber <B>,</B> Id = 2E <B><I>-</I></B> o)C wo<B>C</B> die Teilkapazität des gesunden Leiters gegen Erde bedeutet. Hiernach ist
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Es ist leicht abzuleiten, dass bei Netzen be liebiger Phasenzahl zur möglichst genauen und gleichmässigen Abgleichung
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sein muss, wo unter<B>2C</B> die Stimme der Teil kapazitäten aller Phasen gegen Erde bedeutet.
Hierbei lassen sich die Unsymmetrien in der Verteilung der Teilkapazitäten auf die ein zelnen Phasen durch entsprechend unsym- metrische Bemessung der einphasig verkette ten Reihenspulen oder durch zusätzliche, zwischen die Phasenleiter des Netzes und Erde geschaltete Drosselspulen ausgleichen.
Die Fig. <B>3,</B> 4,<B>5</B> und<B>6</B> veranschaulichen den Gegenstand der Erfindung an Mehrphasen- systemen. In Fig. <B>3</B> bedeutet a,<B><I>b,</I></B> c das Wicklungssystem einer dreiphasigen Strom quelle, wobei unter Stromquelle die Wicklung eines Generators, Motors, Transformators, Umformers oder äquivalenten Einrichtung zu verstehen ist. Der Nullpunkt o derWicklung ist direkt geerdet. Mit den abgehenden Netz leitungen<I>h, i,<B>k</B></I> sind die Spulen<B><I>d,</I></B><I> e,</I> f' in Reihe geschaltet, welche sich. auf dem ge meinsamen Magnetkreis<B>g</B> befinden.
Bei nor malem Netzbetrieb ist die resultierende Am- p#rewindungszahl dieses Magrietkreises gleich Null. Im Erdschlussfalle entsteht aber ein Feld, welches aus den Ampärewindungen der in den gesunden Leitungen eingeschalteten Spulen restiltiert und zeitlich senkrecht auf der Spannung der kranken Phase steht. Dieses Feld erzeugt in -allen drei Spulen<B><I>d,</I></B><I> e</I> und<B>f</B> gleichgerichtete Spannungen" die ent gegengesetzt gerichtet und grössengleich mit der Spannung der kranken Phase sind.
Diese Spannungen addieren sich mit den Spannungen der Stromquelle und ermöglichen die Span nungsverlagerung des Netzes derart, dass die Spannung zwischen dem kranken Leiter und Erde verschwindet, während die beiden<B>ge-</B> sunden Netzleiter gegen Erde die #F3 fache Spannung aufweisen. Fig. 4 zeigt, dass die Verkettung der drei Spulen d, <I>e</I> und<B>f</B> auch indirekt mit Hilfe von drei Einphasentrans- formatoren erfolgen kann, deren primäre Wicklungen sie darstellen.
Da bei den Spulen<B><I>d,</I></B><I> e</I> und<B>f</B> nur im Erdschlussfalle eine grosse Spannung auftritt, ist man in der Lage, eine Abschaltung des kranken Leitungsteils durch ein von dieser Spannung direkt oder indirekt gespeistes Re lais zu bewirken, wie es Fig. <B>5</B> zeigt. Hier bedeutet <B><I>(b) b.</I> c</B> die Wicklung der Stromquelle, <B><I>d,</I></B><I> e,<B>f</B></I> die mit den Netzleitern in Reihe geschalteten, einphasig verketteten Spulen, <I>s. s, s</I> der Schalter zum Abtrennen der Leitungen, <B>r</B> ein von der Spannung einer der Reihen spulen betätigtes Relais, welches demnach nur iin Erdschlussfalle anspricht.
Die<B>Ab-</B> schaltung kann dabei auch in Abhängigkeit von der Zeit ei-folgen.
Damitist nun aberfernerauch derSelektiv- schutz des Netzes möglich gemacht. Bringt man die Schutzspulen in einem Netz etwa nach dem Schema<I>der</I> Fig. <B>6</B> an, in wel cher fl, tz#" <B>13 ...</B> die Transformatoren des N etzes, fi, f-" fs <B>...</B> die von den Samnielschienen ab gehenden Leitungen darstellen und schaltet man in jede dieser Leitungen besondere Schutzspuleii xi, <I>X2,
</I> X3 <B>. . .</B> ein, dann wird bei Erdschluss in einer der Zweigleitungen nur die Spannung dieser Leitung gegen Erde verlagert, während die audern Leitungen von dem Erdschluss überhaupt nichts merken. An den Voltmetern ist sofort die kranke Leitung zu erkennen und es ist möglich, sofort an die Beseitigung der Störungsursache zu<B>gehen.</B> Lässt sich die Störung nicht schnell genug belieben, dann kann man die Leitung von Hand oder durch eine von der Zeit abhängige, selbsttätig wirkende Einrichtung nach Verlauf eines beliebi- wählbaren Zeitraumes abschal ten.
Bei dem Schema nach Fig. <B>6</B> ist jedoch das Sammelschienensystem selbst nicht mit- geschützt; ein Erdschluss in die-sein v#,üt-de einen Kurzschluss bedeuten.
Aus diesem Grunde ist es empfehlenswert, entweder ge mäss Fig. <B>7</B> die Schutzspulen schon in das Sammelschieneilsystein zu legen, wobei sie aber aus parallelen, ab- und zuschaltb#iren Teilen x und x' zur Einstellung auf die Zahl der eingeschalteten Netzleitungen bestellen müssten. Iiii Erdschlussfalle verteilt sich näm lich der dem Erdschlussstroni äquivalente Erregerstrom auf diese Schutzspulen und er- zeu-t in ihnen eine Spannung,
welche mit der Spannung der Erdschluss habenden Phase grössengleich aber ihr entgegengerichtet ist. Würde nun aber eine der Zweigleitungen ab-eschaltet werden, darin würde sich ini Erdschlussfalle ein entsprechend kleinerer Er regerstrom auf die Schutzspulen verteilen und somit eine züi kleine Kompen"ations- spannung in diesen Spulen erzeugen.
Werden aber von den parallelen Spulen bei Absch#i1- tung von Zweigleitungen jeweils so viele Spulen mit abge.,chaltet, als der Veriiiin- derung der -Netzkapitzität entspricht, dann reicht auch der vvi-iiiiiidei>te Erregerstroni zur Erzeugung der vollen Kompensations spannung in den Spulen aus. In Fig. <B>7</B> sind nur zwei derartig angeordnete, parallel arbei tende Schutzspulen<B>x-</B> uiid.v' dargestellt.
Diese seien so bemessen, datl) die Induktivität der Spule<B>a,-</B> der Suninie dreier Zweigleitungen, z. B. fl, f.-" f#-, entsprechend bemessen ist, während die Induktivität der Spule2 gemäss der Teilkapazität der Zweigleitung<B>/'</B> gewählt ist.
Für den Fall, da1J) die Zweigleitungen unter sieh gleich sind, kann die Spule<B>x'</B> auch einer andern Zweigleitun- zugeordnet werden. Aluf.') nun beim Auftreten eines Feh lers die betroffenu Zwuigleitung vorübergehend <B>kn</B> abgeschaltet werden, dann inut.1) aber auch gleichzeitig die, Spule iv' abgeschaltet werden, damit die verbleibende Induktivität der Sehutz- spulen dem verbleibenden Teil der Zweig leitungen angepasst ist.
Der Vorteil der selbst tätigen selektiven Abschaltung der einzelnen Zweigleitungen wird bei der durch Fig. <B>7</B> dargestellten -Anordnung der Schutzspulen allerdings nicht erreieht. -Um das Sammel- schienensystern initzuschützen, gäbe es noch eine andere Möglichkeit, nämlich man erdet den Transforinator--Nullpunkt nicht direkt, sondern über ohni'schen oder induktiven Widerstand.
welcher so bemessen ist, daf.) er den Kurzschlussstroni in noch zulässigen, (in- ,schädlichen Grenzen hält. flierbei wird man auf eine vorübergehende Abschaltung des Netzes bedacht "ein müssen, weil eine solche Störung in dLi, Zentrale, selbst unbedingt schnellstens züi belieben ist.
Die Verwendung von ohin'schein Widerstand it, in der Erdungs leitung (siehe Fig. 4) kann aber auch aus dein Grunde erfolgen, um dem Netz eine ge wisse Dämpfung zu geben, damit aus andern Gründen verursachte Überspannungen ge mildert werden. Die Widerstände können züi diesem Zweck auch parallel zu den Schutz- spulen geschaltet sein.
Die t instelluDg der Schutz,pulen auf die Teilkapazität des Netzes gegen Ei-de kann in an sich bekanntei-Weise durch Abschaltung von Windungsteilen er folgen. Fig. <B>8</B> zeigt eine Dreiphasenschutz- spule <B><I>d,</I></B><I> e,<B>f</B></I> init Anzapfungen und regelbarem Anschluss. Wichtig ist die Frage der Spulen- abstimmuncr hinsichtlich des Betriebes der gesunden Leitungen.
Bei Normalbetrieb des Netzes herrscht an den Spulen die Spannung<B>0,</B> falls die Teilkapazitäten der einzelnen Netz leiter gegen Erde die gleichen sind. Liegt aber eine unsymmetrische Kapazitätsvertei lung vor, dann tritt bei genauer Abstimmung (Resonanzabgleichung) auch eine Spannungs verlagerung des gesunden Netzes ein.
Man wird daher zweckmässig die Abstimmung der Spulen so wählen, dass als äusserste Annähe rung an den Resonanzwert
EMI0005.0017
für die gegenseitige Induktivität der Spulen der Ausdruck
EMI0005.0019
züi gelten hat, wo<I>in</I> für Einphasenstrom # 2, für Dreiphasenstrom = <B>3</B> zu setzen ist und unter C.. die Teilkapazität gegen Erde der jenigen Phase zu verstehen ist, welche die kleinste oder grösste Teilkapazität gegen Erde hat.
Um nun aber bei Abschaltung von Lei tungsteilen nicht doch in die Resonanz hinein zu kommen, ist es zweckmässig, die Verstim mung derart zu wählen, dass
EMI0005.0025
da dann ein Abschalten von Leitungsteilen die Verstimmung vergrössert. Es kann beson ders beim Abschalten von Leitungsteilen auch der Fall eintreten, dass die Schaltkontakte nicht gleichzeitig unterbrechen.
Unter Um ständen führt dies zu kurzzeitigen, grossen Kapazitätsunsyminetrien des Netzes und daher zu Überspamiungen. Diesen kann man da durch begegnen, dass man die Schutzspulen derart bemisst, dass sie schon unter Phasen spannung auf dem gekrümmten Teil der Sättigungskurve arbeiten. Durch die hohe Sättigung wird die Spannungsverlagerung be grenzt. Die in die Netzleitungen eingeschal teten Schutzspulen werden dauernd vom Hauptstrom des Netzes durchflossen. Um die Dauerverluste in diesen Spulen klein zu halten, ist es zweckmässig, sie mit wenig Kupfer und vielem Eisen zu bauen.
Das Verhältnis von Kupferverlust und Eisenverlust (die Verluste bezogen auf die maximale Beanspruchung der Wicklung und des Eisens) soll kleiner als<B>1</B> sein. Die den verschiedenen Phasen ange hörigen Spulen sollen unter sich gut verkettet sein, damit der Belastungsstrom des Netzes möglichst keine Drosselung erfährt. An sich ist aber der induktive Spannungsabfall in den Schutzspulen nicht ungünstig, dient er doch dazu, die Wirkungen eines Netzkurzschlusses zu mildern.
Wollte man Dauerverluste durch die Schutzspulen durchaus vermeiden, dann könnte man diese durch einen als Schnell schalter ausgebildeten Kurzschliesser über brücken und Einrichtungen vorsehen, welche den Schnellschalter bei Eintritt eines Erd- schlusses, z.B. durch den in derVerbindungs- leitung zwischen Nullpunkt und Erde fliessen den Strom, öffnet.
Der Schutzbereicb. der beschriebenen Ein richtung erstreckt sich nur auf elektrisch zusammenhängende Leitungsteile. Ist das Netz durch Zwischentransformatoren in elek trisch getrennte Teile zerlegt, dann erfordert jeder dieser Teile eine besondere Schutz einrichtung.
Es ist möglich, die beschriebene Schutz einrichtung mit dem bekannten Erdschluss- schutz durch Nullpunktsdrosselspulen oder durch Polerdung über Drosselspulen zu kom binieren. Bei dieser Kombination tritt eine teilweise Verlagerung der Spannung der Stromquelle auf, die um so grösser wird,<B>je</B> grösser die Induktivität der Nullpunktsdrossel- spulen beziehungsweise Erdungsdrosselspulen im Vergleich mit der Induktivität der Spulen der beschriebenen Einrichtung ist.
Bei der Abgleichung ist die Summe der Induktivi- täten aller Einrichtungen in Rechnung zu setzen.