Schaltung für Relais in Wechselstromkreisen. Es sind elektrische Relais bekannt, bei denen die zu überwachenden elektrischen Grössen auf ein mechanisch bewegtes System eine Kraft ausüben, der eine andere mecha nische Kraft entgegenwirkt und bis zum Überschreiten des Ansprechwertes das Gleichgewicht hält. Derartige Relais besit zen aber eine nicht sehr genaue Ansprech- empfindliehkeit, da die entgegenwirkende mechanische Kraft, die gewöhnlich in einer Feder besteht, nie ganz genau eingestellt werden kann und im Betrieb leicht Verände rungen erleidet.
Bei einem Umstellen des Relais auf andere Ansprechwerte besteht der Nachteil, dass ein Auswechseln der Federn oder der Strom- oder Spannungswicklungen erforderlich ist.
Diese Nachteile werden erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass der zu überwachen den elektrischen Wechselstromgrösse eine gleichgerichtete Wechselspannung oder eine Gleichspannung entgegengeschaltet wird, derart, dass die Differenz beider in einem Stromkreis wirksam ist, der eine Betäti gungseinrichtung beeinflusst. Dadurch wird erreicht, dass das Relais nur für den Differenzwert elektrischer Grössen bemessen zu sein braucht, und dass es vom Absolut wert nicht beansprucht wird.
Ausserdem wird durch die Summierung der elektrischen Grössen eine grössere Empfindlichkeit er reicht als durch die Summierung von Kräf ten, die von diesen elektrischen Grössen erst hervorgerufen werden.
In den Abbildungen sind verschiedene Anwendungsbeispiele der Erfindung darge stellt. In Fig. 1 ist ein Ü.berstromrelais ge zeigt, bei dem eine Röhre als Ansprech- element verwendet ist. An die Sekundär wicklung eines durch einen Widerstand 2 belasteten Stromwandlers 1 ist die Kathode einer Elektronenröhre 3 angeschlossen. Über eine Gleichstrombatterie 4 ist an den andern Pol des Stromwandlers 1 das Gitter der Röhre 3 geführt.
Der Heizkreis der Röhre 3 ist in an sich bekannter Weise geschaltet; im Anodenkreis liegt die Auslösespule 5 eines Schalters oder die Betätigungsspule eines Anzeigerelais in Reihe mit einer Gleichstromquelle 6.
Aus dem Diagramm der Fig. ja, das die Röhrencharakteristik, den Anodenstrom, als Funktion der Gitterspannung, zeigt, ist die Wirkung der Anordnung zu ersehen. Als Röhrencharakteristik ist die einer Elektro nenröhre mit unstetigem Entladungseinsatz, beispielsweise einer gas- oder dampfhaltigen Entladungsröhre mit lichtbogenartiger Ent ladung, gezeichnet. Der Entladungsvorgang setzte bei der positiven Gitterspannung egi relativ zur Kathode gemessen ein.
Die Gleichspannung en, die als negative Gitter vörspannung wirkt, ist so gewählt, dass e" -f - en gleich dem Ansprechwort des Relais ist, das heisst der dem Gitter aufge drückte Ansprechwert muss zunächst en überwinden und dann noch egi, wenn das Relais ansprechen soll. Wenn dieser Wert dann überschritten wird, wie beispielsweise in Fig. ja durch eine Wechselspannung ery, dann nimmt der Anodenstrom einen Wert i8, an, der zur Erregung der Spule 5 aus reicht.
In Fig. 2 ist die Anwendung der Erfin dung bei einem Überspaunungsrelais gezeigt. Die Schaltung ist ähnlich der in Fig. 1 dar gestellten. An Stelle des Stromwandlers 1 ist ein Spannungswandler 7 vorgesehen, an dessen Sekundärklemme über einen Gleich richter 8 ein Kondensator 9 geschaltet ist. Bei der Darstellung des Gleichrichters 8 ist ebenso wie bei den folgenden Figuren der Pfeil so gezeichnet, dass er die Elektronen- richtung angibt.
Parallel zu dem Konden sator liegt die Kathode und das Gitter mit einer Spannungsquelle 4 einer Elektronen röhre 3. Im Anodenkreis liegt wieder die Betätigungsspule eines Anzeigerrelais oder eines Auslöseschalters. In dem Ausfüh rungsbeispiel ist das Prinzip der Ruhestrom schaltung angewendet.
Die Gittervorspan- nung ep ist daher positiv gewählt und be sitzt eine derartige Grösse, dass ep e" (Fig. 2a) dem Ansprechwert des Relais entspricht. egi ist dabei ebenso wie bei Fig. la der Wert des Gitterpotentials, bei dem die Ent ladung einsetzt.
Wenn nun die gleichgerich tete Wechselspannung un einen Wert an nimmt, der ep egi überschreitet, dann sinkt der Anodenstrom auf einen Wert, der zum Festhalten des Ankers des Relais 5 nicht mehr ausreicht. Als Elektronenröhre kann in diesem Fall keine Röhre mit unstetigem Ent ladungseinsatz verwendet werden, da bei diesem der Anodenstrom, erst wenn seine Richtung umgekehrt ist, zu fliessen aufhört. Für diese Schaltung kommt nur eine Ent ladungsröhre normaler Bauart in Betracht. Die Gleichrichtung der Spannung itn ist aber hier erforderlich, damit der Anoden strom wirklich unterbrochen bleibt.
Wenn die Einrichtung nach dem Arbeitsstromprinzip wirkt, dann kann sie als Spannungsrückgangrelais verwendet wer den. Sobald nämlich die Spannung u. den Wert ep - P., unterschreitet, setzt der Anodenstrom ein und-die Spule des Relais 5 wird erregt.
Bei den gezeichneten Ausführungsbei spielen 1 und 2 kann auch an Stelle der Röhre ein polarisiertes Relais verwendet werden, wenn in- beiden Fällen die zu über wachende Wechselstromgrösse, bevor sie dem Relais zugeführt wird, gleichgerichtet ist.
Besonders vorteilhaft lässt sich der Er findungsgedanke dann anwenden, wenn zwei Wechselstromgrössen miteinander verglichen werden sollen. In Fig. 3 ist zum Beispiel die Schaltung -eines Stromdifferenzrelais ge zeigt. Mit 1 und 11 sind die Stromwandler bezeichnet, denen die beiden Ströme ü und i2 zugeführt werden. Die Stromwandler sind mit Luftspalt im Eisenkern ausgerüstet, um einen parallelen Widerstand überflüssig zu machen.
Die Sekundärwicklungen der Wand- ler 1 und 11 arbeiten über Gleichrichter 8 und 118 auf die Kondensatoren 9 und 19, die demgemäss auf Gleichspannungen aufgeladen werden, welche den zu vergleichenden Strö men il und i2 proportional sind. Die Span- nung am Kondensator 9 besitzt .das ent gegengesetzte Vorzeichen wie diejenige am Kondensator 19, so dass die Differenz beider wirksam wird. Diese Differenz ist in den Gitterkreis der Röhre 3, also zwischen Git ter und Kathode, eingeführt. Im Anoden-.
kreis liegt wieder die Spule eines Betäti gungsrelais 5 und eine Anodenstromquelle 6, die gleichzeitig über einen Widerstand 20 den Heizstrom liefert. Übersteigt nun die Differenz der Ströme il und i2 einen be stimmten Wert, so setzt die Entladung der Röhre 3 ein und die Spule 5 wird erregt. Die Widerstände 21 und 22 parallel zu den Kondensatoren 9 und 1.9 dienen dazu, die Ladung von den Kondensatoren abzuleiten, so dass die Kondensatorspannungen den Amplitudenwerten der Ströme il und i-2 schnell folgen.
Ein derartiges Relais kann zum Beispiel dazu dienen, die zu einem Anlageteil hinein- und die aus ihm heraus fliessenden Ströme zu messen und so das Auf treten von innern Fehlern festzustellen.
Werden an Stelle der Stromwandler 1 und 11 Spannungswandler vorgesehen, dann kann das Relais zum Beispiel zur Über wachung von mehreren Leitungen verwendet werden, die von denselben Sammelsebienen aus gespeist werden und bei denen hinter der Verzweigung in jeder der Leitungen eine Schutzdrosselspule eingebaut ist. Das Dif ferenzrelais vermag dann die Spannung hin ter den Schutzdrosselspulen zu vergleichen. Soll bei einer derartigen Schaltung die Aus lösung sowohl bei positiven, als auch bei negativen Spannungsabweichungen der einen Leitung gegen die andere erfolgen, so sind im allgemeinen zwei Relais gemäss den Fig. 5 und 6 erforderlich.
Eine Schaltung nach Fig. 3 kann auch zur Überwachung der symmetrischen Be lastung einer Dreiphasenleitung verwendet werden. Dem Dreieck der Belastungsströme proportionale Spannungen werden zu diesem Zwecke mittelst bekannter Brückenschaltun gen in die rechtläufigen und gegenläufigen Komponenten zerlegt und je zwei von der selben Phase herrührende gegenläufige wer- den einem Differenzrelais nach Fig. 3 zu geführt.
Ein Differentialrelais, das bei Unter schreitung eines gewissen Impedanzwertes anspricht, wird dadurch erhalten, dass an Stelle des Stromwandlers 11 der Fig. 3 ein Spannungswandler gesetzt wird.
Das Poten tial des Kondensators 9 (U9) ist dann dem Strom J, das Potential des Kondensators 19 (L1,9) der Spannung U der abzuschaltenden Leitung propdrtional. Liegt nun die Charak teristik der Röhre so, dass die Änderung des Anodenstromes bei der Gitterspannung Null einsetzt, dann spricht das Relais an wenn:
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c und c' sind zwei Konstanten, die von den Übersetzungsverhältnissen der Hilfswandler 1 und 2 abhängig sind. Das Relais löst also aus, wenn die Impedanz einen bestimmten Festbetrag, der von den Übersetzungsverhält nissen der Hilfswandler 1 und 2 abhängt, unterschreitet.
Fig. 4 zeigt ein Relais, das durch algebraische Differenzbildung die Energie richtung unterscheidet. Die Sekundärspan nungen der Wandler 1 und 11 sind hinter einander geschaltet und laden über den Gleichrichter 18 den Kondensator 19 auf eine der geometrischen Summe der Sekundär spannungen proportionale Gleichspannung auf. Im Gitterkreis der Röhre 3 liegt ausser dem noch die vom Hilfswandler 1 herrüh rende, dem Strom in der zu schützenden Lei tung proportionale Spannung des Konden- sators 9. Die Wirkungsweise der Schaltung soll anhand der Fig. 4a und 4b erläutert werden. Die an den Sekundärwicklungen der Wandler 1 und 11 auftretenden Hilfsspan nungen sind mit J und U bezeichnet.
Bei normalem Energiefluss schliessen die Vek toren J und U einen Winkel ein, der kleiner als<B>90'</B> ist. Die geometrische Summe Y die ser Spannungen wird im Gleichrichter 18 gleichgerichtet und lädt den Kondensator 19, dessen Ladung also proportional der Strecke Pi, P3 ist, auf.
Die Spannung des Kondensators 9, die der Strecke Pi, P2 entspricht, ist der des Kondensators 19 entgegengeschaltet. Im Gitter liegt also eine resultierende Spannung proportional der Strecke P2, P3, .die dasselbe Vorzeichen. wie die Ladung des Kondensators 19 besitzt, also .eine negative Gitterspannung darstellt. Der Entladungsstrom der Röhre 3 ist ge sperrt. Kehrt sich die Energierichtung um, so schliessen die Vektoren J .und U einen Winkel ein, der grösser als 90 ist, wie in Fig. 4b dargestellt.
Am Gitter der Röhre 3 liegt also die negative Spannung des Konden- sators 19 und in Reihe damit die positive Spannung des Kondensators 9. Die Differenz beider ist positiv. Die Entladung in der Röhre setzt also ein und die Olschalterspule 5 wird erregt.
In Fig. 5 ist eine Differentialschutzein- richtung dargestellt, die bei einer positiven, sowie negativen Differenz der Ströme in den beiden parallelen Leitungen <I>A</I> und<I>B</I> an spricht. Für eine derartige Einrichtung sind zwei Röhren 3 und 13 erforderlich. Die Stromwandler und die angeschlossenen Gleichrichterkreise sind ebenso geschaltet wie in Fig. 3.
Der Gleichrichter 8 ist aber so wohl an die Kathode der Röhre 3 als an das Gitter der Röhre 13 geführt, während der Gleichrichter 18 umgekehrt an die Kathode der Röhre 13 und an das Gitter der Röhre 3 angeschlossen ist. Die Anodenkreise beider Röhren sind von einander getrennt an je eine Spule 5 und 15 geführt, die auf einen gemeinsamen Eisen kern eines Relais oder einer Schalterbetäti- gungseinrichtung einwirken. Für diese Ein richtung sind zwei besondere Anodenstrom quellen 6 und 1,6 vorgesehen, die an sich auch vereinigt werden können.
Je nachdem ob nun der Strom in der Leitung A oder in der Leitung B überwiegt, spricht die Röhre 3 und 13 an, die die positive Gitterspannung erhält. Die Einrichtung ist in allen Fällen anzuwenden, wo es sich um den Vergleich von elektrischen Grössen handelt und wo so wohl die positive, als auch die negative Dif- ferenz der zu überwachenden Grössen das Auslösen herbeiführen soll, also auch bei einer Differentialschutzeinrichtung einer ein zelnen Leitung, die von zwei Seiten gespeist wird.
In Fig. 6 ist eine Schaltung zur Lösung derselben Aufgabe gezeigt wie die der Fig. 5 zugrunde liegende, und zwar für den Dif ferentialschutz einer einzigen Leitung. Bei dieser Ausführung sind Doppelgitterröhren und Spezialwandler erforderlich. Die Strom wandler 1 und 11 besitzen geteilte Sekundär wicklungen, an welche je zwei Konden satoren 9, 9' und 19, 19' über Gleichrichter angeschlossen sind. Die Schaltung der Gleichrichter ist derart getroffen, dass an den Kondensatoren Gleichspannungen mit den in der Abbildung eingezeichneten Vorzeichen auftreten. Die Gitter der beiden Entladungs röhren 3 und 13 sind an beide Stromwandler 1 und 11 angeschlossen.
Am Gitter 23 der Entladungsröhre 3 liegt die negative Span nung des Kondensators 9', die dem Strom J± proportional ist. Am zweiten Gitter 24 der Röhre 3 liegt eine positive Spannung, die vom Kondensator 19 herrührt und dem Strome Jn proportional ist. Überwiegt die Spannung des Kondensators 19 diejenige des Kondensators 9', so herrscht an der Röhre 3 ein resultierendes, positives Gitterpotential, die Entladung setzt ein und die Auslösespule 5 des Ölschalters wird erregt.
Die Röhre 3 spricht also an, wenn der Strom JB grösser ist als der Strom Ji. Im umgekehrten Falle spricht die Röhre 13 an, in der die Span nungen der Kondensatoren 9 und 19' in der selben Weise verglichen werden.
Durch eine Abänderung der Schaltung nach Fig. 6 kann auch erreicht -Werden, dass die Auslösung erfolgt, wenn an Stelle des Fehlerstromes (Differenz von J1 und JB) wie in Fig. 6 das Verhältnis von Fehler strom zu Belastungsstrom
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einen ge wissen Festbetrag überschreitet. Derart ein gerichtete Relais besitzen eine grössere An sprechgenauigkeit als Relais, bei denen nur die Differenz JA -JB für das Ansprechen massgebend ist.
Die Abhängigkeit von dem Verhältnis Fehlerstrom zu Belastungsstrom kann bei den bekannten Differentialschutz einrichtungen nur mit Hilfe von besonderen Haltespulen, die eine unerwünschte Kompli kation der Einrichtung darstellen, erreicht werden. Bei dem Differentialschutzsystem gemäss der Erfindung lässt sich dagegen die gewünschte Abhängigkeit lediglich - durch eine besondere Unterteilung der Wandler 1 und 11 erzielen, wie an folgender Rechnung gezeigt werden soll.
Das Verhältnis von Fehlerstrom zu Belastungsstrom, bei dem die Auslösung erfolgen soll, sei m:
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Daraus folgt: <I>JA -</I> JB <I>= in (JA</I> -\- J$) oder JA<I>(1 - m) =</I> JB <I>(1</I> + <I>na)</I> Die Auslösebedingung lautet also:
<I>JA (1 - na) -</I> JB <I>(I</I> -@- nz) <I>--- 0;</I> diejenige für einen Stromunterschied des entgegengesetzten Vorzeichens: JB <I>(1 - in) - JA (1</I> + <I>na) = 0</I> Die zwei letzten Gleichungen lassen un mittelbar erkennen, dass die gewünschte Ver hältnisabhängigkeit sich ohne weiteres er reichen lässt.
Es braucht zum Beispiel nur die Sekundärwicklung der Wandler 1 und 11 derart unterteilt zu werden, dass die an den Kondensatoren 9 und 9' bezw. 19 und 19' auftretenden Spannungen sich wie<I>K</I> (1- t) und<I>K</I> (1+m.) zu den entsprechenden Primärströmen verhalten, wobei K eine vom Übersetzungsverhältnis der Stromwandler abhängige Konstante bedeutet.
Um die Auslösung bei Strömen in der Nähe von Null zu vermeiden, ist es zweck mässig, am Gitter 24 und dem entsprechen den Gitter der Röhre 13 noch eine kleine Gittervorspannung vorzusehen.
Für Differentialschutzeinrichtungen von Kabeln besitzt das neue Relais ausser den eingangs erwähnten Vorteilen und abgesehen von der sehr erwünschten geringeren Strom- wandlerbelastung noch den zusätzlichen Vorteil, dass die Einrichtung durch Einbau von Sperrkreisen leicht gegen die von der zu schützenden Leitung induzierten Störspan nungen der Frequenz 50 Hertz oder einer Oberwelle geschützt werden kann.
Dies ist gerade bei Längsdifferentialschutzeinrich- tungen von Kabeln von grosser Bedeutung, bei denen die Prüfadern auf lange Strecken dem Kabel parallel laufen, da in fast allen Fällen, in denen die Schutzeinrichtung zu arbeiten hat, extrem grosse Ströme und ent sprechend starke Störfehler vorhanden sind. Bei den beschriebenen Relais, mit einer Ausnahme der Relaiseinrichtung nach Fig. 6, kann die Gleichrichtung der einen der zu vergleichenden Grössen erspart werden und statt dessen der Röhre 3 eine Wechselspan nung zugeführt werden.
Die Erfindung eignet sich besonders für derartige Relaiseinrichtungen, bei denen die Auslösung in Abhängigkeit ausser von den zu überwachenden Netzgrössen auch in Ab hängigkeit von der Zeit erfolgen soll. In Fig. 7 ist zum Beispiel die Anwendung der Erfindung auf ein Überstromzeitrelais ge zeigt. Die Schaltung stimmt im wesentlichen mit der der Fig. 2 überein. Der zu über wachende Strom ist einem Stromwandler 1 entnommen und über einen Gleichrichter 8 an die Klemme eines Kondensators 9 geführt.
Der Kondensator 9 liegt zusammen mit einer Gittervorspannungsbatterie 4 im Gitterkreis einer Elektronenröhre 3, in deren Anoden kreis die Betätigungsspule einer Relaisein richtung 5 liegt. In den Gleichrichterkreis des Stromes J ist aber ein Widerstand 215 eingeschaltet, der den zeitlichen Anstieg des Stromes in dem Kondensator 9 beeinflusst. Die Spannung am Kondensator 9 steigt näm lich vom Einschaltmoment an nach der Kurve
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an. UJ ist die Spannung am Kondensator 9, J der zu über wachende Strom, c eine Konstante,- e die Basis der natürlichen Logarithmen, t die Zeit und T die Zeitkonstante des Kreises 1, 25, 8, 9.
Der erste Teil - dieser Kurve kann mit grosser Annäherung als geradlinig be- trachtet-werden und wird in diesem Bereich durch :die Gleichung Ui <I>=</I> n Jt dargestellt, in der a eine weitere von den Stromkreiskonstanten abhängige Grösse be deutet.
Die Spannung an dem Gitter der Röhre 3 steigt demnach in Abhängigkeit von der Zeit geradlinig an und führt dann wenn sie die Grösse en -f- eäi überwiegt, zum An sprechen der Einrichtung. Der Spannungs- wandler 1 darf aber nicht dauernd an die Einrichtung angeschlossen sein, sondern erst beim Überschreiten eines bestimmten Strom wertes. Dazu ist ein besonderes stromab hängiges Ansprechglied erforderlich.
Wird der Widerstand 25 in eine Relais einrichtung nach Fig. 3, also ebenfalls in Serie zu dem Gleichrichter @8 eingebaut und an Stelle des Stromwandlers 11 ein Span- nungswandler gesetzt, dann erhält man eine zeitimpedanzabhängige Relaiseinrich tung. Am Kondensator 9 wird eine Span nung erzeugt, die proportional dem Strom, am Kondensator 19 eine Spannung, die proportional der Spannung der zu über wachenden Leitungsstrecke ist. Am Gitter der Entladungsröhre 3 liegt dann die Diffe renz der Gleichspannungen der Kondensa toren 9d und 19.
Bei Beginn der Störung wer den durch nicht eingezeichnete von den Stö- rungserscheinungen abhängige Ansprech- reläis die Transformatoren 1 und 11 einge schaltet. Die Spannung am Kondensator 19 stellt sich dann augenblicklich auf einen Be trag ein, welcher der Spannung der zu schützenden Leitung - proportional ist. Die Spannung am Kondensator 9 ist dagegen im Einschaltmoment Null und steigt erst all mählich proportional mit der Zeit an.
Sie besitzt das entgegengesetzte Vorzeichen wie die Spannung am Kondensator 19 und erst wenn beide Spannungen sich das Gleichge wicht halten, dann liegt am Gitter die Span nung Null, das heisst die zum Einsetzen des Entladungsvorganges erforderliche Span- nung. Die Auslösebedingung ist demnach U ,T <I>=</I> Ua. Da aber UJ <I>=</I> a. <I>J.</I> t, während Uz proportional der Kurzschlussspannung ist,
also Uu <I>= b . U,</I> wird a <I>. J .</I> t <I>= b . U</I> oder
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das heisst die Auslösezeit ist der Impedanz direkt proportional. Statt den Stromanstieg durch elektrische Trägheiten, wie den Widerstand 25, zu be einflussen, kann man in den Stromkreis der zu überwachenden Netzgrösse auch einen von einer unabhängigen Hilfskraft angetriebe nen Regulierwiderstand oder Reguliertrans formator anordnen. Eine derartige Ausfüh rung ist in Fig. 8 gezeigt. Die Gleichrich tung des zu verändernden Stromes ist dabei _ überflüssig. Es kommt also der Gleichrichter 8, sowie der Kondensator 9 in Fortfall.
An deren Stelle tritt parallel zur Sekundärwick lung des Stromwandlers 1 ein Spannungs- teiler 21, dessen Gleitkontakt 26- durch einen Motor 27 bewegt wird. Die Spannung, die zwischen dem Gleitkontakt 26 und einem Endpunkt des Spannungsteilers 21 abgenom men wird, wird dann in Serie zur Spannung des Kondensators 19 geschaltet und dem Gitter der Entladungsröhre 3 zugeführt. Wenn die Bewegung des Motors 27, der durch das Ansprechen .des Anregegliedesein- geschaltet wird, gleichmässig erfolgt, dann ist die Auslösezeit ebenso wie bei der vorher beschriebenen Anordnung .der Impedanz pro portional.
Der Vorteil des Spannungsteilers besteht darin, dass durch eine entsprechende Abstufung seines Widerstandes die Aus lösecharakteristik des Relais in beliebiger Weise beeinflusst werden kann. Ein Impedanzrelais, bei dem die zeit liche Veränderung der einen der charak teristischen Grössen durch Resonanzwirkung hervorgerufen wird und bei dem ebenfalls nur ein Gleichrichter erforderlich ist, ist in Fig. 9 dargestellt. An den Hilfstransformator 1 ist ein Resonanzkreis, bestehend aus einer Drosselspule 2:8, einem Kondensator 9 und einem Widerstand 16, angeschlossen, der auf die Frequenz des Netzstromes abge- stimmt ist.
Die Wirkungsweise der Anord nung soll anhand der Fig. 9a erläutert wer den. Die Spannung am Kondensator 19 ver läuft vom Moment des Kurzschlusses (t, = 0) geradlinig und horizontal und ist der Kurz schlussspannung porportional. Die Spannung am Widerstand 2'1 verläuft nach einer Sinus- Kurve mit ansteigender Amplitude, .deren Endwert und deren Hüllkurven-Tangente im Anfangspunkt dem Kurzschlussstrom propor tional ist.
Die Auslösung des Ölschalters er folgt, wenn am Gitter der Röhre 3 das erste Mal die resultierende Spannung Null auf tritt, also nach der Zeit t', die aus denselben Gründen wie bereits erläutert dem Verhält nis von Kurzschlussspannung zu Kurschluss- strom, also der Impedanz proportional ist.
Die zeitliche Veränderung der Netz- ,grüssen kann statt im Stromkreis auch im Spannungskreise vorgenommen werden. Fig. 10 zeigt ein Beispiel einer derartigen Schal tung. Parallel zum Kondensator 19 ist ein Widerstand 22 und ein Widerstand 21 ge schaltet, die durch den Kontakthebel 29 ab wechselnd an den Kondensator 19 geschaltet werden können. Im Kurzschlussfalle nimmt der Kondensator 1'9 augenblicklich eine der Kurzschlussspannung entsprechende Ladung an, ,sodann wird ;beispielsweise durch. :das Ansprechrelais der Kontakthebel 29 in die punktiert gezeichnete Lage umgelegt.
Der Strom i durch den Widerstand 21 verläuft dann nach der Gleichung:
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Die Spannung am Gitter der Röhre 3 wird Null, wenn der Spannungsabfall iP am Widerstand 21 dem Spannungsabfall U,, am Kondensator 9 entgegengesetzt gleich geworden ist, also
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Daraus folgt:
EMI0007.0024
das ist Auslösezeit t als Funktion der Impedanz
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Die Auslösecharakteri- stik dieses Relais hat also den in Fig. loa dargestellten Charakter, der bei manchen Arten von Kraftleitungen Vorteile bietet.
Ein Reaktanzrelais ist in der Fig. 11 dargestellt. Der Transformator 1 besitzt zwei Sekundärwicklungen 1' und 1", deren jede über einen Gleichrichter 8' bezw. 8" einen Kondensator 9' bezw. 9" auflädt. Der Trans formator 11 arbeitet auf einem Resonanz kreis, bestehend aus dem Kondensator 29, der Drosselspule<B>28</B> und dem Widerstand 2,5. Die geometrische Summe der Wechselspan nungen an .der Sekundärwicklung 1' des Transformators 1 und an der Drosselspule 2,8 wird im Gleichrichter 18 gleichgerichtet, der Kondensator 19 nimmt also eine dieser geo metrischen Summe entsprechende Gleich spannung an.
Im Gitterkreis der Röhre 3 liegen demnach in Serie die Kondensatoren 19, 9' und 9". Die Wirkungsweise der Schaltung soll am Vektordiagramm Fig. 11a erläutert wer den. J und U bedeuten die dem Strom bezw. der Spannung der Leitung proportionalen Sekundärspannungen der Transformatoren 1. und 11.
Der zwischen diesen Spannungen be stehende Phasenwinkel (p entspricht dem Phasenwinkel zwischen Kurzschlussstrom und Kurzschlussspannung. Die Spannung J ist in Reihe geschaltet mit dem Spannungs abfall Y längs der Drosselspule 28, der seinerseits um<B>90'</B> gegen die Spannung U phasenverschoben ist. Der Kondensator 19 wird über den Gleichrichter 18 auf eine der geometrischen Summe, also dem Vektor T' proportionale Gleichspannung aufgeladen (Strecke Pi, P3 in Fig. 11a).
Dieser Gleich spannung ist diejenige des Kondensators 9' entgegengeschaltet, die dem Strom J in der zu schützenden Leitung proportional ist, so dass als Resultierende dieser beiden Konden- satorspannungen die Differenz wirksam ist (Strecke P2;
P3 in Fig. 11a). Diese Differenz ist wie aus der Figur ersichtlich ungefähr <I>U</I> cos (cp <I>-</I> 90 )<I>= U</I> sin (p (g9 - 90 ) wird in den praktisch vor kommenden Fällen so klein bleiben, dass diese Näherung zulässig ist. Wegen des Widerstandes 25" im Gleichrichterkreis steigt die Spannung am Kondensator 9" pro portional mit der Zeit an. Wenn diese Span nung der Differenzspannung der Konden satoren 19 und 9' gleich geworden ist, setzt die Entladung ein und die Spule 5 wird er regt.
In Fig. llb ist der zeitliche Verlauf der Gitterspannungen dargestellt. Der Punkt bei dem die Entladung einsetzt, sei mit A = 0 bezeichnet. Positive Spannungen sind nach oben, negative nach unten aufgetragen. Uä <I>'</I> ist die proportional der Zeit ansteigende positive Spannung am Kondensator 9", U,r', die ebenfalls positive Spannung am Konden sator 19. Als Abszisse ist die Zeit aufge tragen.
Auf das Gitter der Röhre 3 wirkt die Resultierende aus diesen drei Gleich spannungen<I>Up,</I> T7J und UJ'. Diese Resultie- rende vermindert sich, während die Span nung UJ ' ansteigt; ist sie Null geworden, so setzt die Entladung ein.
Eine ähnliche Betrachtung, wie sie bei der Beschreibung des Impedanz-Zeitrelais durchgeführt wurde, ergibt, dass die Aus lösezeit des Relais der Grösse
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das heisst der Reaktänz proportional ist.
Wird die Schaltung in Fig. lla dahin abgeändert, dass in Serie mit der Spannung I' des Transformators 1 die Sekundärspan nung des Transformators 11 selbst geschaltet ist, so erhält man ein Relais, dessen Aus lösezeit. von der Grösse
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also der Resistanz abhängt. Derartige Relais werden vorzugsweise in Kabelnetzen mit geringer Reaktanz verwendet, während reaktanzab- hängige Relais in Leitungen mit starker In duktivität, also beispielsweise in Freileitun gen verwendet werden.
In den Fig. 12 bis 14 sind einige beson ders zweckmässige Ausbildungen von Teilen der beschriebenen Schaltanordnung darge stellt.
Bei den Ausführungsformen, bei denen das Verhältnis zweier Netzgrössen für das Ansprechen massgebend ist, muss die Kenn linie der Entladungsröhre 3 durch eine Gittervorspannung derart korrigiert werden, dass das Einsetzen der Entladung genau dann stattfindet, wenn die Differenz der im Gitter kreis wirksamen Kondensatorspannungen ge rade Null geworden ist. In Fig. 12a bedeutet die Kurve b die Kennlinie einer Röhre, bei welcher die Entladung erst bei positiver Gitterspannung einsetzt.
Eine dieser Nenn linie angepasste Schaltung zeigt Fig. 1:2b. Der Kondensator 9 ist nämlich im Gegensatz zu früheren Figuren nicht an den Glüh- draht der Röhre 3 angeschlossen, sondern an einen passend gewählten Punkt des Wider standes, der zwischen dem Pluspol und dem positiven Glühdrahtende liegt. Dadurch -wird gewissermassen der Nullpunkt der Charakteristik in den Zündpunkt der Röhre verlegt. Eine Kennlinie nach Kurve c in Fig. 12a wird durch eine Schaltung entspre chend Fig. 12e korrigiert.
Der Kondensator 9 ist an einen passend gewählten Punkt eines Widerstandes, der hier entsprechend der Lage, des Zündpunktes auf der negativen Seite der Fig. 12a zwischen dem Minuspol und dem negativen Glühdrahtende liegt, an geschlossen. In Fig. 12 b und 1,2c ist der Anodenkreis der Röhre 13 nicht unmittelbar an den posi tiven Pol der Gleichspannungsquelle, son dern an einen Punkt des Widerstandes, der zwischen dem Pluspol und dem positiven Glühdrahtende liegt, angeschlossen.
Durch diese Anordnung werden Spannungsschwan kungen der Gleichspannungsquelle in ihrer Wirkung auf die Röhre 3 ausgeglichen, da sich die Anodenspannung und die Gittervor- spannung in gleichem Masse ändern. Die Unveränderlichkeit der Röhrencharakteristik ist gerade bei Distanzrelais von besonderer Wichtigkeit, .da stets mehrere Relais längs derselben zu schützenden Leitung angeord- net sind und die Eigenschaften der einzel nen Relais möglichst unveränderlich sein müssen, um im Störungsfalle das An sprechen in richtiger Reihenfolge zu ge währleisten.
Die Anforderungen an die Konstanz der Auslösecharakteristik sind ausserdem deshalb besonders gross, da es häufig vorkommt, dass der Widerstand des abzuschaltenden Lichtbogens gross gegen über dem Widerstand des zwischen zwei Relaisstationen liegenden Leitungsstückes ist. Die Auslösezeiten zweier im Zuge der Leitung aufeinander folgender Relais sind dann ohnehin sehr wenig voneinander ver schieden. Ist die Auslösecharakteristik des einen Relais jedoch fälschlich etwas ver ändert, so kann es vorkommen, dass das der Kurzschlussstelle zunächst liegende Relais nicht auslöst, wohl aber ein ferner liegendes, also die selektive Schutzwirkung nicht ein tritt.
Die Auslösecharakteristik der beschrie benen Relais ist, wenigstens solange im linearen Teil der Spannungskurve des Kon densators 9 gearbeitet wird, geradlinig. In manchen Fällen sind jedoch gewisse Ab weichungen von dieser Geradlinigkeit er wünscht, wie bereits bei Fig. 8 und 10 er wähnt. Diesen Forderungen kann zweck mässig dadurch entsprochen werden, dass .die Transformatoren 1 und 11 eine Einschnü- rung im Eisenweg (Seriensättigung) bezw. einen magnetischen Nebenschluss zur Sekun därwicklung Parallelsättigung) erhalten.
In den Fig. 13a-4 ist diese Ausführung der Transformatoren zusammen mit den sich daraus ergebenden Formen der Auslöse charakteristik gezeigt (Auslösezeit t' als Funktion der Impedanz ,S2). Ähnliche Wir kungen können auch durch spannungsab hängige Widerstände (zum Beispiel Wider stand 25) erreicht werden.
Die Ansprechrelais können zweckmässig dazu herangezogen werden, um das Zeit- '@eIais im Ruhezustand vor Störungen durch Kriechströme und dergleichen zu bewahren. Einige derartige Einrichtungen zeigt die Fig: 14.
Die Kondensatoren 9 und 19 wer- den im Ruhezustand des Zeitrelais von Ruhekontakten 31 und 32 des Ansprechrelais überbrückt, das Gitter der Entladungsröhre 3 erhält im Ruhezustand ein negatives Po tential (Sperrpotential) gegenüber dem Glüh- draht durch den Ruhekontakt 33 des An sprechrelais. Der Anodenkreis der Röhre 3 wird im Ruhezustand durch den Arbeits kontakt 34 des Primärrelais geöffnet.
Steht in der Relaisstation keine Gleich spannung zur Verfügung, so kann die Röhre 3 auch durch ein polarisiertes Relais und einen weiteren Gleichrichter ersetzt werden. Die entsprechende Schaltung zeigt Fig. 1.5 am Beispiel des Impedanz-Zeitrelais. Die Spannung am Kondensator 9 und am Kon densator 19 verläuft wie bei Fig. 7 be schrieben. Ist die Spannung am Kondensator 19 höher als diejenige am Kondensator 9, so sperrt der Gleichrichter 35 den Stromdurch- fluss durch das Relais 36. Ist dagegen die Spannung am Kondensator 9 höher, so wird Relais 361 erregt und schliesst den Strom kreis der Auslösespule 5.
Zweckmässig wer den für diesen Fall besonders empfindliche, Relais, zum Beispiel polarisierte Relais, nach dem Drehspulprinzip verwendet, um den Stromwandler nicht zu stark zu be lasten bezw. nicht mit zu grossen Kondensa toren 9 und 19 arbeiten zu müssen.
Um das Zeitrelais, hauptsächlich seine Trockengleichrichter und Kondensatoren auch gegen starke Temperaturschwankun gen unempfindlich zu machen, ist die Ver wendung von temperaturabhängigen Korrek- tionswiderständen zweckmässig. Das Relais wird dadurch insbesondere geeignet für un- bediente Unterstationen oder Freiluft stationen.
Zur Beseitigung des Einflusses von Spannungsschwankungen der Anodenspan nung können ferner auch mit Vorteil span nungsabhängige Vorwiderstände im Heiz- kreis der Röhre verwendet werden.
Switching for relays in AC circuits. Electrical relays are known in which the electrical parameters to be monitored exert a force on a mechanically moving system that counteracts another mechanical force and maintains equilibrium until the response value is exceeded. However, such relays do not have a very precise response sensitivity, since the counteracting mechanical force, which usually consists of a spring, can never be set precisely and changes easily during operation.
When switching the relay to other response values, there is the disadvantage that the springs or the current or voltage windings have to be replaced.
According to the invention, these disadvantages are avoided in that the electrical alternating current variable to be monitored is counteracted by a rectified alternating voltage or a direct voltage in such a way that the difference between the two is effective in a circuit which influences an actuating device. This means that the relay only needs to be dimensioned for the differential value of electrical variables and that it is not stressed by the absolute value.
In addition, by adding up the electrical quantities, greater sensitivity is achieved than by adding up the forces that are only caused by these electrical quantities.
In the figures, various application examples of the invention are Darge provides. In Fig. 1 an overcurrent relay is shown in which a tube is used as a response element. The cathode of an electron tube 3 is connected to the secondary winding of a current transformer 1 loaded by a resistor 2. The grid of the tube 3 is led to the other pole of the current transformer 1 via a direct current battery 4.
The heating circuit of the tube 3 is connected in a manner known per se; The tripping coil 5 of a switch or the actuating coil of an indicator relay is in series with a direct current source 6 in the anode circuit.
The effect of the arrangement can be seen from the diagram in FIG. Yes, which shows the tube characteristic, the anode current, as a function of the grid voltage. The tube characteristic is that of an electron tube with a discontinuous discharge insert, for example a gas or vapor-containing discharge tube with an arc-like discharge. The discharge process started at the positive grid voltage egi measured relative to the cathode.
The DC voltage en, which acts as a negative grid bias voltage, is chosen so that e "-f - en is equal to the response word of the relay, i.e. the response value imposed on the grid must first overcome en and then egi when the relay responds If this value is then exceeded, such as in FIG. Yes by an alternating voltage ery, then the anode current assumes a value i8, which is sufficient to excite the coil 5.
In Fig. 2, the application of the inven tion is shown in an overvoltage relay. The circuit is similar to that in Fig. 1 is provided. In place of the current converter 1, a voltage converter 7 is provided, at the secondary terminal of which a capacitor 9 is connected via a rectifier 8. In the illustration of the rectifier 8, as in the following figures, the arrow is drawn in such a way that it indicates the electron direction.
Parallel to the capacitor is the cathode and the grid with a voltage source 4 of an electron tube 3. In the anode circuit there is again the actuating coil of an indicator relay or a trip switch. In the exemplary embodiment, the principle of closed-circuit current is used.
The grid bias ep is therefore selected to be positive and has a size such that ep e "(FIG. 2a) corresponds to the response value of the relay. As in FIG. 1a, egi is the value of the grid potential at which the discharge occurs begins.
If the rectified AC voltage un assumes a value that exceeds ep egi, the anode current drops to a value which is no longer sufficient to hold the armature of the relay 5 in place. In this case, a tube with an unsteady discharge can not be used as an electron tube, since in this case the anode current only stops flowing when its direction is reversed. Only a normal type of discharge tube can be used for this circuit. The rectification of the voltage itn is necessary here so that the anode current really remains interrupted.
If the device works according to the open-circuit principle, then it can be used as a voltage drop relay. As soon as the voltage u. falls below the value ep - P., the anode current sets in and the coil of relay 5 is energized.
In the drawn Ausführungsbei play 1 and 2, a polarized relay can also be used instead of the tube if in both cases the alternating current variable to be monitored is rectified before it is fed to the relay.
The concept of the invention can be used particularly advantageously when two alternating currents are to be compared with one another. In Fig. 3, for example, the circuit -a current differential relay is shown. 1 and 11 denote the current transformers to which the two currents u and i2 are fed. The current transformers are equipped with an air gap in the iron core to make a parallel resistor superfluous.
The secondary windings of the converters 1 and 11 work via rectifiers 8 and 118 on the capacitors 9 and 19, which are accordingly charged to direct voltages which are proportional to the currents i1 and i2 to be compared. The voltage across the capacitor 9 has the opposite sign to that across the capacitor 19, so that the difference between the two becomes effective. This difference is introduced into the grid circle of the tube 3, that is between the grid and the cathode. In the anode.
circle is again the coil of a Actuate transmission relay 5 and an anode power source 6, which supplies the heating current via a resistor 20 at the same time. If the difference between the currents il and i2 exceeds a certain value, the discharge of the tube 3 begins and the coil 5 is excited. The resistors 21 and 22 in parallel with the capacitors 9 and 1.9 serve to divert the charge from the capacitors so that the capacitor voltages quickly follow the amplitude values of the currents il and i-2.
Such a relay can be used, for example, to measure the currents flowing into and out of a system part and thus determine the occurrence of internal errors.
If voltage converters are provided instead of current converters 1 and 11, the relay can be used, for example, to monitor several lines that are fed from the same busbars and in which a protective inductor is installed behind the junction in each of the lines. The differential relay can then compare the voltage behind the protective inductors. If, in such a circuit, the release is to take place both in the case of positive and negative voltage deviations of one line against the other, two relays according to FIGS. 5 and 6 are generally required.
A circuit according to FIG. 3 can also be used to monitor the symmetrical loading of a three-phase line. For this purpose, voltages proportional to the triangle of load currents are broken down into right-hand and counter-clocking components by means of known bridge circuits, and two counter-clocking components from the same phase are fed to a differential relay according to FIG.
A differential relay which responds when a certain impedance value is not reached is obtained in that a voltage converter is used instead of the current converter 11 of FIG.
The potential of the capacitor 9 (U9) is then proportional to the current J, the potential of the capacitor 19 (L1,9) to the voltage U of the line to be switched off. If the characteristics of the tube are such that the anode current changes when the grid voltage is zero, the relay responds if:
EMI0003.0026
c and c 'are two constants that depend on the gear ratios of auxiliary converters 1 and 2. The relay triggers when the impedance falls below a certain fixed amount, which depends on the transformation ratios of auxiliary converters 1 and 2.
Fig. 4 shows a relay that differentiates the energy direction by algebraic difference formation. The secondary voltages of the converters 1 and 11 are connected one behind the other and charge the capacitor 19 via the rectifier 18 to a direct voltage proportional to the geometric sum of the secondary voltages. In the grid circle of the tube 3 there is also the voltage of the capacitor 9 originating from the auxiliary converter 1 and proportional to the current in the line to be protected. The mode of operation of the circuit will be explained with reference to FIGS. 4a and 4b. The auxiliary voltages occurring on the secondary windings of the converters 1 and 11 are denoted by J and U.
With a normal flow of energy, the vectors J and U enclose an angle that is smaller than <B> 90 '</B>. The geometric sum Y these voltages is rectified in the rectifier 18 and charges the capacitor 19, the charge of which is proportional to the path Pi, P3.
The voltage of the capacitor 9, which corresponds to the path Pi, P2, is connected in the opposite direction to that of the capacitor 19. In the grid there is a resulting voltage proportional to the distance P2, P3, which have the same sign. as the charge of the capacitor 19 possesses, i.e. represents a negative grid voltage. The discharge current of the tube 3 is blocked. If the direction of energy is reversed, the vectors J and U enclose an angle that is greater than 90, as shown in FIG. 4b.
The negative voltage of the capacitor 19 is therefore applied to the grid of the tube 3, and in series therewith the positive voltage of the capacitor 9. The difference between the two is positive. The discharge in the tube thus begins and the oil switch coil 5 is excited.
5 shows a differential protection device which responds to a positive and negative difference in the currents in the two parallel lines <I> A </I> and <I> B </I>. Two tubes 3 and 13 are required for such a device. The current transformers and the connected rectifier circuits are connected in the same way as in FIG. 3.
The rectifier 8 is, however, connected to the cathode of the tube 3 as well as to the grid of the tube 13, while the rectifier 18, conversely, is connected to the cathode of the tube 13 and to the grid of the tube 3. The anode circuits of both tubes are led separately from one another to one coil 5 and 15 each, which act on a common iron core of a relay or a switch actuating device. For this one direction two special anode current sources 6 and 1.6 are provided, which can also be combined.
Depending on whether the current predominates in line A or in line B, tubes 3 and 13 respond and receive the positive grid voltage. The device is to be used in all cases where it is a matter of comparing electrical parameters and where both the positive and the negative difference between the monitored parameters should trigger tripping, i.e. also with a differential protection device for a single line that is fed from two sides.
In Fig. 6, a circuit for solving the same object is shown as that of Fig. 5 underlying, namely for the differential protection of a single line. With this design, double grid tubes and special converters are required. The current converters 1 and 11 have split secondary windings, to which two capacitors 9, 9 'and 19, 19' are connected via rectifiers. The rectifier circuit is designed in such a way that DC voltages with the signs shown in the figure appear on the capacitors. The grid of the two discharge tubes 3 and 13 are connected to both current transformers 1 and 11.
On the grid 23 of the discharge tube 3 is the negative voltage of the capacitor 9 ', which is proportional to the current J ±. At the second grid 24 of the tube 3 there is a positive voltage which originates from the capacitor 19 and is proportional to the current Jn. If the voltage of the capacitor 19 outweighs that of the capacitor 9 ', there is a resulting positive grid potential at the tube 3, the discharge begins and the release coil 5 of the oil switch is excited.
The tube 3 responds when the current JB is greater than the current Ji. In the opposite case, the tube 13 responds, in which the voltages of the capacitors 9 and 19 'are compared in the same way.
By modifying the circuit according to FIG. 6, it can also be achieved that tripping takes place if, instead of the fault current (difference between J1 and JB), as in FIG. 6, the ratio of fault current to load current
EMI0004.0053
exceeds a certain fixed amount. A directional relay of this type has a greater accuracy than relays in which only the difference JA -JB is decisive for the response.
The dependence on the ratio of fault current to load current can only be achieved with the known differential protection devices with the help of special holding coils, which represent an undesirable complication of the device. In the differential protection system according to the invention, on the other hand, the desired dependency can only be achieved by a special subdivision of the converters 1 and 11, as will be shown in the following calculation.
The ratio of fault current to load current at which tripping should take place is m:
EMI0005.0002
From this it follows: <I> JA - </I> JB <I> = in (JA </I> - \ - J $) or JA <I> (1 - m) = </I> JB <I> ( 1 </I> + <I> na) </I> The trigger condition is therefore:
<I> YES (1 - na) - </I> JB <I> (I </I> - @ - nz) <I> --- 0; </I> the one for a current difference of the opposite sign: JB <I> (1 - in) - YES (1 </I> + <I> na) = 0 </I> The last two equations immediately show that the desired relationship can be achieved without further ado.
For example, only the secondary winding of the converters 1 and 11 needs to be subdivided in such a way that the capacitors 9 and 9 'respectively. 19 and 19 'occurring voltages behave like <I> K </I> (1- t) and <I> K </I> (1 + m.) To the corresponding primary currents, where K depends on the transformation ratio of the current transformers Means constant.
In order to avoid tripping at currents in the vicinity of zero, it is expedient to provide a small grid bias voltage on the grid 24 and the corresponding grid of the tube 13.
For differential protection devices of cables, the new relay has the advantages mentioned at the beginning and, apart from the very desirable lower current transformer load, the additional advantage that the device can easily withstand the 50 Hertz frequency induced by the line to be protected or a harmonic.
This is particularly important in the case of longitudinal differential protection devices for cables, in which the test leads run parallel to the cable for long stretches, as extremely high currents and correspondingly strong interference errors are present in almost all cases in which the protection device has to work. In the case of the relay described, with one exception of the relay device according to FIG. 6, the rectification of one of the variables to be compared can be saved and an alternating voltage can be supplied to the tube 3 instead.
The invention is particularly suitable for such relay devices in which the triggering is to take place as a function of the time, in addition to the network variables to be monitored. In Fig. 7, for example, the application of the invention to an overcurrent time relay is shown. The circuit is essentially the same as that of FIG. The current to be monitored is taken from a current transformer 1 and fed to the terminal of a capacitor 9 via a rectifier 8.
The capacitor 9 lies together with a grid bias battery 4 in the grid circle of an electron tube 3, in the anode circle the actuating coil of a relay device 5 is located. In the rectifier circuit of the current J, however, a resistor 215 is connected, which influences the rise in the current in the capacitor 9 over time. The voltage across the capacitor 9 rises after the curve after the curve
EMI0005.0037
at. UJ is the voltage across the capacitor 9, J the current to be monitored, c a constant, - e the basis of the natural logarithms, t the time and T the time constant of the circuit 1, 25, 8, 9.
The first part - of this curve can be viewed as straight-line with a great approximation - and is represented in this area by: the equation Ui <I> = </I> n Jt, in which a is another variable that depends on the circuit constants indicates.
The voltage on the grid of the tube 3 accordingly rises in a straight line as a function of time and then, when it outweighs the size en -f- eäi, leads to the device responding. The voltage converter 1 must not be permanently connected to the device, but only when a certain current value is exceeded. A special downstream response element is required for this.
If the resistor 25 is installed in a relay device according to FIG. 3, that is also in series with the rectifier @ 8, and a voltage converter is used instead of the current converter 11, a time-impedance-dependent relay device is obtained. On the capacitor 9, a voltage is generated that is proportional to the current, on the capacitor 19 a voltage that is proportional to the voltage of the line to be monitored. The difference between the DC voltages of the capacitors 9d and 19 is then located on the grid of the discharge tube 3.
When the fault begins, transformers 1 and 11 are switched on by response relays that are not shown and are dependent on the fault phenomena. The voltage across the capacitor 19 then adjusts itself instantly to a Be contribution which is proportional to the voltage of the line to be protected. The voltage on the capacitor 9, on the other hand, is zero at the moment it is switched on and only gradually increases proportionally with time.
It has the opposite sign to the voltage on the capacitor 19 and only when the two voltages are in equilibrium will the voltage on the grid be zero, that is to say the voltage required for the discharge process to begin. The trigger condition is therefore U, T <I> = </I> Ua. But since UJ <I> = </I> a. <I> J. </I> t, while Uz is proportional to the short circuit voltage,
so Uu <I> = b. U, </I> becomes a <I>. J. </I> t <I> = b. U </I> or
EMI0006.0046
that means the tripping time is directly proportional to the impedance. Instead of influencing the increase in current through electrical inertia, such as resistor 25, one can also arrange a regulating resistor or regulating transformer driven by an independent auxiliary in the circuit of the network variable to be monitored. Such a Ausfüh tion is shown in FIG. The rectification of the current to be changed is superfluous. The rectifier 8 and the capacitor 9 are omitted.
In its place, a voltage divider 21, whose sliding contact 26 is moved by a motor 27, occurs parallel to the secondary winding of the current transformer 1. The voltage that is abgenom men between the sliding contact 26 and an end point of the voltage divider 21 is then connected in series with the voltage of the capacitor 19 and supplied to the grid of the discharge tube 3. If the movement of the motor 27, which is switched on by the response of the exciter element, takes place uniformly, then the tripping time is proportional to the impedance, as in the arrangement described above.
The advantage of the voltage divider is that the trigger characteristics of the relay can be influenced in any way by a corresponding gradation of its resistance. An impedance relay, in which the change in one of the characteristic variables over time is caused by the effect of resonance and in which only one rectifier is also required, is shown in FIG. A resonance circuit consisting of a choke coil 2: 8, a capacitor 9 and a resistor 16, which is matched to the frequency of the mains current, is connected to the auxiliary transformer 1.
The operation of the arrangement will be explained with reference to FIG. 9a who the. The voltage across the capacitor 19 runs from the moment of the short circuit (t, = 0) in a straight line and horizontally and is proportional to the short circuit voltage. The voltage across the resistor 2'1 follows a sine curve with increasing amplitude, whose end value and envelope tangent at the starting point is proportional to the short-circuit current.
The oil switch is triggered when the resulting zero voltage occurs on the grid of tube 3 for the first time, i.e. after time t ', which for the same reasons as already explained the ratio of short-circuit voltage to short-circuit current, i.e. the impedance is proportional.
The temporal change in the network, greetings can be made in the voltage circuit instead of in the circuit. Fig. 10 shows an example of such a scarf device. In parallel with the capacitor 19, a resistor 22 and a resistor 21 is switched on, which can be switched to the capacitor 19 alternately by the contact lever 29. In the event of a short circuit, the capacitor 19 instantly assumes a charge corresponding to the short circuit voltage, then becomes, for example, through. : the response relay of the contact lever 29 moved into the position shown in dotted lines.
The current i through resistor 21 then follows the equation:
EMI0007.0020
The voltage at the grid of the tube 3 becomes zero when the voltage drop iP across the resistor 21 has become equal to the voltage drop U ,, across the capacitor 9, ie
EMI0007.0022
It follows:
EMI0007.0024
this is the tripping time t as a function of the impedance
EMI0007.0026
The tripping characteristics of this relay thus has the character shown in FIG. 10a, which offers advantages with some types of power lines.
A reactance relay is shown in FIG. The transformer 1 has two secondary windings 1 'and 1 ", each of which has a capacitor 9' and a capacitor 9 'and 8" respectively via a rectifier 8' and 8 ". 9 ". The transformer 11 works on a resonance circuit, consisting of the capacitor 29, the choke coil 28 and the resistor 2.5. The geometric sum of the alternating voltages at the secondary winding 1 'of the Transformer 1 and the choke coil 2.8 is rectified in the rectifier 18, so the capacitor 19 assumes a direct voltage corresponding to this geo metric sum.
In the grid circle of the tube 3 the capacitors 19, 9 'and 9 ″ are accordingly in series. The mode of operation of the circuit is explained using the vector diagram in FIG. 11a 1st and 11th
The phase angle (p) between these voltages corresponds to the phase angle between the short-circuit current and the short-circuit voltage. The voltage J is connected in series with the voltage drop Y across the choke coil 28, which in turn is 90 'against the voltage U The capacitor 19 is charged via the rectifier 18 to a direct voltage proportional to the geometric sum, that is to say to the vector T '(path Pi, P3 in FIG. 11a).
This DC voltage is opposed to that of the capacitor 9 ', which is proportional to the current J in the line to be protected, so that the difference is effective as the resultant of these two capacitor voltages (path P2;
P3 in Fig. 11a). As can be seen from the figure, this difference is approximately <I> U </I> cos (cp <I> - </I> 90) <I> = U </I> sin (p (g9 - 90) is used in the practically before coming cases remain so small that this approximation is permissible. Because of the resistor 25 "in the rectifier circuit, the voltage across the capacitor 9" rises proportionally with time. If this voltage has become equal to the differential voltage of the capacitors 19 and 9 ' is, the discharge starts and the coil 5 is excited.
In Fig. 11b, the time course of the grid voltages is shown. The point at which the discharge begins is denoted by A = 0. Positive voltages are plotted upwards, negative voltages downwards. Uä <I> '</I> is the positive voltage on the capacitor 9 ″, which increases proportionally to the time, U, r', the likewise positive voltage on the capacitor 19. The time is plotted as the abscissa.
The resultant of these three DC voltages <I> Up, </I> T7J and UJ 'acts on the grid of tube 3. This end result decreases as the voltage UJ 'increases; when it has become zero, the discharge begins.
A similar observation, as it was carried out in the description of the impedance time relay, shows that the tripping time of the relay of the size
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that is, the reactance is proportional.
If the circuit in Fig. 11a is modified in such a way that the secondary voltage of the transformer 11 itself is connected in series with the voltage I 'of the transformer 1, a relay is obtained whose trigger time is off. on the size
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so the resistance depends. Such relays are preferably used in cable networks with low reactance, while reactance-dependent relays are used in lines with high inductivity, for example in overhead lines.
In Figs. 12 to 14 some FITS appropriate designs of parts of the circuit arrangement described are Darge provides.
In the embodiments in which the ratio of two network variables is decisive for the response, the characteristic of the discharge tube 3 must be corrected by a grid bias in such a way that the onset of the discharge takes place exactly when the difference between the capacitor voltages effective in the grid circuit is straight Has become zero. In FIG. 12a, curve b denotes the characteristic curve of a tube in which the discharge does not begin until the grid voltage is positive.
A circuit adapted to this nominal line is shown in FIG. 1: 2b. In contrast to earlier figures, the capacitor 9 is not connected to the glow wire of the tube 3, but rather to a suitably selected point of the resistance that lies between the positive pole and the positive end of the glow wire. As a result, the zero point of the characteristic is to a certain extent shifted to the ignition point of the tube. A characteristic curve according to curve c in FIG. 12a is corrected by a circuit corresponding to FIG. 12e.
The capacitor 9 is connected to a suitably selected point of a resistor, which here is connected to the position of the ignition point on the negative side of FIG. 12a between the negative pole and the negative end of the glow wire. In Fig. 12 b and 1, 2 c, the anode circuit of the tube 13 is not directly connected to the positive pole of the DC voltage source, but rather to a point of resistance located between the positive pole and the positive end of the filament.
This arrangement compensates for voltage fluctuations in the DC voltage source in their effect on the tube 3, since the anode voltage and the grid bias change to the same extent. The immutability of the tube characteristics is particularly important for distance relays, since several relays are always arranged along the same line to be protected and the properties of the individual relays must be as unchangeable as possible in order to ensure that they respond in the correct order in the event of a fault .
The demands on the constancy of the tripping characteristic are also particularly high because it often happens that the resistance of the arc to be switched off is high compared to the resistance of the line section located between two relay stations. The tripping times of two relays following one another in the course of the line are then very little different from each other anyway. However, if the triggering characteristics of one relay are incorrectly changed slightly, it can happen that the relay located at the short-circuit point does not trigger, but a further relay, i.e. the selective protective effect, does not occur.
The trigger characteristic of the relay described is, at least as long as the linear part of the voltage curve of the capacitor 9 is worked, straight. In some cases, however, there are certain deviations from this straightness he desires, as already mentioned in FIGS. 8 and 10. These requirements can expediently be met in that the transformers 1 and 11 have a constriction in the iron path (series saturation) or. a magnetic shunt to the secondary winding parallel saturation).
In Fig. 13a-4, this embodiment of the transformers is shown together with the resulting forms of the tripping characteristic (tripping time t 'as a function of the impedance, S2). Similar effects can also be achieved by using voltage-dependent resistors (for example, resistance 25).
The response relays can expediently be used to protect the time relay in the idle state from interference from leakage currents and the like. Some such devices are shown in FIG. 14.
The capacitors 9 and 19 are bridged by normally closed contacts 31 and 32 of the response relay when the timing relay is idle, the grid of the discharge tube 3 receives a negative potential (blocking potential) in relation to the glow wire through the normally closed contact 33 of the response relay. The anode circuit of the tube 3 is opened in the idle state by the working contact 34 of the primary relay.
If there is no direct voltage available in the relay station, the tube 3 can also be replaced by a polarized relay and another rectifier. The corresponding circuit is shown in Fig. 1.5 using the example of the impedance timing relay. The voltage across the capacitor 9 and the capacitor 19 runs as in Fig. 7 be written. If the voltage on capacitor 19 is higher than that on capacitor 9, rectifier 35 blocks the flow of current through relay 36. If, on the other hand, the voltage on capacitor 9 is higher, relay 361 is energized and closes the circuit of trip coil 5.
Appropriately who is particularly sensitive in this case, relays, for example polarized relays, used on the moving coil principle, so as not to burden the current transformer too much BEZW. not having to work with capacitors 9 and 19 that are too large.
In order to make the timing relay, mainly its dry rectifier and capacitors, insensitive to strong temperature fluctuations, it is advisable to use temperature-dependent correction resistors. This makes the relay particularly suitable for unattended substations or open-air stations.
To eliminate the influence of voltage fluctuations in the anode voltage, voltage-dependent series resistors can also advantageously be used in the heating circuit of the tube.