Einrichtung zum Schutze von Wechselstromanlagen gegen Kurzschlüsse. In den Schutzeinrichtungen für Wechsel stromanlagen können als Richtungsrelais die bekannten Multiplikations- oder Wattmetri schen Relais Verwendung finden, da sie bei der Änderung der Richtung des Energieflus ses ansprechen. Ihre Empfindlichkeit hängt jedoch von dem Cosinus des Phasenverschie- bungswinkels (cos 9p) zwischen zwei das Relais speisenden, der zu schützenden Anlage ent nommenen Wechselgrössen ab.
Die Empfind lichkeit der Schutzeinrichtung verbessert sich wesentlich, falls das Richtungsrelais bloss auf die Änderung des Vorzeichens des cos (p rea giert, seine Wirkung aber von der Grösse der Phasenverschiebung zwischen den beiden ihm zugeführten Grössen unabhängig ist.
Es wurde gefunden, dass man dies einfach dadurch er reichen kann, dass die beiden der geschützten Wechselstromanlage entnommenen Grössen vor dem Eintritt in das eigentliche Schutzgerät, das heisst zum Beispiel in das wattmetrische Relais oder eine andere ähnlich wirkende Ein richtung, so umgeformt werden, dass eine von den Grössen in jeder Halbperiode die Gestalt eines kurzzeitigen, steilen Impulses, wogegen die andere Grösse die Gestalt eines zeitlich langen, flachen Impulses aufweist.
Die Fig.1 und 2 der beigelegten Zeich nung stellen den zeitlichen Verlauf zweier sol cher, der Anlage .entnommenen Grössen nach deren Umformung in vereinfachter Weise graphisch dar. Die in der Fig.1 veranschau lichten Grössen U1 und U2 haben dieselbe Polarität und die in der Fig.2 veranschau lichten die entgegengesetzte Polarität.
Durch diese Umformung der zum Beispiel auf ein wattmetrisches Relais wirkenden elektrischen Grössen erzielt man, dass seine Funktionieriing von der Phasenverschiebung innerhalb einer Ilalbperiode unabhängig ist, da die umge formten Grössen während jeder Halbperiode ungeachtet dessen, welche Phasenverschie bung zwischen ihnen vorkommt, stets gleichen Wert haben, so dass ihr Produkt, durch wel ches das im Relais entstehende Drehmoment bestimmt ist, -unabhängig von der Phasen verschiebung ist.
Nur das Vorzeichen einer der beiden Grössen Ui, U2 ändert sieh mit dem Vorzeichen des cos 99 zwischen den Grössen.
Derart umgeformte Grössen können in Ge räten zum Schutze von elektrischen Leitungen Verwendung finden. Sie können zur Feststel lung der Kurzschlussstromrichtung, gegebenen falls der Kurzschlussstelle dienen, je nach der Einstellung des Schutzgerätes.
Die Empfind lichkeit des Schutzgerätes ist immer dieselbe, sei der Kurzschlussstrom induktiv, ohmisch oder kapazitiv. Schutzeinrichtungen, bei wel chen elektrische Wechselstromgrössen von zeit lich sinusförmigem oder fast sinusförmigem Verlauf in spitzige oder flache Impulse um geformt werden, sind an sich bekannt. Es sind teils Einrichtungen mit Elektronenröh ren, teils Anordnungen, bei welchen Transfor matoren bzw.
Drosselspulen mit einem ge- sättigten ferromagnetisehen Kern vorkommen. Beispielsweise wird auf die französischen Patentschriften Nr. 820997 und Nr. 914919 hingewiesen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte und vereinfachte Einrichtung letzterwähnter Art zum Schutz von Wechsel stromanlagen gegen Kurzschlüsse mittels als Richtungsrelais dienender Schutzgeräte, denen je zwei an verschiedenen Stellen der Anlage entnommene Wechselstromgrössen so umge formt zugeführt werden, dass eine von ihnen, dem zeitlichen Verlauf nach, die Gestalt eines kurzen, steilen Impulses, dagegen die andere Grösse die Gestalt eines langen, flachen, einem Rechteck sich nähernden Impulses besitzt.
Diese Einrichtung ist dadurch gekennzeich net, dass 'zur Umformung der genannten Wech- selstromgrössen je ein Transformator mit drei Säulen vorgesehen ist, von welchen Säulen eine einen Luftspalt aufweist, die beiden an dern aber ohne Luftspalt vorgesehen sind, wobei eine der letzteren so dimensioniert ist, dass sie jeweils durch den Fluss gesättigt wird, während die andern beiden Säulen ungesät tigt bleiben, und wobei die ungesättigte Säule ohne Luftspalt durch eine.
Wicklung erregt wird, die im Stromkreis der Anlage einge schaltet ist, während die beiden andern Säulen je eine Wicklung tragen, in welchen Wick lungen die Impulse der obengenannten Form induziert werden, von denen der eine dem einen, der andere dein andern Schutzgerät zugeführt wird.
Die Fig. 3 bis 6 beziehen sich auf Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung.
Die Fig.3 veranschaulicht einen Trans formator zur Erzeugung von spitzen und flachen Impulsen. Seine mittlere Säule trägt eine in den Stromkreis der geschützten An lage eingeschaltete Wicklung und die linke Säule mit verringertem Querschnitt, so dass sie magnetisch bald gesättigt wird, besitzt eine andere Wicklung, in welcher die Span nung E2 induziert wird. An der dritten Säule ist ein Luftspalt angeordnet und eine Wick lung vorgesehen, in welcher die Spannung E3 entsteht.
Die magnetischen und elektrischen Erscheinungen am Transformator sind im ne- benstehenden Zeitdiagramm dargestellt. Der dem Transformator zugeführte magnetisie rende Strom I1 von Sinusform entwickelt einen der Vereinfachung der Fig. 3 wegen nicht dar gestellten magnetischen Kraftfluss <B>01</B> in der mittleren Säule, welcher Kraftfluss sich in zwei die andern Säulen durchfliessenden Kraftflüsse 02 und 03 teilt.
Des verringer ten Querschnittes der linken Säule zufolge wird der Kraftfluss 02 abgeflacht, wogegen der Kraftfluss 03, wie dargestellt, eine De formation entgegengesetzter Natur erfährt. Die der Ableitung der Kraftflüsse nach der Zeit proportionalen Spannungen E2, E3 haben also die Gestalt eines kurzzeitigen, steilen bzw. langzeitigen flachen, einem Rechteck sich nä hernden Impulses.
Eine beispielsweise Anwendung von sol chen Transformatoren in einer Einrichtung zum Schutze einer Wechselstromanlage ist in der Fig. 4 gezeigt. Der Einfachheit halber ist die Anlage einphasig gezeichnet. Als Schutz geräte sind hier je eine Elektronenröhre 1 in Verbindung mit einem elektromagnetischen Gleichstromrelais 2 bekannter Ausführung vorgesehen. Die mittleren Wicklungen der Transformatoren 3 der dargestellten Einrich tung sind vermittels je eines Stromwandlers 4 in den Stromkreis der geschützten Anlage 5 eingeschaltet. Die Wicklungen an den Säulen ohne Luftspalt, welche einen spitzigen Impuls liefert, befindet sich je im Anodenstromkreis der zugehörigen Elektronenröhre 1 in Reihe geschaltet mit dem zugehörigen Relais 2.
Die @automatischen Schalter 6, 7, welche eine Ab schaltung eines Leitungsabschnittes bei einer Störung ermöglichen, werden mit -Hilfe der Relais 2 ausgelöst. Die entsprechenden Hilfs leitungen sind der Einfachheit halber nicht eingezeichnet. Die bereits beschriebenen Appa rate sind an jedem der beiden Enden des geschützten Leitungsabschnittes in gleicher Weise angeordnet. Die Wicklungen der Trans formatoren 3, welche sich an der Säule mit Luftspalt befindet, sind je vermittels je eines Transformators 8 sowie je eines Widerstandes 9 je in den Gitterstromkreis der Elektronen röhre 1 am andern Ende des geschützten Lei- tungsabschnittes geschaltet.
Die Verbindungs leitungen zwischen den beiden Schutzeinrich tungen an den Enden des Abschnittes sind mit <I>a, b, c, d</I> bezeichnet. Die Einschaltung der Transformatoren 8 bezweckt, die Impedanzen der Verbindungswege der Eintrittsimpedanz der Elektronenröhre 1 anzupassen. An Stelle der vier eingezeichneten Leitungen können auch nur drei Leitungen in Verwendung kom men, oder sogar nur zwei Leitungen, falls man die bekannte, bei Telephonverstärkern übliche Ausgleichsleitung benützt.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Ein richtung sei mit Hilfe der Fig. 5 erläutert. Die zwei Wechselstromquellen Sr, S2, Genera toren, Elektrizitätswerke usw., sind mittels einer Leitung 5, welche in zwei Abschnitte A-A und B-B geteilt ist, verbunden. An den Enden der Abschnitte sind die Schutz einrichtungen nach Fig. 4 angeordnet. Sie sind so eingestellt, dass die Elektronenröhren 1 keinen Strom durchlassen und somit die Re lais 2 an ihrem Anodenkreis nicht ansprechen, falls die Stromrichtung an beiden Enden des Leitungsabschnittes dieselbe ist.
Ein solcher Zustand kommt vor, wenn der betreffende Leitungsabschnitt störungsfrei ist, wie es bei der gezeichneten Anordnung für den Abschnitt A--1 der Fall ist. Die gewünschte Einstel- lung der Schutzeinrichtung erreicht man durch solche Schaltung der Transformator wicklungen, dass sich während des störungs freien Betriebes der Leitung die Anodenspan nung jeder Elektronenröhre 1 in Gegenphase mit ihrer Gitterspannung befindet.
Kommt ein Kurzschluss an der Leitung vor, wie am Abschnitt B-B der Leitung einge zeichnet, so fliessen an seinen beiden Enden Ströme entgegengesetzter Richtung. Das be deutet, dass die Anoden- und Gitterspannung der diesbezüglichen Elektronenröhre gleich- phasig werden; die Schutzgeräte werden in Tätigkeit gesetzt und bewirken ein Ausschal ten des Abschnittes B-B.
Handelt es sich um eine Schutzvorrichtung für Dreiphasenanlagen, kann eine selbständige Einrichtung gemäss Fig. 4 für jede Phase vor gesehen werden. Es ist jedoch auch möglich, mit nur einer Schutzeinrichtung auszukom men, falls man ein Überstrom- bzw. Unter impedanzglied anordnet, welches die mit der Störung betroffene Phase feststellt und an sie die Schutzvorrichtung automatisch anschliesst.
Die Nachteile dieser komplizierten, kost spieligen und betriebsmässig nicht einwand freien Lösung beseitigt eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, gemäss welcher es möglich ist, auch bei Dreiphasenanlagen an jedem der beiden Enden des geschützten Abschnittes nur ein einziges Schutzgerät zu verwenden, wobei die Umschaltung der Schutz einrichtung in Wegfall kommt. Das entspre chende Schaltschema für diese Ausführung der Schutzeinrichtung ist beispielsweise in Fig. 6 dargestellt. Der Transformator zur Ge winnung von einem spitzigen und flachen Im puls ist hier als Summentransformator 10 aus gebildet.
Seine .von Stromwandlern 11 ge speiste Primärwicklung ist in drei ungleiche Teile unterteilt, oder der Transformator be sitzt drei ungleiche Primärwicklungen. Da durch erzielt man beim Transformator ein anderes Übersetzungsverhältnis für jede Phase der geschützten Anlage, so dass auch bei einem ausgeglichenen Dreiphasenkurzschluss der Transformator eine genügend grosse Se- kundärspannung in den Anodenkreis der Elek tronenröhre 1 liefert. Im Vergleich mit der dreifachen Anwendung der Einrichtung nach Fig. 4 wird durch Anordnung des Summen transformators eine gewisse .
Verzerrung der elektrischen Verhältnisse herbeigeführt, was jedoch keinen schädlichen Einfluss auf die Wirkung der Schutzeinrichtung ausübt, falls die Transformatoren 10 an beiden Enden , des geschützten Abschnittes in gleicher Weise. ausgeführt und geschaltet sind.
In den dargestellten ' Beispielen wurden als Schutzgeräte solche, die eine Elektronen röhre in Verbindung mit einem elektromagne tischen Gleichstromgerät aufweisen, verwen det. Es kann jedoch zum Beispiel auch ein wattmetrisches Relais zur Anwendung kom men, dessen einer Wicklung der kurzzeitige, steile Impuls und der andern Wicklung der langzeitige, flache Impuls zugeführt wird. Die Primärwicklung des Transformators zur Gewinnung von erwähnten Impulsen kann auch direkt in den Stromkreis der geschütz ten Anlage, also: ohne Vermittlung von Strom wandlern, eingeschaltet werden.
Device for the protection of AC systems against short circuits. In the protective devices for AC systems, the well-known multiplication or Wattmetri's relays can be used as direction relays, as they respond when the direction of the energy flow changes. Their sensitivity, however, depends on the cosine of the phase shift angle (cos 9p) between two alternating variables that feed the relay and are taken from the system to be protected.
The sensitivity of the protective device is significantly improved if the directional relay only reacts to the change in the sign of the cos (p, but its effect is independent of the size of the phase shift between the two variables supplied to it.
It has been found that this can be achieved simply by transforming the two variables taken from the protected AC system before entering the actual protective device, i.e., for example, the wattmetric relay or another similar device, so that one of the quantities in each half-cycle has the shape of a short, steep impulse, while the other quantity has the shape of a long, flat impulse.
1 and 2 of the accompanying drawing graphically represent the time course of two such variables taken from the system after they have been reshaped. The variables U1 and U2 illustrated in FIG. 1 have the same polarity and those in the Fig.2 illustrate the opposite polarity.
This transformation of the electrical quantities acting on a wattmetric relay, for example, ensures that its functioning is independent of the phase shift within one half cycle, since the transformed quantities always have the same value during each half cycle, regardless of which phase shift occurs between them so that its product, which determines the torque generated in the relay, is independent of the phase shift.
Only the sign of one of the two quantities Ui, U2 changes with the sign of cos 99 between the quantities.
Such transformed quantities can be used in devices for protecting electrical lines. They can be used to determine the direction of the short-circuit current, if necessary the short-circuit point, depending on the setting of the protective device.
The sensitivity of the protective device is always the same, whether the short-circuit current is inductive, ohmic or capacitive. Protective devices in which electrical alternating currents are converted from a temporally sinusoidal or almost sinusoidal course into pointed or flat pulses are known per se. There are partly facilities with electron tubes, partly arrangements in which transformers or
Choke coils with a saturated ferromagnetic core occur. For example, reference is made to French patents No. 820997 and No. 914919.
The present invention relates to an improved and simplified device of the last-mentioned type for the protection of AC systems against short circuits by means of protective devices serving as directional relays, to which two alternating current values taken at different points of the system are fed in such a way that one of them changes over time according to, the shape of a short, steep impulse, on the other hand, the other quantity has the shape of a long, flat impulse approaching a rectangle.
This device is characterized in that a transformer with three columns is provided for converting the named alternating current variables, one of which columns has an air gap, the other two are provided without an air gap, one of the latter being so dimensioned that it is saturated by the flow, while the other two columns remain unsaturated, and the unsaturated column with no air gap by one.
Winding is energized, which is switched on in the circuit of the system, while the other two columns each carry a winding, in which Wick lungs the pulses of the above form are induced, one of which is fed to the one, the other your other protective device.
3 to 6 relate to Ausfüh approximately examples of the invention.
Figure 3 illustrates a transformer for generating sharp and flat pulses. Its middle column carries a winding connected to the circuit of the protected system and the left column with a reduced cross-section, so that it will soon be magnetically saturated, has another winding in which the voltage E2 is induced. An air gap is arranged on the third column and a winding is provided in which the voltage E3 arises.
The magnetic and electrical phenomena on the transformer are shown in the adjacent time diagram. The magnetizing current I1 of sinusoidal shape supplied to the transformer develops a magnetic flux of force 01 in the middle column because of the simplification of FIG. 3, which flux of force is divided into two force fluxes 02 and 03 flowing through the other columns Splits.
As a result of the reduced cross-section of the left column, the power flow 02 is flattened, whereas the power flow 03, as shown, experiences a deformation of the opposite nature. The voltages E2, E3 proportional to the derivation of the force flows with respect to time therefore have the shape of a short-term, steep or long-term flat pulse that approaches a rectangle.
An example of an application of such transformers in a device for protecting an alternating current system is shown in FIG. For the sake of simplicity, the system is drawn in one phase. As protection devices, an electron tube 1 in connection with an electromagnetic direct current relay 2 of known design are provided here. The middle windings of the transformers 3 of the device shown Einrich are turned on by means of a current transformer 4 in the circuit of the protected system 5. The windings on the columns without an air gap, which deliver a sharp impulse, are each located in the anode circuit of the associated electron tube 1, connected in series with the associated relay 2.
The automatic switches 6, 7, which allow a line section to be switched off in the event of a fault, are triggered with the aid of the relay 2. The corresponding auxiliary lines are not shown for the sake of simplicity. The apparatus already described are arranged in the same way at each of the two ends of the protected line section. The windings of the transformers 3, which are located on the column with an air gap, are each connected by means of a transformer 8 and a resistor 9 each in the grid circuit of the electron tube 1 at the other end of the protected line section.
The connecting lines between the two protective devices at the ends of the section are labeled <I> a, b, c, d </I>. The purpose of switching on the transformers 8 is to adapt the impedances of the connecting paths to the input impedance of the electron tube 1. Instead of the four lines shown, only three lines can be used, or even only two lines, if the well-known equalizing line common with telephone amplifiers is used.
The operation of the described device is explained with the aid of FIG. The two alternating current sources Sr, S2, generators, power stations, etc., are connected by means of a line 5 which is divided into two sections A-A and B-B. At the ends of the sections, the protective devices according to FIG. 4 are arranged. They are set so that the electron tubes 1 do not let any current through and thus the relay 2 do not respond to their anode circuit if the current direction is the same at both ends of the line section.
Such a state occurs when the line section in question is free of interference, as is the case with the arrangement shown for section A-1. The desired setting of the protective device is achieved by switching the transformer windings in such a way that the anode voltage of each electron tube 1 is in phase opposition with its grid voltage during the fault-free operation of the line.
If a short circuit occurs on the line, as shown on section B-B of the line, currents in opposite directions flow at both ends. This means that the anode and grid voltage of the electron tube in question are in phase; the protective devices are activated and cause section B-B to be switched off.
If it is a protective device for three-phase systems, an independent device according to FIG. 4 can be seen for each phase. However, it is also possible to get by with just one protective device if an overcurrent or under-impedance element is arranged which detects the phase affected by the fault and automatically connects the protective device to it.
The disadvantages of this complicated, costly and operationally not perfect solution eliminates an embodiment of the subject matter of the invention, according to which it is possible to use only a single protective device at each of the two ends of the protected section even with three-phase systems, with the switching of the protection device in Omission is coming. The corresponding circuit diagram for this version of the protective device is shown in FIG. 6, for example. The transformer to win a sharp and flat pulse is formed here as a summation transformer 10 from.
Its primary winding fed by current transformers 11 is divided into three unequal parts, or the transformer has three unequal primary windings. This results in a different transformation ratio for each phase of the protected system in the transformer, so that the transformer supplies a sufficiently large secondary voltage to the anode circuit of the electron tube 1 even with a balanced three-phase short circuit. In comparison with the threefold application of the device according to FIG. 4 is a certain by arrangement of the summing transformer.
Distortion of the electrical conditions brought about, but this does not have a detrimental effect on the action of the protective device if the transformers 10 at both ends of the protected section in the same way. are executed and switched.
In the examples shown, those that have an electron tube in conjunction with an electromagnetic direct current device were used as protective devices. However, a wattmetric relay, for example, can also be used, to which the short, steep pulse is fed to one winding and the long, flat pulse to the other winding. The primary winding of the transformer for the generation of the pulses mentioned can also be switched on directly into the circuit of the protected system, that is: without the intermediary of current converters.