<B>Vom Winkel zwischen Strom</B> und Spannung <B>einer</B> Leitung <B>abhängige</B> Widerstandsrelaisanordnung. Es ist bereits vorgeschlagen worden, eine vom Winkel zwischen. Spannung und Strom. einer Leitung abhängige Widerstandsrelais- anordnung - wobei der Ausdruck Wider stand keine Beschränkung :
auf Ohmschen Widerstand bedeutet - in der Weise zu schaffen, dass auf ein polarisiertes Relais die Differenz - zweier gleichgerichteter Weehsel- stromgrössen einwirkt, von denen mindestens die eine durch geometrische Zusammensetzung von einem der Spannung und einem dem Strom proportionalen Vektor gebildet wird.
Unter polarisiertem Relais ist dabei ein Relais zu verstehen, dessen Ansprechen nicht nur von der Grösse, sondern auch von der Rich tung des auf das Relais einwirkenden Gleich stromes bzw. der Gleichspannung abhängig ist.. Ein solches polarisiertes Relais ist also beispielsweise ein Drehspul- oder Tauchanker redais mit permanenten Magneten oder mit konstanter Erregung oder ein Röhrenrelais mit Ionen- oder Elektronenröhren.
Eine der artige widerstandsabhängige Relaisanordnung hat unter anderem den. Vorteil, dass man mit einem einfachen Gleichstromrelais auskommt, das einen geringen Eigenverbrauch besitzt, und dass ferner die Gleichstromgrössen, wel che auf :das Relais einwirken, sehr genau ab geglichen werden können.
Lässt man auf das Relais die gleichgerich tete geometrische Differenz aus einem dem Strom und einem der Spannung der Leitung proportionalen Vektor im sperrenden Sinn und einem gleichgerichteten, dem Leitungs strom proportionalen Vektor im auslösenden Sinne einwirken, und macht man die Abso- lutwerte der beiden Stromvektoren gleich gross, so erhält man ein Konduktanzrelass,
wenn die Phasenlage zwischen stromabhängi gem Vektor und spannungsabhängigem Vek tor; deren Differenz gebildet wird, so gewählt wird wie die Phasenlage zwischen Strom und Spannung der Leitung selbst. Im Vektordia- gramm der Ströme bzw. im Widerstandsdia gramm (RX-Diagramm) ist die Ansprech- kennlinie eines solchen; Relais ein Kreis, des sen Mittelpunkt auf der y-Achse b:
zw. R-Achse liegt und der durch den Koordinatenanfangs- punkt geht.
In Fig. Ia ist eine derartige Konduktanz- relaisanordnung dargestellt. Sie besteht aus zwei Wandlern 4 und 5; an deren Sekundär wicklungen Gleichrichter 2 bzw. 3 angeschlos- sen sind, deren Ströme im entgegengesetzten Sinn auf ein .polarisiertes Gleichstromrelais 1 einwirken.
Die Primärwicklungen beider Wandler sind in Reihe liegend über eine Ein richtung K zur Veränderung der Grösse und Richtung des im allgemeinen komplexen Fak tors k einem im Leitungszug liegenden Wider stand 6 parallel geschaltet. Beide Primärwick lungen werden vom Strom k. J durchflossen. Eine westere Primärwicklung des Wandlers. 5 ist über einen rein Ohmschen Widerstand r an die Leitungsspannung U angeschlossen.
Der sie durchfliessende Strom Ulr. wirkt dem Strom k . J entgegen. Die Differenz beider Ströme wird gleichgerichtet und dem Relais zugeführt. Die Ansprechgleichung lautet demnach (k.JI=lk.J!\ U/rl Die Auflösung dieser Gleichung ergibt 11Z. cos 9p <I>=</I> 1/2<I>k. r</I> = const. Das ist die Gleichung für ein Konduktanz- relais, wobei cp der Winkel zwischen Strom und Spannung ist.
Unter J ist hierbei der Leitungsstrom oder ein diesem proportionaler Strom und unter U die Leitungsspannung bzw. eine ihr proportionale Spannung zu ver stehen. In Fig. 1 ist das Vektbrdiagramm für ein solches Relais dargestellt. Vom Vektor k J wird ein Vektor U/r subtrahiert, die gleich gerichtete Differenz soll dem gleichgerichte ten Stromvektor k J gleich sein.
Infolgedessen ist die Ansprechkennlinie ein Kreis, dessen l#,littelptulkt auf .der y-Achse liegt in einer Entfernung vom Koordinatenänfangspunkt gleich<I>k J.</I> Für alle Werte Ulr, die innerhalb dieses Kreises liegen, löst das Relais aus, für alle Werte ausserhalb des Kreises sperrt das Relais.
Man kann diesen Kreis, auch als An- Sprechkreis im Widerstandsdiagramm, also im RX-Diagramm, bezeichnen, wenn man den Massstab auf der R- bzw. X-Achse entspre- chend wählt, da durch Division der einzelnen Vektoren durch J und durch Multiplikation mit r die Stromvektoren in Widerstandsvek toren übergehen und z.
B. der Vektor Ulr in den Impedanzvektor U/J übergeht, dessen Grösse von der Art und der Entfernung des Kurzschlusses auf der Leitung abhängig ist.
Macht man den Vektor k J, von dem der Vek tor Ulr subtrahiert wird, voreilend gegenüber dem Leitungsstrom, so erhält man für die Ansprechkennlinie des Relais den gestrichel- ten Kreis, also ein Relais, das ebenfalls Rich- tungsselektivität besitzt und auf einen Misch widerstand anspricht.
Gegenstand der Erfindung ist. ein verbes sertes Relais, das einerseits von der gleich gerichteten geometrischen Differenz aus einem dem Strom und einem der Spannung der Lei tung proportionalen Vektor im sperrenden Sinne und einem gleichgerichteten stromab hängigen Vektor im auslösenden Sinne beein flusst wird. Gemäss der Erfindung wirken ausser diesen Grössen noch mindestens eine zu sätzliche Strom- oder spannungsabhängige Grösse auf das Relais ein, zwecks Beeinflus sung der Ansprechkennlinie der Relaisanord nung.
Man erreicht dadurch, wie die Ausfüh rungsbeispiele zeigen, besondere Vorteile. Bei- spielsweise kann man die Richtungsempfind lichkeit verbessern, was bei Fehlern in der Nähe des Aufstellungsortes des Relais von wesentlicher Bedeutung ist.
Man kann auch die Richtungsempfindlichkeit aufheben, dafür aber das Relais bevorzugt reaktanzempfind- lich maehen. Man kann auch die Riehtungs- empfindlichkeit beibehalten und. das Relais bestimmten Bedingungen,der Leitung in gün stiger Form anpassen, z.
B. besonders reak- tanzempfindlich machen oder ihm für einen bestimmten Winkelbereich den Charakter eines Impedanzrelais mit Richtungsempfind lichkeit geben. Durch die Verwendung der zusätzlichen Grössen kann man also die An- sprechkennl_inie des Relais den mannigfaltig sten Bedingungen anpassen.
Es sei .an dieser Stelle zur besseren Ver deutlichung des Erfindungsgedankens daran erinnert, dass die Relaisanordnung im allge meinen nach ihren Messmethoden benannt werden, dass also z. B. ein Impedanzrolais ein Relais mit der Ansprechgleichung Z = tonst., ein Konduktanzrelais ein solches mit der An sprechgleichung 11Z. tos (p = tonst. ist.
Wie aus der erstgenannten Gleichung hervorgeht, ist ein Impedanzrelais, und nur dieses, vom Winkel zwischen Spannung und Strom unab hängig und wird im Widerstandsdiagramm als Kreis mit dem Radius Z um den Koordi- natenanfangspunkt dargestellt.
Daraus folgt wiederum, dass .ein Impedanzrelais richtungs unempfindlich isst, da die durch den Koordi- natenanfangspunkt gehende Impedanzkenn- Linie den Kreis zu beiden Seiten des Koordi- natenanfangspunktes im gleichen Abstand Z schneidet.
Hinsichtlich des oben Gesagten kann man beim Gegenstand der Erfindung die Ansprechkennlinie der Widerstandsrelais anordnung so bestimmen, dass sie in einem be stimmten Winke'_bereich sieh .der Kreislinie anschmiegt und anderseits auch eine Rich- tungsempfindlichkeit _ aufweist. Weitere Ein zelheiten werden im folgenden noch näher dargelegt.
Diese Grössen, die, zusätzlich auf das Re lais zur Einwirkung gebracht werden, können dem stromabhängigen Vektor und der geome trischen Differenz aus dem dem Strom und dem der Spannung proportionalen Vektor auf der Wechselstromseite überlagert werden, sie kön nen aber auch für sich gleichgerichtet und erst. nach der Gleichrichtung auf das Relais zur Einwirkung gebracht werden.
Beispiels- weise kann man bei einem Konduktanmelais zu der geometrischen Differenz und zu .dem stromabhängigen Vektor je einen gleich gro ssen spannungsabhängigen Vektor hinzufügen, und zwar von der Differenz geometrisch sub trahieren und zum Stromvektor addieren. Es ergibt sich dadurch eine verbesserte Rich tungsempfindlichkeit, was eine Verringerung der toten Zone zur Folge hat.
Das gleiche kann auch dadurch erreicht werden, dass die Summe und die Differenz aus einem strom- und einem spannungsabhängigen Vektor je für sich gleichgerichtet werden und dann ihre Differenz zusätzlich auf das Relais zur Einwirkung gebracht wird; vorzugsweise über einen weiteren Gleichrichter, der so geschaltet ist, dass die Differenz nur dann auf das Re lais einwirkt, wenn sie im sperrenden Sinne wirkt.
Man kann auch beispielsweise als zusätz liche Grösse die gleichgerichtete geometrische Differenz aus einem dem Strom und einem der Spannung proportionalen Vektor verwen den, die im sperrenden Sinne wirkt. Man er recht beispielsweise dadurch" dass die An- sPrechkennliniedes Relais von einem Kreis in eine Ellipse übergeht und durch passende Wahl der Werte kann, man der Ellipse im Vektordiagramm verschiedene Lage imd Form geben.
Beispielsweise kann man die Anord nung so wählen, dass der eine Brennpunkt der Ellipse auf der positiven y-Achse, der andere Brennpunkt auf der negativen x-Achse liegt, wobei der Abstand beider Brennpunkte vom Koordinatenanfangspunkt gleich gross ist und die Ellipse durch den Koordinatenanfangs- punkt geht.
Eine solche Ansprechkennlinie hat den Vorteil, däss dass Relais wie ein Im pedanzrelais in dem in Frage kommenden Quadranten wirkt und gleichzeitig eine Rich tungsselektivität besitzt. Ein derartiges Relais kann daher beispielsweise verwendet werden, wenn es sieh um Schutz von Kabelstrecken handelt, die mit Kurzächlussdrosselspulen ver sehen sind.
Man kann auch die Anordnung beispiels weise so wählen, dass der eine Brennpunkt der Ellipse wieder auf der positiven y-Achse und der andere auf der negativen x-Achse liegt, däss jedoch der Abstand des Brennpunktes auf der y-Achse vom KoordinatenaMangs- punkt grösser ist als der Abstand des auf der x-Achse liegenden Brennpunktes vom Koordi- natenanfangspunkt und ausserdem die An ordnung so wählen,
dass die Ellipse wieder durch den Koordinatenanfangspunkt geht. Man bekommt dann: als Kennlinie für das Relais eine in Richtung der y-Achse langge- streckte Ellipse, so dass das Relais vorzugs weise für den, Schutz von langen Hochspan- nungsfreileitungen geeignet ist, weil bei einem.Fehler, der in einer Entfernung vom Relaisort auftritt,
die gleich der maximalen vom Relais zu überwachenden Leitungslänge ist, das Relais auch dann anspricht, wenn nicht ein unmittelbarer Kurzseh'_uss, sondern ein Lichtbogenkurzschluss auftritt. Vorzugs weise wird man dabei bei Hochspannungsfrei leitungen, bei denen der Kuizschlusswinkel der Leitung ungefähr 85 beträgt, die Ellipse im RR-Diagramm so legen,
dass eine Parallele zur R-Achse, die durch den Schnittpunkt der Ellipse mit einer Geraden geht, die um 85 gegenüber der R-Achse geneigt ist und durch den Koordinatenanfangspunkt verläuft, einen.' Abstand von einer an die Ellipse gelegten Tangente parallel zur R-Achse hat,
der unge- fähr gleich 5 % der Leitungslänge beträgt, die durch das Relais überwacht werden soll. Hierzu wird man im Stromvektordiagramm den einen Brennpunkt, etwas links von der y-Achse, den andern etwas unterhalb von der x-Achse legen.
In der Zeichnung sind verschiedene Aus führungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Bevor auf die Ausführungsbeispie'_e im ein zelnen eingegangen wird, sei zunächst be merkt, dass die Ansprechkennnliniendes Re lais nicht wie üblich im RX-Diagramm darge stellt sind, sondern im Vektordiagramm'der Ströme.
In -dem Vektordiagramm und auch in der Beschreibung sind die Konstanten k, soweit nichts anderes gesagt ist, im allgemei nen als komplexe Zahlen aufzufassen, während J und U Vektoren sind, die in Richtung und Grösse dem Leitungsstrom bzw. der Leitungs spannung entsprechen oder dem Leitungs strom bzw. der Leitungsspannung propor tional sind.
Im folgenden ist auf ein Relais mit kreis förmiger Ortskurve Bezug genommen. Die allgemeine Gleichung für einen solchen Kreis lautet:
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das heisst von einen Vektor k1 <I>J</I> wird geo- metrisch ein Vektor Ulr subtrahiert und der so gewonnene Vektor gleichgerichtet. Er wirkt im sperrenden Sinn auf das Relais ein; im. auslösenden Sinn wirkt der gleichgerichtete Vektor<I>k2 J.</I> Je nach der Grösse und Lage der Vektoren k1 <I>J</I> und<I>k2 J</I> ist die Läge des Kreismittelpunktes und die Grösse des Kreis radius verschieden.
In Fig. 2 ist das Vektordiagramm eines Relais dargestellt, bei dem gemäss der Erfin dung die Richtungsempfindlichkeit verbessert ist.
Zunächst ist das Vektordiagramm eines Konduktanzrelais ohne Anwendung der Er findung entwickelt. Bei dem Konduktanz- relais sind die Vektoren ki <I>J</I> und<I>k2 J</I> gleich; sie werden durch einen Vektor k J dargestellt. Vom Vektor<I>k J</I> wird der Vektor TTlr geome trisch subtrahiert, und der so gebildete Vektor <I>k . J
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</I> U/r gleichgerichtet.
Er wirkt im sper- reriden Sinn auf das Relais. Im auslösenden Sinn wirkt nach dem oben Gesagten der gleichgerichtete Vektor<I>k. J.</I> Aus der Gleich gewichtsbedingung für das Ansprechen des Relais
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sieht man, dass die Ansprechkennlinie des Re lais ein Kreis t, mit dem Radius k.
J sein russ, dessen Mittelpunkt auf der y-Achse im Abstand k J vom Koordinatenanfangspunkt liegt, das heisst, der Kreis geht durch den Koordinatenanfangspunkthindurch. DasKon- duktanzrelais besitzt also Richtungsselektivi tät, denn für alle Werte von Ulr, die inner halb des Kreises liegen, gibt: das Relais frei und für alle Werte :ausserhalb des Kreises sperrt das Relais.
Um eine möglichst kleine Auslösezeit zu erhalten, stellt man zweckmässig das Relais so ein, dass es im stromlosen Zustand auf Aus lösung steht. Wird dann, im Falle eines Kurz schlusses durch die Anregung das Relais von den oben dargelegten Grössen beaufschlagt, so bleibt das: Relais in der Auslösestellung, wenn der Wert<I>U</I> /r innerhalb des Kreises liegt, es geht in die Sperrstellung, wenn der Wert Ulr ausserhalb des Kreises liegt.
Um von der Auslösestellung in die Sperrstellung überzu gehen, ist eine bestimmte Stromstäxke erfor derlich, das heisst das Relais geht nicht un- inittelbar bei überschreiten der theoretischen Auslösekennlinie in die Sperrstellung über, sondern erst dann, wenn der gestrichelt dar gestellte Kreis t2 überschritten wird. Das Re lais öffnet also beispielsweise seinen Kontakt erst dann, wenn :der gestrichelt dargestellte Kreis t2 erreicht wird.
Bei Fehlern auf der Leitung in Vorwärtsrichtung, das heisst in Richtung von der Station gegen die Leitung im auslösenden Sinn, stört dies nicht, da der Unterschied zwischen den beiden Kreisen nur sehr gering ist und sich daher nur .eine ge ringfügige Änderung der gemessenen Lei tungsstrecke ergibt.
Dagegen kann bei einem Fehler in Rück- Wärtsrichtung, .das heisst in Richtung von der Station gegen die Sammelschiene im sperren den Sinne, in der Nähe des Relaisortes eine Fehlauslösung erfolgen, weil das Relais die beiden Energierichtungen hier nicht unter scheiden kann ( Tote Zone ). Man ist be strebt, diese Tote Zone möglichst klein zu halten. Man kann dies dadurch erreichen, dass man, wie in Fig. 2 dargestellt, zum Vektor <I>k J</I> einen Vektor UIR hinzufügt und vom Vektor<I>k .
J ^</I> Ulr einen Vektor U/R geome- met.risch subtrahiert und erst die so gewon nenen Grössen gleichrichtet und ihre Diffe renz auf das Relais zur Einwirkung bringt.
Die Ansprechgleichung lautet somit für das Relais
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Quadriert man beide Seiten dieser Gleichung sowie die der vorhergenannten Gleichung, so ergibt, unter der Vorausetzung, dass die Vekto ren TTlr und UIR in Phase liegen, das heisst, dass r und R rein Ohmsche Widerstände dar stellen, die Lösung für beide 11Z. cos (P =<I>1/2 r.
k =</I> const. Daraus ist klar ersiehtl_ich, dass die theore tischen Relaisanspreehkennlinien (Kreis ti) in beiden Fällen die gleichen sind und durch ,die Überlagerung einer Richtungsmessung nicht geändert werden.
Letztere vergrössert lediglich die Ansprechempfindlichkeit des Relais, das heisst das Relais spricht schon bei überschreiten eines kleineren Kreises t3 an, so dass die Tate Zone verringert wird. Da mit das Relais sozusagen im Gleiehgewieht bleibt, muss bei Vergrössern des Vektors k J um den Vektor UIR auch der Vektor<I>k J,</I> Ulr um den gleichen Wert vergrössert werden, so dass der tatsächliche Kreis einen auf den Betrag
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vergrösserten Radius hat.
Man kann diese Tatsache so darstellen, als ob der Mittelpunkt des tatsächlichen nicht dargestellten Kreises. entsprechend der Pha senlage und Grösse des Vektors U/R seitlich nach oben verschoben wird, damit er wieder durch den Stationsmittelpunkt (Koordinaten- a.nfangspunkt d) geht, oder es ist auch so auf zufassen, dass der Mittelpunkt des Kreises bestehen bleibt (gemäss Fig. 2) und sein Radius um den Vektor U/R auf den Betrag
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vergrössert wird.
Bei der Spannung 0 ist der Schnittpunkt wieder im Stationsmittelpunkt. Das durch die Impedanzgerade (entsprechend der Strecke 13D) von diesem nicht dargestell ten Kreis abgeschnittene Kreissegment stellt den Drehmomentüberschuss dar, der wesent- lich grösser als bei dem reinen Konduktanz- relais mit dem Ansprechkreis t1 ist.
Durch die Überlagerung einer Richtungs- messung mit einer KonduktanzmQssung erhält man also zwei Vorteile: Einerseits wird da durch die Richtungsempfindlichkeit des Kon- duktanzrelais wesentlich verbessert und an derseits kann durch Abschalten von Ulr das Relais in ein reines Richtungsrelais verwan delt werden.
Zum Beweis des Vorgenannten sei von der Gleichung für das Konduktanz- relais mit verktärkter Richtungsempfindlich keit ausgegangen, aus dem durch Beseitigen des Vektors Ulr die Ansprechgleiehung er halten wird .
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Die Auflösung dieser Gleichung ergibt kJ.UIR.cosq9 <I>= 0:</I> Das ist die Gleichung für ein Relais, das seine Richtung bzw. Kontaktgabe wechselt, wenn das Produkt Null ergibt, das heisst, wenn einer der Faktoren Nulf ist.
Zurückkommend auf das Konduktanzrelais mit verstärkter Richtungsempfindlichkeit kann also gesagt werden"dass die Tote Zone um so kleiner wird, je grösser man den Vektor UIR im Verhältnis zum Vektor Ulr wählt. Wenn das Relais also auf eine sehr lange Ent fernung eingestellt ist, das heisst r gross ist, so wird Ulr klein und UIR im Verhältnis zu diesem wesentlich grösser werden.
'Die Ansprechkennlinie des Relais im Stromvektordiagramm, wie sie in Fig. 2 dar gestellt ist, kann man auch als Ansprechkenn- linie des Relais im RX-Diagramm auffassen, wenn man in der R- bzw. X-Achse den Mass stab .entsprechend wählt; denn das Stromdia gramm geht in das Widerstandsdiagramm über, wenn man alle Vektoren durch J divi diert und mit r multipliziert.
Bei einem Kurz schluss auf der Leitung hat also der Vektor Ulr immer die gleiche Phasensage wie die Impedanz Z zwischen Relaisort und Kurz schlusspunkt und ist ihr in der Grösse verhält nisgleich.
Wie die Schaltung für ein solches Relais aussieht, zeigt Fig. 3. Mit 1 ist ein polarisier tes Relais, z. B. ein dynamometrisches Relais mit permanenten Magneten bezeichnet, auf welches die Ströme der Gleichrichter 2 und 3 im entgegengesetzten Sinne einwirken. Der Gleichrichter 2 wird von der Sekundärwick lung 21 eines Stromwandlers 20 gespeist, der Gleichrichter 3 von der Sekundärwicklung 31 eines Stromwandlers 30. Die Wicklungen 22 und 32 der Stromwandler sind in Reihe ge schaltet und liegen über einen Ohmschen Widerstand 101 'parallel zu einem Widerstand 100 im Zuge der Leitung.
Durch die Wick lungen 22 und 32 fliesst daher ein Strom k J, der dem Leitungsstrom J proportional und. finit ihm phasengleich ist. Der Wandler 30 be sitzt noch eine Wicklung 34, die über einen Ohmschen Widerstand r von der Leitungs spannung so erregt wird, dass der in dieser Wicklung fliessende Strom U/r und der Strom k J in der Wicklung 32 sich hinsichtlich ihrer Wirkung auf -die Wicklung 31 geome trisch subtrahieren.
Ausserdem sind noch Wicklungen 23 und 33 vorgesehen, die ent gegengesetzt in Reihe geschaltet über einen Ohmschen Widerstand R von der Leitungs spannung so erregt werden, dass sich die vom Strom U/R erzeugten Amperewindungen der Wicklungen 22 und 23 geometrisch addieren, die der Wicklungen 32 und 33 dagegen sub trahieren. Es wirken also auf das Relais im auslösenden Sinne über den Gleichrichter 2 die gleichgerichtete Summe <I>k J</I> UIR und über den Gleichrichter 3 im sperrenden
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Sinne die gleichgerichtete Differenz
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ein.
Im Ausführungsbeispiel liegen alle Strom vektoren k J mit dem zugehörigen Leitungs strom und alle Stromvektoren U/r bzw. U/R mit der Leitungsspannung in Phase. Man kann sie auch dagegen verdrehen, wenn man alle Vektoren um den gleichen Winkel dreht.
Bei der praktischen Ausführung wird man den Widerstand 100 nicht unmittelbar, in den Zug der Leitung ,legen, sondern auf die Sekundärseite eines Stromwandlers und die Leitungsspannung wird man auf die Widerstände r bzw. R über einen Spannungs wandler zur Einwirkung bringen. Der über sicht'_ichkeit halber ist aber in diesem und in folgenden Ausführungsbeispielen dies nicht dargestellt. Es ist auch ferner die Anregung nicht dargestellt, die bewirkt, dass erst bei Auftreten eines Kurzschlusses das vorher stromlose Relais beaufschlagt wird.
In Fig. 4 ist das Vektordiagramm eines Relais dargestellt, bei welchem auf das Relais zusätzlich eine gleichgerichtete Grösse ein wirkt, die gleich der geometrischen Differenz aus einem dem Strom und einem der Span nung proportionalen Vektor ist.
In Fig. 4 ist mit ki J ein strompropor tionaler Vektor und mit k 2 J ein anderer stromproportionaler Vektor bezeichnet, der zu dem ersten um 90 voreilend phasenverscho ben ist. Ferner ist für eine willkürliche Lage der Spannung der Vektor U/r dargestellt. Dann ergeben sich aus den Diagrammen die Vektoren
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die je für sich gleichgerichtet werden und auf das Relais im sperrenden Sinne einwir ken. Ausserdem ist noch ein Vektor<I>k3 J</I> dar gestellt. Dieser wird ebenfalls gleichgerichtet und wirkt im auslösenden Sinne auf das Relais ein.
Die Ansprechgleichung lautet demnach
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Das ist, wie sich nach Auflösung dieser Glei chung ergibt, die Bedingung für eine Ellipse. Wählt man die Faktoren k so, dass die Summe der Absolutbeträge von ki und k2 gleich k3 ist, dass a'_,so gilt Ik:tJ1+Ik2J1=Ik3JI so wird durch diese zweite Bedingung für die Ellipse zum Ausdruck gebracht, dass die Brennpunkte A und .
B der Ellipse auf den Endpunkten der Vektoren ki <I>J</I> und<B>k2 J</B> liegen und die Ellipse selbst durch den Koor- dinatenanfangspunkt 0 hindurchgeht. Damit erhält man also ein widerstandsabhängiges Relais mit Richtungss & ektivität. Die Lage des Vektors<I>k3 J</I> spielt hierbei keine Rolle, da dieser für sich gleichgerichtet ist.
Tritt ein satter Kurmchluss in der Leitung auf, so ist der Vektor Ulr gegenüber dem Vektor k1 J um den Kurzschlusswinkel cpk der Leitung verschoben. Die Lage dieses Vektors Ulr ist in der Figur gestrichelt dargestellt.
Man erkennt, dass bei einem Kurzschluss in einer Entfernung vom Relaisort, die der läng sten vom Mais zu überwachenden Leitungs länge entspricht (Schnitt der gestrichelten Vektoren Ulr mit der Ellipse), auch bei einem Lichtbogenkurzschluss noch eine Auslösung erfolgen kann; :denn die Spannung am Licht bogen kann bis zur Grösse der Strecke a-b ansteigen, bevor das Relais in die Sperrstel lung übergeht.
Es wird also durch diese An ordnung erreicht, dass auch Lichtbogenfehler in der grössten Entfernung, die das, RelLais überwachen soll, noch abgeschaltet werden, und dass auch für andere Kurzschlusswinkel bis etwa 65 die gleiche Kennlinie benutzt werden kann, da auch bei andern Kurzschluss winkeln noch eine gewisse Liehtbogenkompen- sation eintritt.
Auch zeigt die Figur, dass bei Lichtbogenfehlern in der Nähe der SammJ_- sc.hienen eine Auslösung auch dann erfolgt, wenn der Spannungsabfall am Lichtbogen gegenüber der y-Achse nach rechts verschoben ist, was bei doppelter Einspeisung vorkommen kann.
Auch die Ansprechkennlinie der Fig. 4 kann man sich als Ansprechkennlinie des Relais im Widerstandsdiagramm (RX-Dia- gramm) vorstellen unter Berücksichtigung der entsprechenden Änderung des Massstabes. Zu bemerken ist, dass es auf die Lage ,des Vektors<I>k3</I> J nicht ankommt, da dieser für sich gleichgerichtet wird. Wesentlich ist, dass der Absolutbetrag von k3 ,gleich der Summe der Absolutbeträge von ki und k2 ist.
In dem nachfolgend beschriebenen Relais anordnung gemäss Fig. 5 wird zur Schal tungsvereinfachung der im auslösenden Sinn wirkende Strom k3 <I>J</I> nicht für sich dem Relais zugeführt, sondern an seiner Stelle werden nur die beiden Einzelströme ki <I>J</I> und k2 J benutzt, die dann entsprechend dem Vorgenannten bemessen sind.
1 ist wieder das polarisierte Relais, 2, 3, 4 und 5 sind Gleich richter, und zwar wirken die Gleichrichter 2 und 4 im sperrenden, die Gleichrichter 3 und 5 im auslösenden Sinne. Der Gleichrichter 2 wird von der Wicklung 21 -eines Wandlers 20 gespeist, der Gleichrichter 4 von der Wick lung 41 eines Wandlers 40, der Gleichrichter 3 von der Wicklung 31 eines Wandlers 30 und der Gleichrichter 5 von der Wicklung 51 eines Wandlers 50. Die Wicklungen 42 und 32 der Wandler 40 und 30 sind in Reihe ge schaltet und werden über einen Ohmschen Widerstand 101 vom Spannungsabfall am Widerstand 100 gespeist.
Die Wicklungen 22 des Wandlers 20 und die W icklLmgen 52 des Wandlers 50 sind ebenfalls in Reihe geschaltet und werden über einen Kondensator 102 eben falls vom Spannungsabfall am Widerstand 100 gespeist. Der Wandler 30 besitzt noch eine Wicklung 33, der Wandler 50 eine Wick lung 53. Diese Wicklungen sind in Reihe ge schaltet und werden über einen Widerstand r an die Leitungsspannung so angeschlossen, dass die Amperewindungen der Wicklungen 33 bzw. 53 den Amperewindungen der Wick lungen 32 bzw. 52 entgegenwirken.
Der Gleich= richter 3 richtet also die Grösse k1 <I>J<B>'</B></I> U/r, der Gleichrichter 2 dagegen die Grösse k2 J und der Gleichrichter 4 die Grösse ki <I>J.</I> Da durch wird ohne besondere Hilfsmittel er reicht, dass die Summe der Ströme der Gleich richter 2 und 4 dem Absolutbetrag nach gleich dem gedachten Strom k3 J .ist.
Um bei langen Hochspannungsfreileitun gen den Einfluss des Lichtbogenwiderstandes 118i Fehlern, die in einer Entfernung auftre ten, die gleich der maximal zu überwachenden Leitungslänge ist, weitgehend verringern zu können, empfiehlt es sich, die Ellipse so zu legen, dass im RX-Diagramm die Tangente, welche man parallel zur Koordinatenachse an die Ellipse legt, von einer dazu parallelen Geraden, die durch den Schnittpunkt der Ellipse mit einer um 85 gegen die R-Achse geneigten Geraden,
die durch den Koordina- tenanfangspunkt geht, einen Abstand besitzt, der ungefähr 5 11/ö der vom Relais maximal zu überwachenden Leitungslänge beträgt.
Da durch wird erreicht, dass bei Zangen Leitun gen, bei denen der Kurzschlusswinkel 85 be trägt, der Einfluss des Lichtbogenwiderstan- des verringert wird, und dass, da man das Relais im allgemeinen auf 80 bis 85 % der Länge der Leitung zwischen zwei Relaissta tionen einstellt, höchstens bei Fehlern in 90 /o Abstand,
die mit Lichtbogen auftreten, noch ein Ansprechen des Relais erfolgen kann. Man muss dann, wie aus Fig. 6 hervorgeht, die Brennpunkte A und B der Ellipse so legen, dass der Brennpunkt A etwas links von der y-Achse, der Brennpunkt B etwas unterhalb der x-Achse liegt. Die Ellipse ist in Fig. 6 wieder im Vektordiagramm der Ströme dargestellt.
Bei einem satten Kurz- sehluss auf der Leitung nimmt der Vektor Ulr die dargestellte Lage ein. Man erkennt also, dass bei Lichtbogenfehlern in einer Ent fernung, die der max. zu überwachenden Leitungslänge entspricht, noch ein Span nungsabfall a-b am Lichtbogen auftreten kann und das Relais trotzdem auslöst.
Die Tangente t an die Ellipse liegt gegenüber ,der Geraden c-b um 5 % der Strecke 0a1 verschoben, so dass die Entfernung 0a2 = 1,05 0a1 ist. Diese Aussage bedeutet das gleiche was vorhin über die Lage der Tangente im RX-Diagramm gesagt worden ist.
Die Schaltung für ein Relais, das eine solche Ellipse als Kennlinie hat, zeigt Fig. 7. Soweit die Teile mit denen der Fig. 5 über einstimmen, sind die Weichen Bezugszeichen gewählt. Die Schaltung nach Fig. 7 unter- scheidet sich von der Schaltung nach Fig. 5 dadurch, dass der Strom über die Wicklungen 42 und 32 durch den Kondensator<B>103</B> par allel zum Widerstand 101 etwas kapazitiv gemacht worden ist, während den Wandlern 20 und 50 über die Wicklungen 24 und 54 noch -eine negative Ohmsche Komponente hinzugefügt (Widerstand 105) wird, so dass man die gewünschte Lage von k1 <I>J</I> und<I>k2 J,
</I> wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, erreicht.
Es ist dabei nicht erforderlich, dass der Vektor k2 J genau um 90 dem Vektor k1 J voreilt, sondern man kann auch eine kleinere oder grössere Voreilun.g zulassen, wenn man die Verhältnisse der andern Werte entspre chend wählt.
Eine andere Möglichkeit, wie man die Ellipse ausbilden und legen kann, ist in Fig. 8 dargestellt. Hierbei sind die Absolutbeträge von: k1 und k2 ,gleich gross, ihre Phasenver schiebung beträgt wieder 90 . Damit die Ellipse durch den Koordinatenanfangspunkt geht, ist auch hier wieder gemäss der zweiten Bedingung die Summe der Absolutbeträge von k1 und k2 gleich dem Absolutbetrag von k,3 zu machen.
Man bekommt hierdurch eine Ellipse, die durch den. Koordinatenanfangs- punkt hindurchgeht, mit den Brennpunkten A und<I>B</I> auf der y- bzw. negativen x-Achse. Die Ellipse besitzt eine Form, dass man ein Relais erhält, welches in den in Frage kom menden linken obern Quadranten annähernd Impedanzeigenschaften, das heisst in weitem Bereich Winkelunabhängigkeit besitzt und trotzdem Richtungsselektivität hat. Eine sol che Anspreehkennlinie ist insbesondere geeig net zum Schutz von Kabeln, die mit Kurz schlussdrosselspulen ausgerüstet sind.
Die Schaltung kann genau so ausgeführt werden, wie das Schaltbild der Fig. 7 zeigt, nur sind die Übersetzungsverhältnisse der Stromwand ler anders zu wählen, damit man die Grössen 1z1 und k2 gleich machen kann. Selbstverständ lich kann man dies auch durch entsprechende Wahl der Widerstände 101 bzw. 102 .errei chen.
Es ist zur Erzielung eines Relais mit Im pedanzcharakter und Richtungsselektivität nicht unbedingt erforderlich, dass die, Vek toren ki J und<I>k2 J</I> um genau 90 verscho ben sind, sondern man kann auch einen etwas grösseren oder kleineren Betrag zulassen, auch müssen die Vektoren nicht unbedingt mit der<I>y- bzw.</I> x-Richtung zusammenfallen. Wesentlich ist nur, dass in den linken obern Quadranten die Ellipse sich möglichst einem Kreisbogen nähert.
Lein den Einfluss des Lichtbogens bei Feh lern in einer Entfernung, die gleich der maximal vom Relais zu überwachenden. Lei tungslänge ist, noch weiter ml verringern, kann man auch die Ansprechkennlinie des Relais so legen, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist. Es sind hierbei die Absolutbeträge ki und h2 verschieden gross.
Die Faktoren ki und k2 sind um 180 verschoben und die Summe ihrer Absolutbeträge ist kleiner als der Absolutbe trag von k3. Man, braucht bei dieser Anord nung allerdings ein zusätzliehes Richtungs relais, hat aber den Vorteil, dass man eine An sprechkennlinie bekommt, die sich aus einer angenäherten Reaktanz- (Parallele zur y- Achse) und Imped anzkennlinie zusammen setzt,
wobei besonders bei Fehlern in der vom Relais maximal zu überwachenden Entfer nung grosse Lichtbogenwiderstände bzw. Span nungsabfälle am Lichtbogen. auftreten können und das Relais trotzdem auslöst. Auch kann bei Lichtbogenfehlern am Leitungsanfang bei zweiseitiger Speisung der Lichtbogenwider- stand bzw. die Spannung am Lichtbogen ge- nüber der y-Achse nach rechts verschoben sein.
Ein Ausführungsbeispiel für die Schal tung zeigt die Fig. 10. Das Relais 1 wird wieder von den Gleichrichtern 2 und 4 im auslösenden und von den Gleichrichtern 3 und 5 im sperrenden Sinne beeinflusst. Jeder Oleichrichter wird von einer Wicklung 21. bzw. 31 bzw. 41 bzw. 51 erregt. Die Primär wicklungen 42 und 32 .der Wandler 40 und 30 sind in Reihe geschaltet und werden über den Ohmschen Widerstand 101 vom Span nungsabfall am Widerstand 100 erregt, die Wicklungen 22 und 52 liegen ebenfalls in dieser Reihenschaltung.
Die Wicklung 52 ist jedoch so geschaltet, dass sie im umgekehrten Sinne vom Strom durchflossen wird wie die Wicklung 32. Das Verhältnis der Windungs- zah@len der Wicklungen 52 und 32 beträgt k 2/k1. Ausserdem. besitzen die Wandler 30 und 50 noch Wicklungen 33 und 53, die in Reihe geschaltet von der Spannung erregt werden.
Statt .die Wicklung 52 umzupolen, könnte man auch die Wicklung 53 iunpolen. Die Win- dungszahlen von 22 und 42 sind so gewählt, dass ihre Summe proportional k3 ist, so dass das Verhältnis der Summe der Windungszah- len der Wicklungen 22 und 42 zur Windungs- zahl der Wicklung 32 gleich k3/ki ist.
Während bei den bisherigen Ausführungs beispielen die Auslösekennlinie des Relais ein Kreis bzw. eine Ellipse war, kann man auch, um den Einfluss des Lichtbogenwiderstandes auf das Auslösen des Relais zu verringern und trotzdem die Richtungsselektivität beibehal ten zu können, die Anordnung so treffen, da-ss eine einförmige Kennlinie entsteht, die durch den Koordinatenanfangspunkt geht, aber ein Stück aufweist,
das nahezu parallel zur y- Achse verläuft und rechts von der- y-Achse noch ein grösseres Stück umfasst als die Ellipse. Man erreicht dies dadurch, dass man das Relais ansprechen lässt auf die Gleichung
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wobei die Summen der Absolutbeträge von k1 und k2 gleich k3 sind, k1 und k2 umungefähr 90 phasenverschoben sind, der Absolutbetrag von,
k1 grösser als k 2 ist und die Faktoren c1 und c2, die reelle Werte sind, voneinander ver schieden sind, z. B. im Verhältnis 2 zu 1 ste hen. Eine solche eiförmige Kurve ist in Fig.11 dargestellt.
Vom Vektor ki <I>J</I> wird der Vektor c1 <I>.</I> U/r geometrisch subtrahiert, vom Vektor k2 J der Vektor c2 <I>.</I> Ulr und die Naehrech- nimg zeigt, dass man dadurch die dargestellte eiförmige Kennlinie als Ansspxechkurve er hält, die von der x-Achse aus ein langes Stück annähernd senkrecht nach oben verläuft.
Die Schaltung für eine solche eiförmige Kenn linie kann dieselbe sein wie in Fig. 7, nur mit dem Unterschied, dass die Windungszah- len der Wicklungen 33 und 53 im Verhältnis 6i: c2 stehen. Das Schaltbild ist in Fig. 12 dargestellt. Je nach Wahl der Lage und Grösse der Stromvektoren und dem Verhält nis von c1 zu c2 kann die eiförmige Kurve eine bestimmte Form annehmen.
In Fig. 11 ist das Verhältnis von .cl zu c2 ungefähr zu 1,8 gewählt \worden. Zu erwähnen ist, dass bei allen Schaltbil dern, die Primärwindungszahden der Wandler, die also von den Strömen k <I>J bzw.</I> R/r durch= flossen wurden, gleich gewählt sind und die Absolutbeträge der Faktoren durch Anzap- fungen bewirkt wurden.
Man kann aber auch die Wandlerübersetzungsverhältnisse gleich lassen und die durch die Primärwicklungen der Wandler fliessenden Ströme entsprechend wählen.
In Fig. 13 ist die Ansprechkennlinie eines Relais dargestellt, die durch eine .durch den Koordinatenanfangspunkt gehende Ellipse gebildet wird. Ähnlich wie beim Konduktanz- relais nach Fig. 2 sei wieder angenommen, dass das Relais so eingestellt ist, dass es im stromlosen Zustand sich in der Auslösestel- lung befindet.. Dann würde im theoretischen Fall bei Werten von U/r, die ausserhalb der Ellipse liegen, das Relais auf die andere Seite umschlagen, sich also von der Auslöse stellung in die Sperrstellung bewegen.
Da aber zum Umlegen des Relais eine bestimmte Kraft notwendig ist, wird dieses erst erfol gen, wenn .die gestrichelt dargestellte Ellipse überschritten wird. Es ergibt sich somit bei Fehlern in der Nähe der Sammelschienen, dass das Relais in Rückwärtsrichtung eine gewisse schädliche tote Zone besitzt, die wie beim genannten Konduktanzrelais gemäss Fig. 2 erwähnt, von der Grösse der vom Re lais zu überwachenden Leitim.gsstrecke ab hängig ist.
Um diese zu vermindern, kann man auf das Relais noch einen zusätzlichen Richtungseinfluss ausüben. Zu diesem Zweck kann man die gleichgerichtete Summe und die gleichgerichtete Differenz aus einem dem Strom und einem der Spannung proportiona- len Vektor je für sich gleichrichten und ihre Differenz zusätzlich auf das Relais zur Ein wirkung bringen. Vorzugsweise wird man dabei einen weiteren Gleichrichter zwischen Relais und dieser Differenzgrösse solcher Durchlassriehtung anordnen, dass nur dann, wenn die Differenz sperrend wirkt, ein Ein fluss auf das Relais ausgeübt werden kann.
Besonders zweckmässig ist es, die Anordnung so zu treffen, dass Strom- und Spannungsvek tor einen Winkel von 90 miteinander ein schliessen, wenn die Spannung und der Strom der Leitung einen Winkel miteinander bilden, der gleich dem Winkel ist, den die Tangente d, an die Ellipse im Koordinatenanfangspunkt mit der y-Achse einschliesst.
Bei dieser Wahl des Winkels ergibt sich, dass. eine sperrende Wirkung nur dann auftreten kann, wenn der Vektor ff@/r aus der Halbebene heraustritt, die durch die Tangente d begrenzt ist und die Stromvektoren k J enth21t, das heisst gerade in dem Bereich, wo die sperrende Wirkung gebraucht wird, dass aber die Form der Ellipse selbst wegen des vorhandenen Sperr gleichrichters durch diesen zusätzlichen Rich- tungseinfluss nicht beeinflusst wird.
Die Schaltung ist in Fig. 14 dargestellt. Zu den Gleichrichtern 2, 3, 4 und 5, entsprechend Fig. 5, treten noch zwei weitere Gleichrichter 6 und 7, zwischen denen und dem Relais 1 das Ventil 8 eingeschaltet ist. Der Gleichrich ter 6 wird von der geometrischen Summe aus einem dem Strom und der Spannung der Lei tung proportionalen Vektor gespeist, der Gleichrichter 7 von der Differenz der gleichen Werte. Zu diesem Zweck sind Wandler 60 und 70 vorgesehen. Der Gleichrichter 6 ist an die Wicklung 61, der Gleichrichter 7 an die Wicklung 71 angeschlossen.
Die Wicklungen 62 und 72 der Wandler werden in Reihe ge schaltet und über den Ohmschen Widerstand 101 vom Spannungsabfall am Widerstand 100 erregt, die entgegengesetzt in Reihe geschal teten Wieklungen 63 und 73 werden über den Ohmschen Widerstand 105 mit der parallel geschalteten Drosselspule 106 von der Lei tungsspannung erregt.
Diese Widerstands kombination aus dem Ohmschen Widerstand <B>105</B> und der Drosselspule 106 dient dazu, dem Strom in der Wicklung 63 bzw. 73 gegenüber dem Strom in der Wicklung 62 bzw. 72 eine solche Phasenverschiebung zu geben, wie sie vorher als zweckmässig angegeben wurde, nämlich diese beiden Ströme sollen aufein ander senkrecht stehen, wenn die Phasenver schiebung zwischen Leitungsspannung gleich ist dem Winkel, den die Tangente an die Ellipse im Koordinatenanfangspunkt mit der y-Achse einschliesst.
Der spannungsabhängige Vektor des Richtungszusatzes eilt 'zu diesem Zweck der Leitungsspannung nach, man könnte auch den stromabhängigen Vektor des Richtungszusatzes voreilend machen. Die bei den Gleichrichter 6 und 7, die entgegenge- sehaltet sind, liefern also nur dann einen Sperrstrom, wenn der Vektor Ulr rechts der Tangente d liegt.
Liegt die Spannung auf der linken Seite dieser Geraden, dann erfolgt ein Auslösestrom durch den Richtungszusatz, der aber durch das Ventil 8 vom Relais ferngehal ten wird. Man erreicht durch diesen Rich- i:Lingszusatz eine Erhöhung der Selektivität bei Fehlern in der Nähe der Station durch Verringerung der toten Zone.
Diesen Richtungszusatz durch die Gleich richter 6 und 7 kann man auch bei einem Konduktanzrelais oder einem sonstigen Misch relais verwenden, sofern die Ansprechkurve durch den Koordinatenanfangspunkt geht. Es würden dann z. B. bei der Anordnung nach Fig. 3 die Wicklungen 23 und 33 in Fortfall kommen und dafür die Gleichrichter 6 und 7 mit den Wandlern 60 und 70 und dem Ventil 8 hinzukommen. Hierbei braucht der Strom in der- Wicklung 63 gegenüber der Leitungs- pannung nicht phasenverschoben zu werden.
Die Ströme in den Wicklungen 63 und 62 haben die gleiche Phasenverschiebung wie die Spannung und der Strom der Leitung selbst.
Einen solchen Richtungszusatz kann man auch bei der angegebenen Kennlinie, die eiför mig ist, vorsehen. Auch hier wird man aber dann, ähnlich wie bei der Ellipse in Fig. 13, den Richtungszusatz so wählen, dass Strom- und Spannungsvektor des Richtungszusatzes eine Phasenverschiebung von 900 besitzen, wenn Strom und Spannung,der Leitung eine Phasenverschiebung haben, die die Tangente im Koordinatenanfangspunkt an die eiförmige Kurve mit der y-Achse einschliesst.
In dem Ausführungsbeispiel ist angenom- inen, dass es sich um ein dynamometrisches Relais mit permanenten Magneten handelt. Wie bereits eingangs erwähnt, kann an dessen Stelle auch ein konstant erregtes dynamo metrisches Relais treten oder auch .ein Röh- renrelaiA. Auch beidem Röhrenrelais treten, wenn man es in stromlosen Zustand auf Aus lösung stellt, ähnliche Schwierigkeiten auf wie beim dynamometrischen Relais, weil auch beim Röhrenrelais eine gewisse Gitterspannung überschritten werden russ,
um das Relais von der Auslösestellung in die Sperrstellung über zuführen.
Bei allen bisherigen Ausführungsbeispie len wurde der spannungsabhängige Vektor Ulr in seiner Phasenlage so gelegt, dass er mit der Spannung U phasengleich ist. Ist dies nicht der Fall, so sind die entsprechenden Stromvektoren k J entsprechend zu verdrehen.