Resistanz-Selektivschutzanordnung für eine Stroinleitungsschleife Bei sämtlichen Selektivschutzsystemen wird die Fehlerortsbestimmung dadurch erschwert, dass so wohl metallische Kurzschlüsse als auch Kurzschlüsse in Form von Lichtbögen auftreten. Man könnte nun daran denken, die Fehlerortsbestimmung im Augen blick des Stromnulldurchganges vorzunehmen, da dann der ohmsche Spannungsabfall an der Leitungs schleife sowie der Spannungsabfall am Lichtbogen Null sind.
Dies trifft tatsächlich zu, sofern es sich um einseitig gespeiste Leitungen handelt, bei denen Strom und Lichtbogenspannung genau gleichzeitig durch Null gehen. Bei zweiseitig gespeisten Leitungs abschnitten gemäss Fig. 1 ist diese Voraussetzung nur erfüllt, wenn die beiden Speiseströme i, und 1, des Lichtbogens genau in Phase sind. Dies wird aber nur in seltenen Fällen zutreffen.
Vielmehr wird beim Stromnulldurchgang des Stromes il der Strom i2 je nach seiner Phasenlage gegenüber il noch in gleicher Richtung oder bereits in entgegengesetzter Richtung über den Lichtbogen B fliessen. Dies hat im Augen blick des Stromnulldurchganges von il eine positive oder negative Lichtbogenspannung u$ zur Folge, die sich zu dem induktiven Spannungsabfall uL an der Leitungsschleife addiert bzw. subtrahiert. Hierdurch wird die Messung der Reaktanz der Leitungsschleife in nicht vorauszusehender Weise verfälscht.
Wird andererseits eine Messung im Strommaxi mum durchgeführt, so ist der induktive Spannungs abfall an der gestörten Leitungsschleife gleich Null, der ohmsche Spannungsabfall hat dann den Betrag von uR bei metallischem Kurzschluss oder (UR<I>+<B>UB)</B></I> bei Lichtbogenkurzschluss. In diesem Fall tritt die Lichtbogenspannung immer additiv zum ohmschen Spannungsabfall uR der Leitungsschleife hinzu.
Ausführliche Messungen haben gezeigt, dass der Lichtbogengradient bei Stromstärken grösser als etwa 1000 A und Längen von mehr als 5 cm den Wert von etwa 20<B>...</B> 25 V/cm aufweist. Da bei einem Einhalb wellen-Selektivschutz die Messung immer in der ersten vollen Halbwelle durchgeführt wird, ist die Lichtbogenlänge durch die I7berschlagsentfernung, die sog. Schlagweite, in Näherung bestimmt. Diese Schlagweite ist etwa proportional der Nennspannung.
Man kann daher mit guter Annäherung eine Aussage über die zu erwartende Lichtbogenspannung im Strom maximum der ersten vollen Halbwelle machen. In 10-kV-Netzen liegt sie etwa' bei 250 bis 300 V, in 110-kV-Netzen bei etwa 2500 V.
Ferner zeigen die Versuche, dass der Strom in seinem sinusförmigen Verlauf bei metallischem oder Lichtbogenkurzschluss praktisch unverändert bleibt, während die Spannung an der gestörten Leitungs schleife bei Lichtbogenkurzschluss überlagerte, nicht harmonische, durch den flatternden Lichtbogen her vorgerufene Oberwellen aufweist.
Die Zusammenfassung all dieser Erkenntnisse führt nun zu einer neuartigen Resistanz-Selektiv- schutzanordnung für eine Stromleitungsschleife, die gestattet, den Fehlerort bereits in der ersten voll aus gebildeten Halbwelle des Störungsstromes zu ermit teln, wobei die Verlagerung des Kurzschlussstromes keinerlei Einfluss auf das Messergebnis ausübt.
Sie ist gekennzeichnet durch eine Anordnung, der eine der Schleifenspannung proportionale Spannung u und eine dem Momentanwert des Stromes proportionale Spannung <I>n -</I> u" zugeführt werden und die auf Grund des zeitlichen Verlaufes der Spannung u eine Korrek turspannung uk erzeugt und der Spannung<I>u</I> dann überlagert, wenn an einer Störungsstelle ein Licht bogen-vorhanden ist, und ferner gekennzeichnet durch ein Vergleichssystem,
dem die korrigierte Schleifen spannung<I>ü</I> =u-ul, und-die Differenzspannung Ae= <I>n</I> # u"- <I>u'</I> zugeführt werden und das im Augenblick des Strommaximums die beiden Spannungen u' und <I>De</I> vergleicht und die Auslösung eines zugehörigen Schalters dann bewirkt, wenn die Polaritäten von u' und Ae einer vorbestimmten Polaritätsbedingung ge nügen.
Die nachfolgenden Erläuterungen betreffen Aus führungsbeispiele der Erfindung. Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Stromes i, der Lichtbogen spannung uB unmittelbar an einer Fehlerstelle und der Schleifenspannung u auf Grund oszillographischer Messungen, während Fig. 3 eine schematische Dar stellung eines Resistanz-Selektivschutzes nach der Er findung wiedergibt; Fig. 4 zeigt eine teilweise Ab wandlung der Anordnung nach Fig.3.
In Fig. 2 erkennt man, dass der stark verlagerte Strom i aus einem sinusförmigen Anteil mit abklin gendem Gleichstromglied besteht. Die Lichtbogen spannung uB entspricht in ihrer Polarität dem Strom. Ihr Verlauf ist etwa trapezförmig; insbesondere bei grösseren Stromwerten zeigen sich viele Zacken im Spannungsverlauf. Diese werden durch die Bewegung des Lichtbogens, wobei Schleifen entstehen, die sich wieder kurzschliessen, hervorgerufen, oder auch durch Einschnürungen, die kurzzeitig einen grösseren Span nungsabfall erzeugen.
Die Schleifenspannung u setzt sich nun aus dem ohmschen und induktiven Span nungsabfall längs der Leitungsschleife und der Licht bogenspannung<B>UB</B> zusammen. Im Zeitpunkt des Strommaximums ist dildt <I>= O,</I> so dass in diesem Moment die Schleifenspannung u gegeben ist durch: A u=IR+uB <I>,</I> wobei R den Widerstand der Schleife bedeutet.
In Fig. 3 bedeuten 1 und 2 die beiden Leiter der gestörten Leitungsschleife entsprechend Fig. 1. 3 ist ein Spannungswandler, 4 ein Stromwandler. Der Spannungswandler liefert an seiner Sekundärwick lung 5 die Spannung u, während am ohmschen Teil 6 der Bürde des Stromwandlers der Spannungsabfall n # u" auftritt. 7, 8 und 9 sind Filterverstärker, die bei Auftreten von Frequenzen am Eingang innerhalb der angedeuteten Frequenzbereiche einen bestimmten Ausgangswert abgeben.
Die Filterverstärker 7 bis 9 wirken auf ein Relais 10 ein, das beim Ansprechen den Kontakt 11 öffnet. 12 ist ein Verstärker, dessen Eingang an der Spannung n # u, liegt. Er gibt an seinem Ausgang eine rechteckförmige, synchron mit dem Spannungsabfall n - u, und damit auch mit dem Strom<I>i</I> verlaufende Korrekturspannung uk ab. 13 und 14 sind Verstärker, die von der Spannung u' bzw.
<I>n -</I> u,- <I>ü</I> gespeist werden und in ihrem Ausgang dazu polaritätsgleiche Rechteckspannungen möglichst glei cher Amplitude abgeben. Diese beiden Rechteck spannungen werden summiert und mit Hilfe der Gleichrichteranordnung 15 gleichgerichtet. Die so entstehende Spannung liegt an einer Reihenschaltung aus dem Schalttransistor 16 und der Primärwicklung 17 des Zündtransformators 18.
Der Auslösekreis des Leistungsschalters 19 besteht aus der Batterie 20, der Kaltkathodenröhre 21 mit der Zündelektrode 22 und der Auslösespule 23.
Zur Erzeugung eines Impulses im Augenblick des Strommaximums dient der Luftspaltwandler 24; an seiner Sekundärwicklung 25 ist ein Widerstand 26 sowie die Primärwicklung 27 eines Impulserzeugers 28 in Form eines magnetischen Kreises mit möglichst rechteckförmiger Magnetisierungskurve angeordnet. Die Sekundärwicklung 29 steht über die Gleichrich- teranordnung 30 mit dem Schalttransistor 16 in Ver bindung.
Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 3 ist folgende: Tritt zwischen den Leitern 1 und 2 ein Lichtbogen B auf, so verringert sich die Sekundär spannung u am Spannungswandler 3, und es erhöht sich der Sekundärstrom und damit der Spannungs abfall n - u" an der ohmschen Bürde 6 des Strom wandlers 4. Wie anhand von Fig. 2 gezeigt wurde, enthält im Falle eines Lichtbogenkurzschlusses die Spannung u eine grosse Zahl Oberwellen.
Dies hat zur Folge, dass beispielsweise die Filterverstärker 7 und 9 Ausgangsspannungen abgeben, die gleich- gerichtet und summiert das Relais 10 zum Ansprechen bringen, wodurch der Kontakt 11 geöffnet wird. Die Verwendung von mindestens zwei Filterverstärkern ist im allgemeinen notwendig, da es bei Schaltvor gängen beliebiger Art vorkommen kann, dass hoch- frequente, im allgemeinen harmonische, gedämpfte Schwingungen auftreten,
wodurch einer der Filter verstärker zum Ansprechen gebracht werden kann. Ein solcher Vorgang darf aber nicht einen Lichtbogen vortäuschen und daher auch nicht zur Betätigung des Relais 10 führen. Durch die Verwendung von min destens zwei Filterverstärkern, die nur gemeinsam das Relais 10 zum Ansprechen bringen können, ist die Gewähr gegeben, dass ein Frequenzgemisch, wie es in der Lichtbogenspannung vorhanden ist,
von einer harmonischen Schwingung unterschieden wer den kann. Bei geöffnetem Kontakt 11 wird von der Spannung u die mit dem Strom polaritätsgleiche und der Lichtbogenspannung proportionale Korrektur- spanung uk abgezogen. Dadurch entsteht bei Licht- bogenkurzschluss die korrigierte Spannung u'.
Bei metallischem Kurzschluss enthält die Spannung u keine Oberwellen; es wird daher der Kontakt 11 nicht geöffnet und damit auch keine Korrekturspannung uk von der Spannung u abgezogen.
Nachstehend wird der Fall eines Lichtbogenkurz- schlusses zugrunde gelegt. Es werden daher dem Ver stärker 12 die korrigierte Spannung ü und dem Ver stärker 14 die Spannungsdifferenz <I>De = n</I> # u,- <I>u'</I> zugeführt. Bereits bei einem vorgegebenen, sehr nie drigen Eingangspegel dieser beiden Spannungen er zeugen die Verstärker 13 und 14 in ihrem Ausgang jeweils der Eingangsgrösse polaritätsgleiche recht- eckförmige Ausgangsspannungen mit von der Ein gangsgrösse unabhängigen Amplituden.
Diese werden summiert und gleichgerichtet. Die Auslösung des Leistungsschalters 19 darf dann, und nur dann, er- folgen, wenn im Moment des Stromnulldurchganges diese beiden Ausgangsspannungen gleiche Polarität haben und sich daher zu etwa dem doppelten Wert addieren. Im anderen Fall ergänzen sich die beiden Ausgangsspannungen zu Null.
Zur Festlegung des Messzeitpunktes dient der Luftspaltwandler 24, dessen Sekundärstrom bei ge nügend grossem Widerstand 26 der zeitlichen Ab leitung des Primärstromes proportional ist. In dem Impulswandler wird bei jedem Nulldurchgang des Sekundärstromes und damit genau im Maximum des Primärstromes an seiner Ausgangswicklung 29 ein Impuls erzeugt, der in der Anordnung 30 gleich gerichtet wird und im vorgeschriebenen Zeitpunkt den Schalttransistor 16 durchlässig macht.
Dadurch ent steht im selben Augenblick ein Stromimpuls über die Primärwicklung 17 des Zündtransformators 18, so fern die Rechteckspannungen am Ausgang der Ver stärker 13 und 14 gleiche Polarität aufweisen. -In diesem Fall zündet die Kaltkathodenröhre 21, was die Auslösung des Schalters 19 bewirkt.
Die Erfahrung lehrt, dass es grosse Schwierig keiten macht, den induktiven Stromwandler 4 so aus zulegen, dass er auch bei hohem Kurzschlussstrom und allfälligen, von vorausgegangenen Schaltvorgän gen herrührenden Vormagnetisierungen einen Se kundärstrom liefert, der exakt proportional dem Primärstrom ist.
Diese, insbesondere bei grossem Kurzschlussstrom auftretende Schwierigkeit wird durch die Anordnung gemäss Fig. 4 beseitigt, die eine an dere Ausführungsmöglichkeit desjenigen rechten obe ren Teiles. der Schaltung nach Fig. 3 darstellt, der über den Klemmen<I>a, b,</I> c und<I>d</I> liegt. 40 ist ein vom Hauptstrom i durchflossener Luftspaltwandler, an dessen Sekundärwicklung 41 ein aus dem grossen Widerstand 42 und dem Kondensator 43 bestehendes Integrierglied sowie der Impulserzeuger 44, entspre chend 28 in Fig. 3, angeschlossen sind.
Der Wider stand 42 ist so gross gewählt, dass er die Grösse des Sekundärstromes des Luftspaltwandlers 40 bestimmt, der dann der zeitlichen Ableitung des Hauptstromes proportional ist. Der auf der Sekundärseite des Im pulserzeugers 44 auftretende Spannungsimpuls fällt somit zeitlich mit dem Strommaximum des Haupt stromes zusammen. Die Spannung am Kondensator 43 ist dem Integral des Sekundärstromes proportional und damit ein genaues Abbild des Primärstromes i auf der Leitung.
An den Klemmen a und b sowie c und d der Fig. 4 treten somit wieder die entsprechen den Werte auf wie bei der Anordnung nach Fig. 3, ohne dass induktive Stromwandler benötigt werden.
Der Vorteil des Resistanz-Selektivschutzes nach der Erfindung besteht darin, dass bereits in der ersten Halbwelle des Störungsstromes vollkommen unab hängig von dessen Verlagerung eine selektive Aus wahl getroffen werden kann, wobei der störende Einfluss des Lichtbogenwiderstandes weitgehend kom pensiert ist. Die zugehörigen Verstärker sind verhält- nismässig einfach, da nur die Polarität von Spannun gen, nicht aber ihre Grösse auf der Ausgangsseite wiedergegeben werden muss. Ein weiterer Vorteil ist darin zu erblicken, dass der Selektivschutz nur ge ringe Ausgangsleistungen der Wandler verlangt.