Richtungsrelais für den Schutz von Drehstromleitungen Bei Richtungsrelais, wie sie insbesondere für den Distanzschutz von Drehstromleitungen vorgesehen sind, verwendet man für jeden Phasenleiter ein Mess- werk. Jedes Messwerk enthält einen Strom- und einen Spannungspfad und spricht an, wenn der Phasenwinkel zwischen der angelegten Spannung und dem über den Strompfad fliessenden Strom grösser bzw. kleiner als 90 wird.
Ein Richtungsrelais, dessen Messwerke jeweils von dem Strom eines Phasenleiters durchflossen wer den und deren Spannungspfade an die diesem Phasenstrom zugehörige Phasenspannung ange schlossen sind, kann z. B. bei einem nahegelegenen Erdkurzschluss keine Richtungsanzeige mehr abge ben, da die Leistung wegen der geringen Spannung nicht mehr ausreicht, um das Richtungsrelais zu be tätigen. Das Richtungsrelais besitzt also eine tote Zone, deren Länge vom Leitungswiderstand und von der Empfindlichkeit der Messwerke des Richtungsre lais abhängt.
Um diese tote Zone bei einpoligen Kurzschlüssen (Erdschlüssen) zu vermeiden, hat man an den Span nungspfad jedes Messwerkes eine der Phasenleiter spannung benachbarte verkettete Spannung angelegt. In Fig. 1 ist zur Erläuterung die Schaltung der Strom pfade dreier zu einem Richtungsrelais gehörender Messwerke dargestellt. In die Phasenleiter R, S und T einer Drehstromleitung sind Stromwandler 1, 2 und 3 eingeschaltet, deren Sekundärwicklungen in Stern geschaltet sind. Die Messwerke des Richtungsrelais sind ebenfalls in Stern geschaltet und mit MR, MS und MT bezeichnet.
Die Schaltung ist dabei so ge troffen, dass der Strompfad des Messwerkes MR in Reihe zur Sekundärwicklung des Stromwandlers 1 liegt, der seinerseits primärseitig in den Phasenleiter R eingeschaltet ist. In entsprechender Weise sind die Messwerke MS und MT den Stromwandlern 2 und 3 in den Phasenleitern S und T zugeordnet.
Die Schaltung der Spannungspfade der Mess- werke MR, MS und MT ist in Fig. 2 dargestellt. Wie man sieht, ist der Spannungspfad des Messwerkes MR zwischen die Phasenleiter R und T, der Span nungspfad des Messwerkes MS zwischen die Phasen leiter S und R und derjenige des Messwerkes MT zwischen die Phasenleiter T und S eingeschaltet.
Bei dieser Schaltung der Messwerke eines Rich tungsrelais erhält man bei einem einpoligen Kurz- schluss in Netzen mit starr geerdetem Sternpunkt eine tote Zone, da die am Spannungspfad jedes Messwerkes liegende verkettete Spannung sich höch stens auf den Wert einer Sternspannung verringern kann. Allerdings bleibt eine tote Zone bei einem zweipoligen Kurzschluss mit oder ohne Erdberührung erhalten. Z. B. würde ein Kurzschluss zwischen den Phasenleitern R und S die Spannung an dem Mess- werk MS zusammenbrechen lassen, so dass ein Rich tungsentscheid nicht mehr erfolgen kann.
Darüberhinaus kann für ausserhalb der toten Zone liegende Fehler ein falscher Richtungsentscheid getroffen werden., wenn zwischen Relais- und Fehler ort ein Transformator in Sterndreieck bzw. Dreieck sternschaltung liegt. Dieser Fall ist in Fig. 3 näher dargestellt. In Fig.3a ist der Relaisort durch eine strichpunktierte Linie 4 und der Fehlerort durch einen Kurzschlusspfeil 5 gekennzeichnet. Zwischen Relais- und Fehlerort ist ein Transformator 6 in Sterndreieckschaltung eingefügt.
Der über die Feh lerstelle (Kurzschlusspfeil 5) fliessende Kurzschluss- strom ist mit drei hintereinander eingezeichneten Pfeilen gekennzeichnet. Weitere Pfeile neben den Wicklungen des Transformators 6 kennzeichnen die Richtung des fliessenden Stromes auf der Primär- und Sekundärseite. Wie man sieht, sind die Ströme in den Phasenleitern S und T am Fehlerort gleichphasig und gleich gross, während der Strom im Phasenleiter R entgegengesetzt gerichtet ist und den doppelten Wert aufweist. Diese am Relaisort sich einstellende Stromverteilung ist in Fig. 3b vektoriell dargestellt.
Die Endpunkte der Phasenleiterspannung sind wie üblich mit den gleichen Buchstaben wie die Phasen leiter, nämlich mit R, S und T bezeichnet. Die Ver bindungslinien zwischen diesen Punkten zeigen Lage und Grösse der verketteten Spannungen.
Im folgenden soll unter Spannung R-S bzw. UR-S der Spannungsvektor verstanden werden, der sich aus der Differenz der Phasenspannung R mit der Phasenspannung S ergibt. Es gilt also UR,-S = UR-U,. Die Ströme in den Phasenleitern sind mit IR, Is und IT bezeichnet. Ausserdem sind in Fig.3b Umschlaglinien 7 gestrichelt eingezeichnet.
Jeweils auf einer Seite jeder Umschlaglinie 7 ist eine Schraffur angedeutet. Jede Umschlaglinie zeigt die Richtung des zugehörigen Phasenleiterstromes, bei der das zugehörige Messwerk anspricht. Die Schraf- fur ist dabei so angebracht, dass das jeweilige Mess- werk anspricht, wenn der Stromzeiger auf der der Schraffur abgewandten Seite der Umschlaglinie liegt.
Für Fig.3b ist angenommen, dass die Spannungs pfade der Messwerke so geschaltet sind, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Infolgedessen steht die vom Strom IR gehörende Umschlaglinie senkrecht auf der Spannung R-T, da - wie Fig. 2 zeigt - das Mess- werk MR an die Spannung R-T angeschlossen ist.
Wie aus Fig. 3b zu ersehen ist, befindet sich der Stromzeiger Is auf der schraffierten Seite der Zuge hörigen Umschlaglinie 7. Das Messwerk MS wird also nicht auslösen, obgleich die Fehlerstelle (Kurz- schlusspfeil 5 in Fig. 3a) in Auslöserichtung liegt.
In folgedessen ergibt sich bei dieser bekannten Schal tung eine falsche Richtungsmessung bei einem zwei poligen Fehler, wenn zwischen Relais- und Fehlerort ein Transformator in Sterndreieckschaltung einge schaltet ist.
Diese Nachteile werden durch das neue Rich tungsrelais vermieden. Es enthält ebenso wie be kannte Anordnungen mehrere Messwerke, die je von dem Strom in einem Phasenleiter durchflossen wer den und die an eine verkettete Spannung angeschlos sen sind. Die neue Lösung besteht erfindungsgemäss darin, dass mindestens beim zweipoligen Kurzschluss der Spannungspfad jedes Messwerkes an die der Phasenleiterspannung gegenüberliegende verkettete Spannung angeschlossen ist.
Um bei anderen Fehlern als dem zweipoligen Kurzschluss mit Sicherheit ein richtiges Ansprechen des Richtungsrelais zu gewähr leisten, lässt sich die neue Anordnung entweder so ausbilden, dass in dem Spannungspfad jedes Mess- werkes ein beim zweipoligen Kurzschluss schaltender Umschalter liegt, in dessen Ruhestellung eine der Phasenleiterspannung benachbarte verkettete Span nung und in dessen Arbeitsstellung die der Phasenlei- terspannung gegenüberliegende verkettete Spannung an den Spannungspfad angeschlossen ist,
oder man vermeidet die Umschalter vollständig und schliesst den Spannungspfad jedes Messwerkes fest an die der Phasenleiterspannung gegenüberliegende verkettete Spannung an und schaltet zusätzlich in dem Strom kreis des Strom- bzw. Spannungspfades jedes Mess- werkes Elemente zur Phasendrehung ein, die den Winkel zwischen Strom und Spannung im Sinne einer Stromnacheilung vergrössern.
Bei der erfindungsgemässen Lösung wird also zur Vermeidung einer toten Zone bei zweipoligem Kurz- schluss und zur Sicherstellung einer richtigen Rich tungsentscheidung auch z. B. bei Leitungen mit zwi schengeschaltetem Transformator in Sterndreieck schaltung für das Messwerk eines Phasenleiters der zugehörige Phasenleiterstrom und zusätzlich die die sem gegenüberliegende verkettete Spannung heran gezogen. Die Erfindung wird nachstehend in Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert.
In Fig. 4 sind wieder die Phasenleiter R, S und T und die Messwerke MR, MS und MT mit ihren An schlüssen für die Spannungspfade dargestellt. Die Schaltung der Strompfade ist die gleiche wie in Fig. 1. In Reihe zu jedem der Messwerke MR, MS und MT liegt je ein Umschaltkontakt UT, UR und US.
Die Umschaltkontakte sind in ihrer Ruhestellung eingezeichnet. Die Verbindungen der Phasenleiter mit den Messwerken ist so getroffen, dass in den Ruhestellungen der Umschalter UT, UR und US sich die gleiche Schaltung ergibt, wie sie in Fig. 2 darge stellt ist.
In der Arbeitsstellung des Umschalters UT ist dagegen das Messwerk MR an die verkettete Spannung S-T, in der Arbeitsstellung des Umschal ters UR das Messwerk MS an die verkettete Span nung T-R und in der Arbeitsstellung des Umschalters US das Messwerk MT an die verkettete Spannung R-S angeschlossen. Jeder Umschalter stellt beispiels weise einen Kontakt eines nicht gezeichneten Anre- gerelais für den Distanzschutz dar.
Dabei bedeutet die Bezeichnung UT , dass dieser Umschalter ein Kontakt des im Phasenleiter T liegenden Anregere- lais darstellt. In gleicher Weise sind die Umschalt kontakte UR und US Kontakte der Anregerelais in den Phasenleitern R und S.
Der Umschaltkontakt UT schaltet also immer dann in seine Arbeitsstellung um, wenn ein Fehlerstrom im Phasenleiter T fliesst. Da mit wird erreicht, dass das Messwerk MR bei einem zweipoligen Kurzschluss zwischen den Phasenleitern R und T, bei dem sowohl die Spannung UR als auch die Spannung UT zu klein werden kann, noch durch die weiter bestehende Sternspannung des Phasenlei ters S eine Spannung erhält und so einen Richtungs entscheid treffen kann. Eine tote Zone kann also auch bei zweipoligem Kurzschluss nicht auftreten.
In Fig. 5 ist das Zeigerdiagramm des in Fig. 3a dargestellten zweipoligen Fehlers mit zwischenge schaltetem Sterndreiecktransformator noch einmal für den Fall dargestellt, dass die Spannungspfade der Messwerke des Richtungsrelais - wie in Fig. 4 dar gestellt - geschaltet sind. Die Phasenlage und die Grösse der Ströme in den Phasenleitern am Fehlerort ist die gleiche wie in Fig. 3b dargestellt.
Da in jedem Leiter ein Fehlerstrom fliesst, sind die Anregerelais in allen Phasenleitern angeregt und ihre Kontakte UR, US und UT liegen in Arbeitsstellung. Das Mess- werk MR ist also an die verkettete Spannung S-T und die Messwerke MS bzw. MT an die verketteten Spannungen T-R bzw. R-S angeschlossen. Die Lage der Ströme zu den Umschlaglinien 7 der Messwerke zeigt, dass bei dieser Schaltung alle drei Messwerke auslösen werden. Alle drei Messwerke zeigen also die Richtung des Fehlerortes, richtig an.
Eine Schaltung für die Spannungspfade der Rich tungsrelais ohne Umschaltkontakte ist in Fig. 6 dar gestellt. Dabei liegen an den Spannungspfaden die gleichen Spannungen wie in der Schaltung nach Fig. 4, wenn alle Umschaltkontakte ihre Arbeitslage einnehmen.
Der Unterschied besteht darin, dass die Anschlüsse der Messwerke nicht unmittelbar an die Phasenleiter R, S und T bzw. an die Sekundäran schlüsse eines an die Phasenleiter gelegten Span- nungswandlers geführt sind, sondern es ist jeweils die Parallelschaltung eines Kondensators 8 mit einem Widerstand 9 zur Phasendrehung der den Messwer- ken zugeführten Spannungen in Reihe zu den Mess- werken geschaltet. Statt der Kondensatoren mit den Widerständen wäre es genau so gut möglich, andere bekannte Elemente zur Phasendrehung vorzusehen.
Ausserdem würde der gleiche Effekt erreicht, wenn nicht die Spannung an den Messwerken kapazitiv, sondern die in den Messwerken fliessenden Ströme induktiv in ihrer Phasenlage verdreht würden. Wesentlich ist, dass der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung an jedem Messwerk im Sinne einer Stromnacheilung vergrössert wird.
Die Wirkungsweise dieser Schalter soll nachfol gend anhand von Zeigerdiagrammen näher darge stellt werden. Dabei ist angenommen, dass die Ele mente zur Phasendrehung die Phasenlage jeder Span nung um 30 kapazitiv verdrehen. Dies wirkt sich in den Zeigerdiagrammen so aus, dass die Umschlagli nien der Messwerke nicht mehr senkrecht auf den verketteten Spannungen stehen, sondern mit diesen Spannungen einen Winkel von 60 einschliessen.
In Fig.7 ist angenommen, dass ein Erdkurz- schluss in dem Phasenleiter R vorliegt. Das zur Phase R zugehörige Messwerk MR ist an die verkettete Spannung S-T angeschlossen. Da der Kurzschluss kreis immer einen überwiegend induktiven Wider stand darstellt, liegt der Phasenwinkel zwischen Kurzschlussstrom und der zugehörigen treibenden Spannung immer im Bereich zwischen 0 und 90 in duktiv. Es sind daher - wie auch in den folgenden Zeigerdiagrammen - für jeden Strom immer zwei senkrecht aufeinander stehende Pfeile eingezeichnet, die mit 0 bzw. 90 bezeichnet sind. In Fig. 7a ist an genommen, dass das Spannungsdreieck nahezu voll bestehen bleibt.
Der Kurzschlussstrom IR liegt bei jedem möglicherweise auftretenden Phasenwinkel auf der Freigabeseite der Umschlaglinie 7. Wie Fig. 7b zeigt, ändert daran auch nichts, wenn die Phasenlei terspannung UR zu Null geworden ist. Das Messwerk MR spricht also in jedem Falle an.
In Fig. 8 sind die Zeigerdiagramme für einen zweipoligen Kurzschluss zwischen den Phasenleitern S und T dargestellt. Fehlerströme fliessen in den Phasen S und T und sind gegeneinander um 180 verschoben. Wie aus Fig. 8a zu ersehen ist, liegen die Kurzschlussströme Is und 'T bei jedem Phasen winkel auf der Freigabeseite der Umschlaglinien 7.
Zwar fällt der Zeiger des Stromes IS bei einem Phasenwinkel von 0 zur treibenden Spannung mit der Umschlaglinie 7 zusammen, dies ist jedoch unbe denklich, da der Phasenwinkel 0 angenähert nur bei einem nahegelegenen Lichtbogenfehler auftritt. In diesem Fall bricht aber die Spannung zwischen den Phasenleitern S und T zusammen. Diese Verhältnisse sind in Fig.8b dargestellt. Auch hier liegen die Ströme beider Messwerke auf der Auslöseseite der Umschlaglinien 7.
Die Verhältnisse bei einem dreipoligen Kurz- schluss zeigt Fig. 9. Auch hier ergibt sich die richtige Messwertanzeige für alle Messwerke. Allerdings bleibt hier eine tote Zone bestehen, die aber durch Einschaltung von Schwingkreisen in Reihe oder parallel zur Spannung beseitigt werden kann.
In den Fig. 10a und 10b sind noch einmal die Lage der Spannungen und Ströme bei einem zweipo ligen Kurzschluss zwischen den Phasenleitern R und S für den Fall dargestellt, dass zwischen Relais- und Fehlerort ein Transformator in Sterndreieckschaltung liegt.
Während bei nahem Kurzschluss (stark verän dertes Spannungsdreieck) nach Fig. 10a wiederum für jeden Phasenwinkel zwischen 0 und 90 eine ein deutige, richtige Anzeige gewonnen wird, ist aus Fig. 10b bei weniger nahem Kurzschluss zu ersehen, dass das Messwerk MT, das vom Strom IT durch flossen wird, eine falsche Richtung anzeigen würde, wenn der Phasenwinkel zwischen Strom und Span nung in der Phase T weniger als etwa 10 betragen würde.
Dieser Fall kann aber nicht eintreten, da es sich erstens um einen entfernten Kurzschluss handelt und da zweitens - bedingt durch die Transformator reaktanz - der Kurzschlusswiderstand stark induktiv ist, so dass der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung immer zwischen etwa 45 und 85 induk tiv liegt. Andererseits wäre es ohne weiteres möglich, über die Elemente zur Phasendrehung eine grössere Phasenverschiebung als die auch in dieser Figur an genommene Phasenverschiebung der Spannungen von 30 zu wählen.