Selektivschaltung, insbesondere für Höchstspannungsanlagen Mit der Vergrösserung der Leistungen in den Hoch spannungsnetzen und mit der dadurch bedingten Er höhung der Übertragungsspannungen werden die An forderungen an die Selektivschutzeinrichtungen und an die Stromwandler zum Abbilden der in den Leitungen fliessenden Ströme für die Selektivschutzeinrichtungen immer grösser.
In Netzen mit hohen Spannungen, die zur Übertragung grosser Leistungen ausgelegt sind, können - bezogen auf den Nennstrom - sowohl sehr hohe als auch niedrige Kurzschlussströme auftreten, die alle von Stromwandlern noch ausreichend genau abge bildet werden müssen, wenn eine richtige Messung des Fehlerortes gewährleistet werden soll.
Ausserdem ist bei Höchstspannungen das Verhält nis zwischen dem induktiven und dem ohmschen Wider stand der Leitungen und der Transformatoren im Ver hältnis zu den Werten in Mittelspannungsnetzen sehr gross. Bei einem im ungünstigen Augenblick auftre tenden Kurzschluss wird - bedingt durch den hohen induktiven Widerstand gegenüber dem ohmschen An teil - das Gleichstromglied im Kurzschlussstrom sehr langsam abklingen, so dass es bei normal aufgebauten Stromwandlern besonders bei hohen Kurzschlussströ- men sehr schnell zu Sättigungserscheinungen kommt,
welche die Messwerte verfälschen und ein fehlerhaftes Ansprechen der Selektivschutzeinrichtung verursachen. Der Sekundärstrom eines gesättigten Stromwandlers ent spricht dann dem Primärstrom weder in der Grösse noch in der Phasenlage, d. h. auch die Zeitpunkte der Null durchgänge von Primär- und Sekundärstrom stimmen nicht mehr überein. Dies hat zur Folge, dass auch in Differentialschutzeinrichtungen, bei denen aus der Lage der Nulldurchgänge auf die Richtung des Stromes ge schlossen wird, Fehlschaltungen auftreten können.
Um die bei hohen Strömen auftretenden Sättigungs erscheinungen zu beseitigen, hat man bereits Wandler in Spezialausführung gebaut, welche Eisenkerne mit gros sen Luftspalten oder auch reine Luftkerne und eine re lativ grosse Kupfermenge enthalten. Diese allgemein als Linearkoppler bezeichneten Wandler sind so ausge- legt, dass sie auch bei den höchstmöglichen Überströmen nicht in Sättigung geraten, jedoch ist die entnehmbare Leistung gegenüber den Normalwandlern sehr klein.
Wegen der äusserst geringen Leistung der oben be schriebenen Linearkoppler ist man daher gezwungen, für die Messwerke der nachgeschalteten Selektivschutz- einrichtungen, z. B. Distanzschutzrelais oder Differen- tialschutzrelais, teuere Sonderausführungen zu verwen den oder Verstärkerschaltungen vorzusehen.
Die neue Selektivschutzschaltung ist besonders für Höchstspannungsanlagen geeignet, bei denen zwischen dem kleinsten und dem grössten möglicherweise auftre tenden Fehlerstrom ein erheblicher Unterschied besteht. Eine richtige Abbildung erhält man erfindungsgemäss dadurch, dass für jeden abzubildenden Wechselstrom zwei Wandlerkerne vorgesehen sind, von denen sich nur einer bei hohen Strömen sättigt;
dass jeder Wand lerkern mindestens eine Sekundärwicklung trägt und dass zwischen die Sekundärwicklungen und den Aus lösekreis der nachgeschalteten Schutzeinrichtung eine stromabhängig schaltende Umschalteinrichtung geschal tet ist, die den Auslösekreis bei kleinen Fehlerströmen mit der Sekundärwicklung auf dem sättigbaren Kern und bei grossen Fehlerströmen mit der Sekundärwick lung auf dem nicht sättigbaren Kern verbindet.
Bei der neuen Lösung kommt man bei der Ver wendung von Linearkopplern ohne Sonderausführung für die Messwerke der Schutzeinrichtungen aus und be nötigt im allgemeinen auch keinen zusätzlichen Auf wand für die Stromwandlerschaltung, da als zweiter Wandlerkern einer der stets vorhandenen normalen Stromwandlerkerne mit herangezogen werden kann. Diese Vorteile lassen sich durch die neue Anordnung erreichen, weil die Leistung aller Stromwandler quadra tisch mit dem Primärstrom steigt bzw. fällt. Infolge dessen wird auch bei entsprechend hohem Primärstrom die Leistung eines Linearkopplers ausreichen, um nor male Schutzeinrichtungen zu betätigen.
In Figur 1 sind die einem Stromwandler zu ent nehmenden Leistungen N abhängig vom fliessenden Primärstrom Ip aufgetragen. Dabei stellt die Kurve N1 den Verlauf der entnehmbaren Leistung aus einem nor malen Wandlerkern und die Kurve N2 die einem Linear koppIer zu entnehmende Leistung dar.
Parallel zur Abszisse ist eine mit Na bezeichnete gestrichelte Linie aufgetragen, die beispielsweise die für das Ansprechen einer Schutzeinrichtung erforderliche Leistung darstel len soll.
Wie aus Figur 1 zu ersehen ist, wird in diesem Fall bei einem Primärstrom, der grösser ist als 31n, die dem Linearkoppler zu entnehmende Leistung ausrei chen, um ein sicheres Ansprechen der nachgeschalteten Schutzeinrichtung zu gewährleisten. Es genügt also bei diesem Beispiel, wenn der Kern des normalen Strom wandlers bei dem Stromwert 31n noch nicht gesättigt ist.
Die Umschalteinrichtung wird in diesem Fall so ein gestellt, dass beim Strom 3In die Sekundärwicklung auf dem normalen Kern ab- und diejenige auf dem nichtsättigbaren Kern (Linearkoppler) zugeschaltet wird.
Ein Schaltungsbeispiel ist in Figur 2 dargestellt. Die Leitung 1 führt den abzubildenden Wechselstrom. Sie ist durch einen Eisenkern 2 und einen Luftspaltkern 3 geführt, so dass sie die Primärwicklung für beide Kerne darstellt. Jeder Kern enthält ausserdem noch eine Se kundärwicklung 4 bzw. 5.
Zur Umwandlung der Se kundärströme in proportionale Spannungen und zum Schutz gegen Überspannungen sind an die Sekundär wicklungen Widerstände 6 bzw.. 7 angeschlossen. Die Sekundärwicklung 4 des Eisenkernes 2 ist über ein Amperemeter 8, die Wicklung 9 einer hier als Strom relais ausgebildeten Umschalteinrichtung, die Primär wicklung 10 eines Zwischenwandlers 11 und den in der Ruhestellung geschlossenen Umschaltkontakt 12 der Umschalteinrichtung verbunden.
In gleicher Weise ist die Sekundärwicklung 5 des Luftspaltkerns 3 über die in der Arbeitsstellung des Umschaltkontaktes 12 ge schlossenen Kontakte sowie über die Primärwicklung 12a des Zwischenwandlers<B>11</B> verbunden.
Die Win- dungszahlen der Primärwicklungen 10 und 12a des Zwischenwandlers 11 sind so gewählt, dass in der Se kundärwicklung 13 des Zwischenwandlers 11 ein dem Primärstrom im Leiter 1 proportionaler Strom fliesst, gleichgültig,
ob der Umschaltkontakt 12 seine Ruhe- oder Arbeitsstellung einnimmt. über den Zwischen- wandler 11 und auch über die Widerstände 6 und 7 ist also eine Anpassung der verschiedenen Übersetzungs verhältnisse der beiden Kerne möglich. Der Sekundär wicklung 13 des Zwischenwandlers 11 ist nun ein dem Primärstrom proportionaler Strom zu entnehmen, der z.
B. über den Widerstand 14 und die Zener-Dioden 15 zu einem Rechteckstrom bzw. einer Rechteckspannung umgewandelt werden kann. In dem den Zener-Dioden nachgeschalteten Transformator 16 wird diese Recht eckspannung differenziert, so dass sich in den Null durchgängen des Stromes J3 in der Wicklung 13 Impulse ergeben.
In Figur 2b sind untereinander der sinusför- mige Strom 13 in der Wicklung 13 und die am Trans formator 16 zu entnehmenden Impulse dargestellt, die beispielsweise zu dem anderen Ende der Leitung 1 über tragen werden können und in ihrer Phasenlage mit am anderen Leitungsende ähnlich gewonnenen Impulsen zu vergleichen sind. Für diesen Vergleich lässt sich dann eine Phasenvergleichseinrichtung verwenden, die wegen der ausreichenden, dem Stromwandler zu entnehmen den Leistung, einfach aufgebaut sein kann.
Eine andere Anwendungs- und Schaltungsmöglich keit zeigt Figur 3. Gleiche Teile sind hierin mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 2 versehen. Hier wird die Stromwandlerschaltung für einen Distanzschutz ausgenutzt. Der Zwischenwandler 11 entfällt. Dafür sind zwei Messwerke 17 und 18 für den Distanzschutz vorhanden. Die Eingangsklemmen für den Strom in das Messwerk 17 sind über die Wicklung 9 der Umschalt einrichtung an die Sekundärwicklung 4 angeschlossen. Die Eingangsklemmen für den Strom im Messwerk 18 sind unmittelbar an die Sekundärwicklung 5 geschaltet.
Ausserdem ist noch ein Spannungswandler 19 vorhan den, dessen Sekundärwicklung über Vorwiderstände 20 bzw. 21 an die Eingangsklemmen der Messwerke 17 und 18 für die Spannungen angeschlossen ist. Der abhängig vom Strom in der Wicklung 9 (Stromrelais)
umschal tende Umschalter 12 liegt in einem die Auslösespule 22 eines Leistungsschalters enthaltenden Auslösestromkreis und ist in der Ruhestellung über den Ausgangsstrom kreis des Messwerkes 17 und in der Arbeitsstellung über den Ausgangsstromkreis des Messwerkes 18 mit dem positiven Pol -I- einer Gleichspannungsquelle verbun den, deren negativer Pol - an dem mit dem Umschal ter 12 nicht verbundenen Ende der Auslösespule 22 des Leistungsschalters liegt.
Figur 4 zeigt die Stromwandlerschaltung für den Differentialschutz eines Sammelschienensystems mit den Abzweigleitungen 23, 24 und 25. Jede der Abzweiglei tungen 23 bis 25 ist durch einen Eisenkern 2 und einen Luftspaltkern 3 geführt. Die Kerne tragen jeweils wie in Figur 2 und 3 - die Sekundärwicklungen 4 bzw. 5.
In Reihe zu jeder Sekundärwicklung 4 liegt jeweils die Wicklung 26 eines Stromrelais. Jedes dieser Strom relais enthält einen Arbeitskontakt 27, die alle einerseits an den positiven Pol + einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind und andererseits über eine Verzö- gerungszeitstufe 28 und über die Wicklung 9 einer Um schalteinrichtung an den negativen Pol - der Gleich spannungsquelle geführt sind.
Die Sekundärwicklungen 4 sind alle parallel geschaltet und mit einem Differen- tialrelais 29 verbunden. In gleicher Weise sind die Se kundärwicklungen 5 einander parallel geschaltet und an ein Differentialrelais 30 angeschlossen. Wie in Figur 3 sind die Ausgangsstromkreise der Differentialrelais 29 und 30 über den zur Wicklung 9 zugehörigen Umschalt kontakt 12 mit einem Auslösekreis verbunden, der wie derum durch die Auslösespule 22 für einen oder meh rere Leistungsschalter angedeutet ist.
Durch die Verzögerungszeitstufe 28 wird bei an steigendem Fehlerstrom der Umschalter 12 verzögert be tätigt. Dadurch wird die höhere Leistung des normalen Wandlerkerns länger ausgenutzt. Da die Eisenkerne 2 in den ersten Halbwellen nach einem Kurzschluss bedingt durch das Gleichstromglied - noch nicht ge sättigt sind, wird der Strom während der Verzögerungs zeit noch richtig abgebildet. Die Verzögerungszeit der Verzögerungszeitstufe 28 hängt also von der Höhe eines zu erwartenden Gleichstromgliedes und von der Ab- klink zeitkonstanten desselben ab.
Auch bei dieser An ordnung ist gewährleistet, dass jeweils dasjenige Dif ferentialrelais zur Messung herangezogen wird, welches ein durch Sättigungserscheinungen nicht verfälschtes Er gebnis liefert und welches eine für die Auslösung aus reichende Leistung abgibt.
Neben den gebräuchlichen Wandlern mit Eisen bzw. Luftkernen und darauf aufgebrachten Sekundär wicklungen sind auch solche mit Hall-Generatoren oder magnetfeldabhängigen Widerständen bekannt, die sich in Luftspalten der Kerne befinden. Die neue Strom- wandlerschaltung lässt sich auch mit derartig aufge- bauten Wandlern verwirklichen. In diesem Fall treten die Anschlüsse der Hall-Generatoren bzw. der magnet feldabhängigen Widerstände an die Stelle der Sekundär wicklungen 4 bzw. 5.
Selective switching, especially for high-voltage systems With the increase in the power in the high-voltage networks and the resulting increase in the transmission voltages, the demands on the selective protection devices and the current transformers for mapping the currents flowing in the lines for the selective protection devices are increasing.
In networks with high voltages that are designed for the transmission of large powers, both very high and low short-circuit currents can occur - based on the nominal current - all of which must be mapped with sufficient accuracy by current transformers if correct measurement of the fault location is guaranteed should.
In addition, at maximum voltages, the ratio between the inductive and ohmic resistance of the lines and the transformers is very large in relation to the values in medium-voltage networks. In the event of a short circuit occurring at an unfavorable moment - due to the high inductive resistance to the ohmic component - the direct current element in the short-circuit current will decay very slowly, so that with normally constructed current transformers, especially with high short-circuit currents, saturation phenomena will occur very quickly.
which falsify the measured values and cause the selective protection device to respond incorrectly. The secondary current of a saturated current transformer then corresponds to the primary current neither in size nor in phase position, i.e. H. the times at which the primary and secondary currents cross zero no longer match either. As a result, faulty switching can also occur in differential protection devices in which the direction of the current is deduced from the position of the zero crossings.
In order to eliminate the saturation phenomena that occur with high currents, converters have already been built in special designs that contain iron cores with large air gaps or pure air cores and a relatively large amount of copper. These converters, generally referred to as linear couplers, are designed in such a way that they do not saturate even with the highest possible overcurrents, but the power that can be drawn is very small compared to normal converters.
Because of the extremely low performance of the linear couplers described above, one is therefore forced to use the measuring mechanisms of the downstream selective protection devices, e.g. B. distance protection relays or differential protection relays, expensive special designs to use or to provide amplifier circuits.
The new selective protection circuit is particularly suitable for high voltage systems in which there is a considerable difference between the smallest and the largest possible fault current. According to the invention, a correct mapping is obtained in that two converter cores are provided for each alternating current to be mapped, only one of which is saturated at high currents;
that each transformer core has at least one secondary winding and that a current-dependent switching device is connected between the secondary windings and the tripping circuit of the downstream protective device, which opens the tripping circuit for small fault currents with the secondary winding on the saturable core and for large fault currents with the secondary winding connects to the unsaturable core.
With the new solution, linear couplers can be used without a special design for the measuring elements of the protective devices and, in general, no additional effort is required for the current transformer circuit, since one of the normal current transformer cores that are always present can be used as the second transformer core. These advantages can be achieved with the new arrangement, because the performance of all current transformers increases or decreases squarely with the primary current. As a result, even with a correspondingly high primary current, the power of a linear coupler will be sufficient to operate normal protective devices.
In FIG. 1, the powers N to be drawn from a current transformer are plotted as a function of the primary current Ip flowing. Curve N1 represents the course of the power that can be drawn from a normal converter core and curve N2 represents the power to be drawn from a linear coupler.
A dashed line denoted by Na is plotted parallel to the abscissa and is intended to represent, for example, the power required for a protective device to respond.
As can be seen from FIG. 1, in this case with a primary current that is greater than 31n, the power to be drawn from the linear coupler is sufficient to ensure reliable response of the downstream protective device. In this example, it is sufficient if the core of the normal current converter is not yet saturated at the current value 31n.
In this case, the switching device is set in such a way that when the current is 3In, the secondary winding on the normal core is switched off and that on the non-saturable core (linear coupler) is switched on.
A circuit example is shown in FIG. Line 1 carries the alternating current to be mapped. It is passed through an iron core 2 and an air gap core 3, so that it represents the primary winding for both cores. Each core also contains a secondary winding 4 or 5.
To convert the secondary currents into proportional voltages and to protect against overvoltages, resistors 6 and 7 are connected to the secondary windings. The secondary winding 4 of the iron core 2 is connected via an ammeter 8, the winding 9 of a switching device designed here as a current relay, the primary winding 10 of an intermediate converter 11 and the switching contact 12 of the switching device, which is closed in the rest position.
In the same way, the secondary winding 5 of the air gap core 3 is connected via the contacts that are closed in the working position of the changeover contact 12 and via the primary winding 12a of the intermediate converter 11.
The number of turns of the primary windings 10 and 12a of the intermediate transformer 11 are selected so that a current proportional to the primary current in the conductor 1 flows in the secondary winding 13 of the intermediate transformer 11, regardless of
whether the changeover contact 12 is in its rest or working position. An adaptation of the different translation ratios of the two cores is thus possible via the intermediate converter 11 and also via the resistors 6 and 7. The secondary winding 13 of the intermediate converter 11 is now a proportional to the primary current can be seen, the z.
B. can be converted to a square-wave current or a square-wave voltage via the resistor 14 and the Zener diodes 15. In the transformer 16 connected downstream of the Zener diodes, this rectangular voltage is differentiated so that 13 pulses result in the zero crossings of the current J3 in the winding.
In FIG. 2b, the sinusoidal current 13 in the winding 13 and the pulses to be taken from the transformer 16 are shown, which can be transmitted, for example, to the other end of the line 1 and in their phase position with similarly obtained pulses at the other end of the line are to be compared. A phase comparison device can then be used for this comparison, which can be constructed simply because of the sufficient power to be taken from the current transformer.
Another possible application and circuit is shown in FIG. 3. Identical parts are given the same reference numerals as in FIG. Here the current transformer circuit is used for distance protection. The intermediate converter 11 is omitted. There are two measuring units 17 and 18 for distance protection. The input terminals for the current in the measuring mechanism 17 are connected to the secondary winding 4 via the winding 9 of the switching device. The input terminals for the current in the measuring mechanism 18 are connected directly to the secondary winding 5.
There is also a voltage converter 19 whose secondary winding is connected via series resistors 20 and 21 to the input terminals of the measuring units 17 and 18 for the voltages. Which depends on the current in winding 9 (current relay)
Umschal tend changeover switch 12 is in a trip coil 22 of a circuit breaker containing the trip circuit and is verbun in the rest position via the output circuit of the measuring mechanism 17 and in the working position via the output circuit of the measuring mechanism 18 to the positive pole -I- a DC voltage source, the negative Pole - is located at the end of the trip coil 22 of the circuit breaker not connected to the Umschal ter 12.
FIG. 4 shows the current transformer circuit for the differential protection of a busbar system with the branch lines 23, 24 and 25. Each of the branch lines 23 to 25 is led through an iron core 2 and an air gap core 3. As in FIGS. 2 and 3, the cores each carry the secondary windings 4 and 5, respectively.
The winding 26 of a current relay is connected in series with each secondary winding 4. Each of these current relays contains a normally open contact 27, all of which are connected on the one hand to the positive pole + of a DC voltage source and on the other hand via a delay time stage 28 and via the winding 9 of a switching device to the negative pole - the DC voltage source.
The secondary windings 4 are all connected in parallel and connected to a differential relay 29. In the same way, the secondary windings 5 are connected in parallel to one another and connected to a differential relay 30. As in Figure 3, the output circuits of the differential relays 29 and 30 are connected to the switching contact 12 associated with the winding 9 with a trip circuit, which in turn is indicated by the trip coil 22 for one or more circuit breakers.
Due to the delay time stage 28, the changeover switch 12 is actuated with a delay when the fault current increases. This means that the higher performance of the normal converter core is used longer. Since the iron cores 2 are not yet saturated in the first half-waves after a short circuit due to the direct current element, the current is still correctly mapped during the delay time. The delay time of the delay time stage 28 therefore depends on the level of a direct current element to be expected and on its decay time constant.
This arrangement also ensures that the differential relay is used for the measurement which delivers a result that is not falsified by saturation phenomena and which delivers sufficient power for triggering.
In addition to the common converters with iron or air cores and secondary windings applied to them, those with Hall generators or magnetic field-dependent resistors are also known that are located in the air gaps of the cores. The new current converter circuit can also be implemented with converters constructed in this way. In this case, the connections of the Hall generators or the magnet field-dependent resistors take the place of the secondary windings 4 and 5.