Mehrstufiges elektronisches Distanzrelais Gegenstand der Erfindung ist ein mehrstufiges elek tronisches Distanzrelais, bei dem die Distanzmessung in der Schnellstufe mittels Phasenvergleich von von Strom und Spannung des zu schützenden Netzes ab geleiteten Messgrössen erfolgt, bei dem für die Staffel stufen weitere Distanzmesseinrichtungen vorgesehen sind und bei dem,
die Distanzmesseinrnchtung der Schnell stufe nach Ablauf der Schnellzeit nicht umgeschaltet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ein faches mehrstufiges elektronisches Distanzrelais zu er stellen, bei dem die Distanzmessung in der Schnellstufe unvenzögert mittels Phasenvergleich von von Strom und Spannung des zu schützenden Netzes abgeleiteten Mess- grössen erfolgt. Dabei soll jedoch vermieden werden, dass für jede Staffelstufe eine weitere Distanzmesseinrichtung vorzusehen ist. Ausserdem sollen Fehlerquellen vermie den werden, die bei Verwendung elektronischer Ele mente zur Umschaltung der Messgrössen leicht auftreten können.
Derartige Fehlerquellen können vor allem bei Verwendung elektronischer Umschalter auf der Wechsel stromseite auftreten. Die Umschaltung der Messgrössen durch mechanische Kontakte, insbesondere auch Schutz gaskontakte, ist u. a. wegen ,deren Ansprechzeit sowie wegen der Möglichkeit von .Prellungen unerwünscht.
Es ist bereits ein mehrstufiges Distanzrelais be kannt, bei dem die Distanzmessung in der Schnellstufe mittels Phasenvergleich erfolgt. Für die Staffelstufen ist jeweils eine gesonderte D.istanzmesseinrichtung sowie ein gesondertes Zeitrelais vorgesehen. Diese gesonderten Distanzmesseinrichtungen sowie Zeitrelais bedingen einen erheblichen Aufwand.
Ferner ist bekannt, bei mehrstufigen Distanzrelais die stromproportionale Messgrösse mittels eines Trans- aktors in eine Spannung umzuwandeln. Auf der Sekun därseite des Transaktors befindet sich ein Spannungs- teiler mit verschiedenen Abgriffen, die die Einstellung der verschiedenen Impedanzwerte der einzelnen Stufen gestatten.
Die Einstellung der Staffelstufen erfolgt somit auf der Wechselstromseibe der stromproportionalen Messgrösse. Falls keine Mehrfachauslegung der Impe- danzmesseinrichtungen vorgenommen wird, .ist daher eine Umschaltung von Wechselgrössen erforderlich. Wird diese durch Kontakte vorgenommen, so stört deren endliche Ansprechzeit und vor allem die Möglichkeit von Prellungen, da diese .Eigenschaften der Ausnutzung des schnellen Ansprechvermögens elektronischer Di stanzrelais entgegenstehen.
Wird die Umschaltung jedoch mittels elektronischer Halbleiterelemente vorgenommen, so ergibt sich ein grosser Aufwand und idarüberhinaus im allgemeinen ,eine störende Beeinflussung der Mess- grössen. Beispielsweise erfordert die Umschaltung einer Wechselgrösse durch zwei antiparallel geschaltete Tran sistoren oder Vierschichttrioden die Beschaffung von zwei gegensinnigen Steuerströmen.
Die Transistoren sind in diesem Fall ausserdem noch durch entsprechend geschaltete mit ihnen in Reihe liegende Ventile zu schützen. Vor allem ergibt sich dabei durch die Schleu senspannung der Ventile bzw. die Restspannung in Durchlassrichtung der Vierschichttriodeneine störende Beeinflussung der Wechselstrommessgrössen.
Weiter ist ein Distanzschutz mit umschaltbaren Zeitstufen bekannt, bei dem dem Hilfsspannungswand- ler der Stufenzahl entsprechend Drosselwandler, vor geschaltet sind, welchen Transistoren über Kondensato ren parallel geschaltet sind. Bei diesem Distanzschutz wird ebenfalls die Umschaltung der Messgrössen auf der Wechselstromseite vorgenommen. Die verwendeten Transistoren sollen im Schaltbetrieb arbeiten und ausser dem die geschaltete Wechselstrommessgrösse in beiden Stromrichtungen führen können.
Auf jeden Fall wird jedoch die Messgenauigkeit durch den Spannungsabfall an den Transistoren und den Kondensatoren sowie die durch -die Kondensatoren bedingte Frequenzabhängig- keit, die eine unerwünschte Bevorzugung der Ober wellen ergibt, beeinträchtigt.
Ausserdem ist bereits eine Distanzmesseinrichtung bekannt geworden, die mittels Spannungsvergleich von von Strom und Spannung des zu schützenden Netzes abgeleiteten Messgrössen arbeitet. Bei dieser Distanz- messeinrichtung ist vor allem nachteilig, dass durch die unmittelbare Umwandlung der Messgrössen in Gleich spannungsgrössen zwecks Durchführung des Spannungs vergleichs insbesondere bei kleinen Messgrössen der ver änderliche Widerstand der Gleichrichter störend die Messgenauigkeit beeinflusst.
Der vorstehend dargelegte grosse Aufwand sowie die aufgezeigten Schwierigkeiten lassen sich nach der Erfin dung bei einem mehrstufigen elektronischen Distanz relais, bei dem die Distanzmessung in der Schnellstufe mittels Phasenvergleich von von Strom und Spannung des zu schützenden Netzes abgeleiteten Messgrössen er folgt, bei dem für die Staffelstufen weitere Distanz- messeinrichtumgen vorgesehen sind und bei dem die Distanzmesseinrichtung der Schnellstufe nach Ablauf der Schnellzeit nicht umgeschaltet wird, vermeiden.
Erfin dungsgemäss erfolgt dies dadurch, dass die Distanz messung in den Staffelstufen durch eine umschaltbare Distanzmesseinrichtung mittels Spannungsvergleich von von Strom und Spannung :des zu schützenden Netzes abgeleiteten Messgrössen vorgenommen wird.
Durch die Verwendung zweier verschiedener elek tronischer Messverfahren wird der Aufwand bei mehr stufigen elektronischen Distanzrelais erheblich verrin gert. Darüberhinaus ergibt sich sogar für die Schnell stufe noch eine grössere Betriebssicherheit. Die Distanz messung in der Schnellstufe kann nämlich bei dem erfindungsgemässen Distanzrelais sowohl mittels Phasen vergleich als auch etwas verzögert mittels Spannungs vergleich vorgenommen werden. Damit wird allgemein die Betriebssicherheit bei dem erfindungsgemässen Distanzrelais grösser. Die geringere Arbeitsgeschwindig keit bei einer Distanzmessung mittels Spannungsver gleich stört dabei nicht.
Die Staffelstufen sprechen ja ohnehin verzögert an. Ausserdem gestattet die Durch- führung der Distanzmessung mittels Spannungsvergleich eine Umschaltung der Messgrössen auf der Gleichstrom seite, so dass bei dem erfindungsgemässen Distanzschutz weiter einerseits der Vorteil der sehr schnellen Distanz messung in der Schnellstufe mittels Phasenvergleich erhalten bleibt, ohne dass anderseits die ,Schwierigkeit der Umschaltung von Wechselgrössen in Kauf genom men werden muss.
In einer bevorzugten Ausführung des erfdndungs- gcmässen Distanzschu@tzeis wird die der Spannung d'es zu schützenden Netzes proportionale Messgröss:e in einen eingeprägten Strom umgewandelt, aus dem dann die für den Spannungsvergleich verwendete Messgrösse abgleitet wird. Zweckmässigerweise ist dazu in Reihe mit der Primärwicklung des Wandlers im Spannungspfad ein ohmscher Widerstand angeordnet.
Durch diese Mass nahme lässt sich weitgehend der spannungsabhängige Widerstand der im Spannungspfad angeordneten Gleich richter eliminieren. Ausserdem ist günstigerweise die Windungszahl der Primärwicklung des,
Wandlers im Spannungspfad kleiner als die Windungszahl der Sekun därwicklung gewählt. Die Sekundärspannung wird damit höher als die Primärspannung und bleibt daher auch bei relativ kleinen Primärspannungen grösser als die Schleusenspannung der Gleichrichter. Auf diese Weise wird eine genaue Impetanzmessung auch bei relativ kleinen Primärspannungen ermöglicht.
Ferner ergibt die Wahl der Windungszahlen vorteilhafterweise kleine bei einer Stufenumschaltung mittels Transistoren zu schal tende Sekundärströme. Diese wiederum ergeben eine nur geringe Restspannung an dem jeweiligen Schalt transistor, so dass der dadurch bedingte Messfehler klein gehalten- wird. Ferner kann günstigerweise bei kleinen Strömen im Emitter-Kollektor-Kreis eines Transistors eine hohe Ansteuerung im Basis-Kreis des Transistors ohne grossen Aufwand erfolgen, die Voraussetzung für eine geringe Restspannung ist.
Bei der praktischen Ausführung :des erfindungs gemässen Distanzrelais hat es sich als besonders zweck mässig erwiesen, den Messkreis für den Spannungsver gleich der gleichgerichteten Messgrössen derart auszu legen, dass die spannungsproportionale Messgrösse nach deren Gleichrichtung an einem konstanten Widerstand sowie einem stufenweise umschaltbaren Widerstand ab fällt und dass die dem Strom proportionale Messgrösse nach deren Gleichrichtung an einem weiteren konstanten Widerstand abfällt.
Der umschaltbare Widerstand sowie der weitere konstante Widerstand sind miteinander ver bunden, und die Messgrösse für die Impedanzmessung wird als Differenz der Spannungsabfälle an diesen Widerständen abgegriffen. Der im Spannungspfad in Reihe mit dem umschaltbaren Widerstand! angeordnete konstante Widerstand :ist derart bemessen, dass auch bei völligem Kurzschliessen des umschaltbaren Widerstandes eine ausreichende Glättung der gleichgerichteten Span nungsgrösse erfolgt. Damit wird eine störende Beein flussung einer nachgeschalteten K:ppstuè durch die Restwelligkeit vermieden.
Es ist günstig, parallel zu dem weiteren konstanten Widerstand und dem umschaltbaren Widerstand eine Diode sowie parallel zu dem umschaltbaren Widerstand eine Zenerdiode zu schalten, wobei bezüglich der gleichgerichteten stromproportionalen Messgrösse die Diode in Durchlassrichtung, die Zenerdiode in Durch bruchsrichtung gepolt sind. Die Messgrösse für die Im pedanzmessung wird zweckmässigerweise einem Transi stor zugeführt, der durch entsprechende Wahl seiner Vorspannung leitend gesteuert ist und bei Auslösung des Distanzrelais gesperrt wird.
Damit lässt sich wirk sam :der Transistor vor den bei einer Impedanzmessung im Kurzsehlussfall auftretenden hohen Überströmen schützen.
Im folgenden soll die Erfindung anhand des in der Figur gezeigten schematischen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel wurde der Übersichtlichkeit wegen auf die Darstellung der erfindungsgemäss vorgesehenen umschaltbaren Distanz- messeinrichtung beschränkt.
Die vom Strom des zu schützenden Netzes abgelei tete stromproportionale Messgrösse I wird über die Klemmen 1, 2 :dem Wandler 3 zugeführt. Diesem ist sekundärseitig ein nicht näher bezeichneter Kondensator zur Ableitung hochfrequenter Störungen sowie eine Gleichrichterbrücke 4 nachgeschaltet.
Die von der Spannung des zu schützenden Netzes abgeleitete spannungsproportionale Messgrösse U wird über die Klemmen 5, 6 dem Wandler 7 zugeführt. In Reihe mit der Primärwicklung des Wandlers 7 ist ein ohmscher Widerstand 32 geschaltet. Der Widerstand 32 und :der Wandler 7 sind derart ausgelegt, dass der Sekundärstrom des Wandlers 7 eingeprägtes Verhalten besitzt. Ferner ist die Windungszahl der Primärwicklung des Wandlers 7 kleiner als dessen sekundäre Windungs- zahl. Dadurch ergeben sich sekundärseitig entsprechend höhere Spannungen und kleinere Ströme.
Die Sekundär spannung bleibt somit auch bei relativ kleinen Primär spannungen grösser als die Schleusenspannung der auf der Sekundärseite des Wandlers 7 in einer Gleichrichter brücke 8 angeordneten Gleichsiebter. Ausserdem lassen sich kleine Sekundärströme mit geringeren Messfehlern durch Transistoren schalten. Der ferner noch sekundär- seitig vorgesehene nicht bezeichnete Kondensator dient zur Ableitung von hochfrequenten Störungen.
Der Gleichrichterbrücke 8 sind ein konstanter Wi derstand 13 sowie ein umschaltbarer Widerstand 12 nachgeschaltet. An den Widerständen 12, 13 fällt ;die gleichgerichtete spannungsproportionale Messgrösse ab. Parallel zu den Widerständen 12, 13 liegt ein Konden sator 10. Er dient zur Glättung. Der konstante Wider stand 13 ist derart bemessen, dass sich auch bei kurz geschlossenem Widerstand 12 noch eine ausreichende Glättung ergibt. Der Gleichrichterbrücke 4 sind ein konstanter Widerstand 11 und ein Glättungskondensa- tor 9 nachgeschaltet.
Je eine Klemme der Gleichrichterbrücken 4, 8 der Kondensatoren 9, 10 und der Widerstände 11, 12 sind derart miteinader verbunden, dass die Messgrösse für die Impedanzmessung als Differenz der Spannungs abfälle an den Widerständen 11, 12 abgegriffen werden kann. Parallel zu dem Widerstand 11 und dem Wider stand 12 ist eine Diode 14 geschaltet, die bezüglich der gleichgerichteten stromproportionalen Messgrösse in Durchlassrichtung gepolt ist.
Ferner ist parallel zu dem umschaltbaren Widerstand 12 eine Zenerdiode 33 an geordnet, die bezüglich der gleichgerichteten strompro portionalen Messgrösse in Durchbruchsrichtung gepolt ist. Bei grossen überströmen wird die Durchbruchs spannung der Zenerdiode 33 überschritten, womit der artige Ströme dann über die Diode 14 und die Zener- diode 33 abgeleitet wenden.
Die an den Widerständen 11, 12 für die Impedanz messung abgegriffene Messgrösse liegt am Eingang des Transistors 17 an. über die Widerstände 15, 16 erhält der Transistor 17 von der an der Klemme 22 anliegen den negativen Versorgungsspannung eine derartige Vor spannung, dass er leitend gesteuert ist. Bei Auslösung des Distanzrelais, wenn also die gemessene Impedanz einen vorgegebenen Wert unterschreitet, wird der Tran sistor 17 gesperrt. In diesem Fall ist nämlich die am Widerstand 11 abfallende stromproportionale Grösse grösser als die entsprechend entgegengesetzt gepolte am Widerstand 12 abfallende spannungproportionale Grösse.
Die stromproportionale Grösse wirkt ;dann auf den Transistor 17 sperrend.
Parallel zu der Emitter-Kollektor-Strecke des Tran sistors 17 liegt der Kondensator 18 eines glättend wir kenden RC-Gliedes 18, 19. Dem Transistor 17 ist eine Kippstufe mit einstellbarem Rückfallverhälbnis nach geschaltet. Von dieser Kippstufe sind nur die Transi storen 20, 21 sowie der im Rückkopplungskreis liegende einstellbare Widerstand 34 bezeichnet. Die Kippstufe wird bei einem Sperren des Transistors 17 über den Widerstand 19 des RC-Gliedes 18, 19 angesteuert. Bei einer Ansteuerung wird der Transistor 20 leitend, der Transistor 21 gesperrt. An der Klemme 25 erscheint dann ein negatives Ausgangssignal.
Das Rückfallverhältnis der Kippstufe 20, 21 wird durch eine entsprechende Einstellung des Widerstandes 34 derart bemessen, dass im Zusammenwirken mit der Welligkeit der gleichgerichteten Messgrössen sich (ein Halteverhältnis von annähernd; eins( ergibt. Diese Wel ligkeit wird insbesondere durch die Bemessung der Kondensatoren 9, 10 und 18 bestimmt.
Die Einstellung der Staffelstufen des Distanzrelais erfolgt mittels Transistoren 26, 27. Der Emitter dieser Transistoren ist jeweils - wie aus der Figur ersichtlich - n üt einer Klemme des Widerstandes 12, der Kollektor mit einem Abgriff desselben verbunden.
Die Transisto ren 26, 27 erhalten über die Klemme 24 ein positives sperrend wirkendes Steuersignal. .Ein negatives Steuer signal wird von einem nicht dargestellten Zeitwerk über die Klemme 28 bzw. 29 der Basis des Transistors 26 bzw. 27 zugeführt. Bei Vorliegen eines negativen Steuer signales sind die Transistoren 26 bzw. 27 leitend, wo mit der entsprechende Teil des Widerstandes 12 kurz geschlossen wird.
Durch den Abgriff 35 wird am Widerstand 12 die für die Schnellstufe wirksame Reichweite, durch den mit dem Kollektor des Transistors 26 verbundenen Abgriff die für die erste Staffelstufe wirksame Reich weite und durch den mit dem Kollektor des Transistors 27 verbundenen Abgriff die für die zweite Staffelstufe wirksame Reichweite eingestellt.
Ferner ist ein Transistor 30 vorgesehen, der im fehlerfreien Fall des zu schützenden Netzes über die Klemme 31 ein negatives Signal erhält. Er ist dann leitend, womit an der Klemme 25 das an der Klemme 23 anliegende Null-Signal praktisch ebenfalls anliegt.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Distanz relais ist folgende.
Liegt innerhalb der mittels des Abgriffes 35 am Widerstand 12 eingestellten Reichweite der Schnell stufe ein Fehler vor, so ist die Impedanz der über wachten, in der Figur nicht dargestellten Leitung kleiner als der mit der Einstellung an 12 vorgegebene Wert I , d. h. I ist grösser als U. Die am Widerstand 11 ab fallende stromproportionale Grösse ist somit grösser als die am Widerstand 12 abfallende spannungsproportio- nale Grösse. Die Differenz dieser Grössen wirkt dann auf den Transistor 17 sperrend.
Mit dem Sperren von 17 wird die Kippstufe 20, 21 angesteuert, wodurch der. Transistor 20 leitend und der Transistor 21 gesperrt werden. Am Kollektor von 21 ergibt ;seich ein negatives Signal, das praktisch gleich der an der Klemme 22 anliegenden Versorgungsspannung ist. Dieses Signal wird über den Ausgang 25 beispielsweise der Auslöse einrichtung eines Schalters zugeführt, sofern nicht der Ausgang 25 durch den Transistor 30 praktisch auf Nullpotential gehalten wird.
Dies ist im leitenden Zu stand desselben der Fall.
Liegt auf der vom Impedanzrelais geschützten Lei tung kein Fehler, vor, so ist das Verhältnis von Span nung zu Strom derselben grösser als der durch die Ein stellung des Abgriffes 35 vorgegebene Wert. Die am Widerstand 12 abfallende spannungsproportionale Grö sse ist dann grösser als die am Widerstand 11 abfallende stromproportionale Grösse. Der Transistor 17 und damit auch der der Transistor 21 der Kippstufe 20, 21 bleiben in diesem Fall leitend.
Am Kollektor von 21 liegt dann praktisch das an der Klemme 23 anliegende Bezugs potential an (O,Signal). Das an der Klemme 25 anlie gende Signal ist jedoch durch den Transistor 30 be stimmt, falls dieser leitend ist.
Im Fehlerfall wird durch ein nicht dargestelltes Relais (das .in der Figur gezeigte Relais angeregt. Bei einer Anregung fällt das negative Signal an der Klemme 31 weg. Der Transistor 30 erhält eine positive Vor spannung und sperrt. Damit wird der Schaltzustand des Transistors 21, der demjenigen des Transistors 17 ent spricht und von der gemessenen Impedanz abhängig ist, abgefragt, so dass bei Feststellung eines Fehlers innerhalb der eingestellten Reichweite dann ein Aus lösesignal über die Klemme 25 an einen Schalter ab gegeben wird.
Diese Abfragung des gemessenen Impedanzwertes läuft parallel zur Impedanzmessung mittels einer Pha- senvergleichsmessschaltung, die ebenfalls bei Anregung freigegeben wird.
In der Schnellstufe erfolgt also die Impedanzmessung durch zwei voneinander unabhängige Messverfahren. Dies erhöht wesentlich die Betriebs sicherheit der gesamten geschützten Leitung, da die Wahrscheinlichkeit eines Eingreifens der als Reserve schutz arbeitenden ,Staffelstufen durch die doppelte Mes sung in der Schnellstufe wesentlich herabgesetzt wird. In erwünschter Weise werden daher im Fehlerfall not wendige Abschaltungen auf Aden betroffenen Leitungs abschnitt beschränkt.
Mit der Anregung wird weiter ein nicht dargestell tes Zeitrelais in Gang gesetzt. Nach Ablauf der Schnell- zeit gibt dieses ein negatives Signal auf den Eingang 28, nach Ablauf der ersten Staffelzeit ein negatives Signal auf den Eingang 29. Dadurch wird der Transistor 26 (bzw. 27) leitend und schliesst - entsprechend der vor gesehenen Einstellung - einen Teil des Widerstandes 12 kurz. Die spannungsproportionale Grösse wird damit verkleinert, so dass grössere Impedanzen gemessen wer den.
Die Reichweite des Impedanzrelais wird also ent sprechend vergrössert. Die Impedanzmessung selbst läuft in gleicher Weise - wie im Zusammenhang mit der Schnellstufe beschrieben - ab.