Erdschlussschutzeinrichtung in einem Ein- oder Mehrphasensystem Für den Erdschlussschutz in Ein- oder Mehrphasen systemen, die nicht- oder nur hochohmig geerdet sind, und auch für den Erdschlussschutz von elektrischen Maschinen wird im allgemeinen die bei einem Erd- schluss auftretende natürliche Verlagerungsspannung eines vorhandenen oder künstlich gebildeten Null- bzw. Sternpunktes gegenüber Erde herangezogen.
Diese Ver lagerungsspannung bringt beim überschreiten eines be stimmten einstellbaren Wertes ein Erdschlussrelais zum Ansprechen. Ein 100prozentiger Schutz für Wechsel- oder Drehstromsysteme, in denen elektrische Maschinen oder Transformatoren mit in Stern geschalteten Wick lungen vorhanden sind, lässt sich mit dieser Art des Erdschlussschutzes nicht erreichen, da ein auftretender Erdschluss im Sternpunkt oder in der Nähe desselben keine oder nur eine sehr kleine Verlagerungsspannung hervorruft und daher das Erdschlussrelais nicht zum Ansprechen bringt.
Aus diesem Grund können zur Erzielung eines voll ständigen Erdschlussschutzes zusätzlich zur Verlage rungsspannung die durch drei teilbaren, vom Genera tor erzeugten Spannungsoberwellen herangezogen wer den. Dadurch erreicht man, dass auch bei einem Erd- schluss im Sternpunkt über ein Erdschlussrelais ein Strom fliesst, der als Kriterium für das Vorhandensein eines Erdschlusses herangezogen werden kann.
Es gibt nun aber Maschinen, die nicht in jedem Belastungsfall ausreichend hohe durch drei teilbare Oberwellen hervorrufen, so dass die Verwendung der Oberwellenspannung nicht für einen vollständigen Erd- schlussschutz ausreicht. In diesen Fällen bleiben nur noch solche Schaltungen für den Erdschlussschutz übrig, bei denen eine künstliche Verlagerungsspannung verwendet wird.
Schaltet man z. B. zwischen Sternpunkt und Erde eine Gleichspannungsquelle ein, so erzielt man zwar auf eine einfache Weise einen vollständigen Erdschluss- schutz, jedoch wird die Verspannung des Sternpunktes mit einer Gleichspannung heute kaum noch angewen det, da sich infolge des Gleichstromes unangenehme Nebenerscheinungen an der Leiteroberfläche bzw. an der Isolation des Ständers der Maschine ergeben kön nen. Auch können durch den fliessenden Gleichstrom im Erdschlussfall Spannungswandler und andere gegen Erde geschaltete Induktivitäten in Sättigung geraten.
Ein solcher Spannungswandler täuscht aber beispiels weise für eine andere nachgeschaltete Schutzanordnung eine zu kleine Spannung vor, so dass ein Fehlanspre- chen erfolgen kann.
Es befriedigen aber auch diejenigen Schaltungen nicht vollständig, bei denen zwischen Sternpunkt und Erde eine Wechselspannungsquelle eingeschaltet ist. Hier muss man entweder eine relativ hohe künstliche Verlagerungsspannung wählen oder man muss durch Wahl eines kleinen Widerstandes im Erdschlusskreis einen relativ hohen Erdschlussstrom zulassen, wenn Störeinflüsse durch Schalthandlungen oder Kurzschlüs se im Netz unwirksam bleiben sollen.
Es ist zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten eine Anordnung vorgeschlagen worden, bei der zur Ver spannung des Sternpunktes eine Wechselspannung mit netzfremder Frequenz gewählt wird, so dass man auf Störeinflüsse aus dem Netz keine Rücksicht mehr zu nehmen braucht. Bei dieser vorgeschlagenen Anord nung kommt man mit einer relativ kleinen Verlage rungsspannung aus, doch lässt sich eine Verspannung des Sternpunktes auch hierbei nicht vollständig ver meiden, so dass die Spannungen der Phasenleiter durch die Verlagerungsspannung des Erdschlussschutzes an gehoben werden und so eine zusätzliche Isolation er forderlich machen bzw. die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Erd- oder Kurzschlusses vergrössern.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Erd- schlussschutzeinrichtung in einem Ein- oder Mehrpha- sensystem, durch die ein vollständiger Erdschlussschutz möglich ist, ohne dass eine Verlagerungsspannung zu- sätzlich zu der bei einem Erdschluss evtl. auftretenden Verlagerungsspannung vorgesehen werden muss.
Im Geg--nsatz zu allen bekannten Anordnungen wird das Erdschlussrelais bei jedem beliebigen Fehler zweckmäs- sig mit etwa dem gleichen Erdschlussstrom beaufschlagt, so dass der grösstmögliche Erdschlussstrom nicht we sentlich über dem Stromwert liegen muss, der gerade noch zum Ansprechen der Schutzeinrichtung ausreicht. Bei der neuen Erdschlussschutzeinrichtung werden Im pulssender benutzt, die eine bestimmte Zeit nach je dem auftretenden Spannungsmaximum einen Entla dungsvorgang auslösen, so dass der Spannung netzsyn chrone Impulse überlagert werden.
Diese Impulse tre ten jedoch niemals im Spannungsmaximum auf, so dass keine Erhöhung der Spannung erfolgt.
Ein derartiger Impulssender liegt bei einer bekann ten Schaltung für den Erdschlussschutz zwischen Stern punkt und Erde. Dadurch wird erreicht, dass der nor malerweise sinusförmige Erdschlussstrom in einzelne Impulse umgewandelt wird, so dass eine eindeutigere Unterscheidung des Erdschlussstromes von Störströmen möglich ist.
Im Gegensatz zu dieser bekannten Anord nung, bei der ein Impulssender zwischen Sternpunkt und Erde geschaltet ist, besteht die neue Erdschluss- schutzeinrichtung erfindung--gemäss darin, dass minde stens zwei einseitig geerdete Impulssender vorhanden sind, von denen jeder mit je einem von zwei Leitern des Einphasensystems oder jeder mit je einem Phasen leiter des Mehrphasensystems gekoppelt sind und dass zwischen die Impulssender und Erde eine Relaisanord nung zur Erfassung der Impulsströme eingeschaltet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 das Schaltbild eines Drehstromsystems mit Impulssendern und Erdschlussrelais, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Spannungen und des Impulsstromes bei einem Erdschluss im Sternpunkt, Fig.3 eine Darstellung der Verbindungswege für die Impulsströme und Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Spannungen und der Impulsströme beim Erdschluss eines Phasenleiters.
In Fig. 5 ist ein Beispiel für den Aufbau der Re laisanordnung zur Erfassung des Impulsstromes darge stellt, während die Fig. 6 bis 8 weitere Ausführungsformen bzw. An- schlussmöglichkeiten für die Impulssender enthalten. Der Generator 1 in Fig. 1 enthält die Feldwicklun gen 2, 3 und 4, die zu einem Sternpunkt 5 verbun den und ausserdem an die Phasenleiter R, S und T eines Drehstromsystems angeschlossen sind. Die Pha senleiter R, S und T sind ihrerseits mit den in Dreieck geschalteten Primärwicklungen eines Blocktransforma tors 6 verbunden.
Als Impulssender dienen hier soge nannte Kippdrosselsender, die jeweils aus einer Dros sel mit nahezu rechteckförmiger Magnetisierungsschlei- fe und einem dazu in Reihe geschalteten Kondensator bestehen. Die Kondensatoren 7, 8 und 9 dieser Kipp- drosselsender sind mit den Phasenleitern R, S und T verbunden, während die freien Enden der dazu in Reihe geschalteten Kippdrosseln 10, 11 und 12 zu einem Sternpunkt 13 zusammengeschlossen sind. Der Stern punkt 13 ist über die Primärwicklung eines Stromwand lers 14 mit Erde verbunden.
An die Sekundärwicklung eines Stromwandlers 14 ist ein Erdschlussrelais 15 über ein Filter 16 angeschlossen. Das Filter 16 hat die Auf- gabe, im wesentlichen nur die von den Impulssendern erzeugten Impulsströme an das Erdschlussrelais 15 weiterzugeben.
Ausserdem ist zwischen die Verbin dungspunkte der Kippdrosselsender mit den Phasenlei tern des Drehstromsystems und der Primärwicklung des Transformators 6 ein Stromwandlersatz 17 in Sum- menstromschaltung eingefügt, dessen SLkundärwicklun- gen über ein Filter 18 an ein zweites Erdschlussrelais 19 angeschlossen sind. Das Filter 18 und das Erd- schlussrelais 19 sind dabei genau so aufgebaut wie das Filter 16 mit dem Erdschlussrelais 15.
Das Erdschluss- relais 19 wird also zusammen mit dem Erdschluss- relais 15 dann ansprechen, wenn die Impulsströme ebenfalls über den Stromwandlersatz 17 fliessen. Dies ist nur dann der Fall, wenn in Fig. 1 ein Erdschluss rechts vom Summenstromwandler, also z. B. in der Wicklung des Transformators 6 vorliegt.
Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 wird anhand der Fig. 2 näher erläutert. Hier ist der zeitliche Verlauf der Phasenleiterspannung ER, Es, ET so wie der Verlauf des von den Impulssendern erzeugten Impulsstromes IP darg-stellt. Ein Impulsstrom fliesst immer, wenn ein Erdschluss in dem Drehstromsystem vorhanden ist. Er wird durch die Kippdrosselsender auf folgende Weise erzeugt: Zum Zeitpunkt to ist z. B. der Kondensator 7 auf den Maximalwert der Spannung ER aufgeladen und die Kippdrossel 10 ist gesättigt.
Vom Zeitpunkt to an nimmt die Spannung ER wieder ab, der Ladestrom des Kondensators 7 versucht in einen Entladestrom überzugehen, d. h. die Richtung des über die Kippdrossel 10 und den Kon densator 7 fliessenden Stromes kehrt sich um. Dadurch wird der Eisenkern der Kippdrossel 10 entsättigt. Wäh rend der Ummagnetisierungszeit fliesst so gut wie kein Strom, so dass der Kondensator 7 seine Ladung bis zum Zeitpunkt ti beibehält.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Drossel 10 vollständig ummagnetisiert und der Kon densator 7 kann sich von der Maximalspannung auf die Augenblicksspannung zum Zeitpunkt ti entladen. Dieser Entladungsvorgang ruft bei bestehendem Erd- schluss einen Stromimpuls IP hervor; er wird eine un wesentliche Verzerrung der Spannung ER zur Folge haben, wenn im Drehstromsystem kein Erdschluss vor handen ist. Dies lässt sich leicht aus der Darstellung der Fig. 3 ersehen.
Hier ist die Sternschaltung der Kipp- drosselsender mit den Kondensatoren 7 bis 9 und den Kippdrosseln 10 bis 12 sowie die Wicklungen 2 bis 4 des Generators 1 noch einmal dargestellt. Die ein gezeichneten Pfeile kennzeichnen den Weg der Impuls ströme, die vom Sternpunkt 13 über die Primärw*ck- lung des Stromwandlers 14 dann zum Sternpunkt 5 fliessen können, wenn der Sternpunkt 5 einen Erd- schluss aufweist. Dies wird in den Fig. 1 und 3 durch den Erdschlusspfeil Ei dargestellt.
Nimmt man nun an, dass ein Erdschluss nicht im Sternpunkt 5 besteht, sondern dass z. B. der Phasen leiter T an der Stelle des Erdzchlusspfeiles E2 in F*g. 1 mit Erde verbunden ist, so ist der Impulssender des Phasenleiters T ausser Betrieb, während die Impuls sender der Phasenleiter R und S eine um das dreifache erhöhte Spannung vorfinden. Die sich dann erg benden Spannungen und Ströme sind in Fig. 4 dargestallt. Wie man sieht, sind nur noch die Spannung ER und E4 vorhanden und der sich dann ergebende Impulsstrom IP hat den eingezeichneten Verlauf.
Im Unterschied zu dem Impulsstrom nach Fig. 2 entstehen also in ei ner Periode nur vier anstelle von sechs Stromimpulsen. Diese Stromimpulse haben jedoch wegen der erhöhten Spannung einen grösseren Maximalwert, so dass der für die Erwärmung der Erdschlussstelle massgebende Effektivwert des Impulsstromes und damit der über die Erdschlussstelle fliessende Erdschlussstrom nahezu in beiden Fällen gleich gross ist. Mit der vorliegenden Anordnung erhält man also einen Erdschlussstrom, des sen Wert weitgehend unabhängig von Fehlerort und Verlagerungsspannung ist.
Da der Maximalwert des Erdschlussstromes sich vom kleinstmöglichen Wert nicht wesentlich unterscheidet, wird auch im ungünstigsten Fall nur ein sehr geringer Strom über die Erdschluss- stelle fliessen, so dass Schäden durch den Erdschluss- strom nicht auftreten können.
Ein Beispiel für den Aufbau des Filters 16 mit dem nachgeschalteten Relais 15 ist in Fig. 5 dargestellt. Die mit der Sekundärwicklung des Stromwandlers 14 ver bundenen Anschlüsse sind über einen Eingangswandler 20 an einen Widerstand 21 geführt, an dem ein dem Erdschlussstrom proportionaler Spannungsabfall auf tritt. über einen Reihenkondensator 22 sowie über ein Filter 23 ist an den Widerstand 21 die Primärwick lung eines Wandlers 24 angeschlossen, an dessen Se kundärwicklung Gleichrichterelemente 25 und 26 in Mittelpunktschaltung liegen.
Die Gleichstromanschlüsse dieser Mittelpunktschaltung sind ausserhalb des Filters 16 an das Erdschlussrelais 15 geführt, dem zur Span nungsbegrenzung noch eine Zener-Diode parallel g> schaltet ist. Die nicht dargestellten Kontakte des Erd- schlussrelais können zur Meldung eines Erdschlusses oder zur Abschaltung des Drehstromsystems herange zogen werden, sie können aber auch zusammen mit Kontakten des Erdschlussrelais 19 zusätzlich zu einer Anzeige der Erdschlussstelle im Drehstromsystem aus genutzt werden.
Wie aus F g.4 zu ersehen ist, fehlt b--im Strom über die Erdschlussstelle jeweils der Strom des durch den Erdschluss kurzgeschlossenen Impulssenders. Um in jedem Fall einen Erdschlussstrom zu erhalten, sind also mindestens zwei Impulssender erforderlich. Man kann also z. B. die Kippdrossel 12 in Fig. 1 auch weg lassen; den Kondensator 9 wird man in der Praxis aber trotzdem vorsehen, damit keine unsymmetrische Belastung der drei Phasen durch die Kondensatoren 7 und 8 bestehen bleibt.
Die Impulssender können auch über Transforma toren angeschlossen werden. Eine derartige Schaltung zeigt Fig. 6. Anstelle der Impulssender sind in Fig. 6 Primärwicklungen der Koppeltransformatoren 27, 28 und 29 zwischen die Phasenleiter R, S, T und Erde geschaltet. Die Kondensatoren 7 bis 9 und die Kipp- drosseln 10 bis 12 liegen nun in Reihe zu den Sekun därwicklungen der Koppeltransformatoren 27 bis 29. Die Sekundärwicklungen und die Impulssender sind beide in Stern geschaltet und die Sternpunkte sind an das Filter 16 angeschlossen.
Es ist keineswegs erforderlich, dass als Impulssen der nur Kippdrosselsender verwendet werden. Es kommt nur darauf an, dass Stromimpulse jeweils eine gewisse Zeit nach dem Auftreten des Maximalwertes der Pha- senleiterspannungen ausgelöst werden. Fig.7 zeigt in einphasiger Darstellung eine Anordnung, bei der die Strom- bzw. Spannungsimpulse über gesteuerte Strom- richter ausgelöst werden. Der Phasenleiter R ist über den Koppeltransformator 30 mit Erde verbunden.
Die ser Koppeltransformator besitzt die Sekundärwicklun gen 31 und 32, die über gesteuerte Stromrichter 33 und 34 antiparallel an die Anschlüsse eines Impuls- kondensators 35 geschaltet sind. Der Impulskonden sator 35 ist über einen Begrenzungswiderstand ständig mit einer Gleichspannungsquelle 37 verbunden, so dass er unmittelbar nach jeder Entladung wieder aufgela den wird. Ausserdem ist in Reihe zu dem Impulskon densator 35 noch eine Drossel 36 geschaltet, die nach jedem Entladungsvorgang kurzzeitig eine Sperrspan nung an den steuerbaren Gleichrichtern 33 oder 34 hervorruft, so dass diese nach jedem Entladungsvor gang sicher sperren.
Die Zündimpulse der steuerbaren Gleichrichter 33 und 34 werden über hochohmige Vorwiderstände 38 und 39 sowie die D:oden 40 und 41 in Mittelpunkt schaltung von der Sekundärwicklung eines Sättigungs- wandlers 42 abgenommen, dessen Primärwicklung über Wechselstromwiderstände 43 und 44 zur Drehung der Phasenlage an eine dem Drehstromsystem entnomme ne Spannung angeschlossen ist.
Durch Veränderung der Wechselstromwiderstände 43 und 44, die hier als in duktiver und ohmscher Widerstand dargestellt sind, lässt sich die Phasenlage der Zündimpulse für die steuer baren Gleichrichter 33 und 34 einstellen. Die steuer baren Gleichrichter 33 und 34 rufen abwechselnd eine Entladung des Impulskondensators 35 hervor und über tragen auf die Primärwicklung des Koppeltransforma tors 30 über die antiparallel geschalteten Sekundärwick lungen 31 und 32 positive und negative Impulse auf die Spannung des Phasenleiters R.
In Fig. 8 ist der Koppeltransformator 30 zusammen mit den in Fig. 7 nicht dargestellten Koppeltransfor matoren 45 und 46 der Phasenleiter S und T noch einmal dargestellt. Hier ist in Reihe zu jedem Koppel transformator je ein aus der Parallelschaltung eines Kondensators mit einer Drossel bestehender Sperrkreis geschaltet. Diese Sperrkreise sind auf die Netzfrequenz abgestimmt, so dass die Belastung des Drehstromsy- stems durch die Sternschaltung der Koppeltransforma toren auf ein Minimum abgesenkt wird.
Die wesentlich höher frequenten Stromimpulse im Falle eines Erd- schlusses werden von d---n Kondensatoren in den Sperrkreisen 47 bis 49 ungehindert durchgelassen. Auf die Sperrkreise kann man insbesondere dann verzich ten, wenn die Impulse jeweils im Nulldurchgang der Phasenleiterspannungen gegeben werden. Die Sperr kreise sind wie die Impulssender in Fig. 1 zu einem Sternpunkt zusammengefasst und über die Primärwick lung des Stromwandlers 14 mit Erde verbunden.
Die beschriebene Einrichtung für den vollständigen Erdschlussschutz ist ebenso auf Wechselspannungs- systeme, z. B. für Einphasenmaschinen anwendbar. Hier wird an jeden der beiden vorhandenen Phasenleiter jeweils ein Impulssender angeschlossen. Da sich die Phasenlage der beiden Phasenleiterspannungen gegen über Erde nicht von einander unterscheiden, würden bei gleich ausgeführten Impulssendern die positiven und negativen Impulse zeitlich zusammenfallen. Dieses kann man aber leicht vermeiden, wenn man die Pha senlage der durch die einzelnen Impulssender erzeug ten Impulse in bezug auf die Spannung verschieden wählt.
Dies lässt sich bei Kippdrosselsendern z. B. leicht durch unterschiedliche Windungszahlen für die Kipp- drosseln oder durch unterschiedliche Dimensionierung der Eisenkerne erreichen. Die Wirkungsweise einer der artigen Anordnung ist dann die gleiche, wie die Wir kungsweise der beschriebenen Impulssender für ein Dreiphasensystem.