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Verfahren zum Messen der Fehlerstellenentfernung bei Leitungskurzschlüssen
Obwohl die Abschaltung einer fehlerbehaiteten Leitung über den größten Teil der
Leitung durch Kurzschlußschutzrelais in sehr kurzer Zeit erfolgt, um die Schäden
klein zu halten, ist es doch erwünscht, die Entfernung der Fehlerstelle zu kennen.
Infolge der schnellen Arbeitsweise der Kurzschlußschutzrelais ist es jedoch nicht
mehr möglich, die Fehlerstellenentfernung aus der Kennlinie der Relais zu ermitteln.
Auch um übliche Meßinstrumente zu betätigen, ist die Zeit der Abschaltung zu knapp.
Um diese Schwierigkeiten zu beheben, ist es bekannt, den im Augenblick des Fehlereintritts
im Strom- und Spannungspfad einer kranken Leitung vor deren Abschaltung bestehenden
Zustand in Kondensatoren zu speichern, wobei zur Speicherung die Zeit ausgenutzt
wird, welche zwischen dem Ansprechen der Schutzeinrichtung und dem Abschalten der
kranken Leitung durch von der Schutzeinrichtung gesteuerte Schalter liegt. Der Ladungszustand
der beiden Kondensatoren wird über je ein hochohmiges Röhrenvoltmeter zur Anzeige
gebracht, und aus den abgelesenen Werten für Kurzschlußstrom und Spannung auf der
Leitung muß der Widerstand der Leitung und aus ihm die Fehlerstellenentfernung berechnet
werden. Es ist bekannt, nach dem Abschalten der kranken Leitung selbsttätig oder
von Hand eine Abtasteinrichtung, z. B. einen Wähler in Verbindung mit empfindlichen
Relais, in Gang zu setzen, der die Ladung der Speicherkondensatoren prüft und dabei
die Entfernung der Fehlerstelle feststellt.
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Bei der Anordnung gemäß der Erfindung wird in bekannter Weise auch
ein Kondensator innerhalb der zwischen dem Kurzschlußfall und der Abschaltung der
Leitung zur Verfügung stehenden Zeit auf den Scheitelwert einer der im Kurzschlußfall
an der Leitung auftretenden Spannung proportionalen Meßspannung und ein zweiter
Kondensator in der gleichen Zeit auf eine dem im Kurzschlußfall auftretenden Strom
proportionale Meßspannung aufgeladen. Zur Auswertung des Ladungszustandes der beiden
Speicherkondensatoren geht die Erfindung in Abweichung von der bekannten Anordnung
jedoch einen anderen Weg, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Spannungsverhältnisse
in den Ladestromkreisen der beiden Kondensatoren so gewählt sind, daß die Spannung
am zweiten Kondensator, sofern der Fehlerort innerhalb des zu überwachenden Leitungsstückes
liegt, größer ist als die Spannung am ersten Kondensator und daß nach Abschaltung
der Ladestromkreise der auf die stromproportionale Spannung aufgeladene Kondensator
bis zur Spannungsgleichheit mit der Spannung am Kondensator, dessen Ladung der Spannung
an der Leitung proportional ist, entladen wird und die hierbei verlaufende Zeitspanne
als Maß für die Fehlerstellenentfernung dient.
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In der Fig. list zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung
ein Ausführungsbeispiel wiedergegeben. Tritt ein Kurzschluß auf der Leitung L auf,
so spricht das Relais An an und schließt seinen Kontakt an. Die mit U
bezeichneten
Klemmen liegen an dem Spannungspfad (Wandler Tr1) und die mit J bezeichneten Klemmen
an dem Strompfad (Wandler Tr2) der kranken Leitung.
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Durch Überbrücken der Klemmen A mittels des Kontaktes an erfolgt die
Ingangsetzung der Speicherung des Leitungszustandes, während weiterhin noch ein
Auslöseanreiz zur Abschaltung der Leitung weitergegeben wird.
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Bis zum Wirksamwerden der Abschaltung geht folgendes vor sich: Nach
Überbrücken der Klemmen A durch den Kontakt an spricht das Relais R1 an. Es legt
über seinen Kontakt al den Spannungspfad an die Gleichrichteranordnung G11 und über
seinen Kontakt b1 den Strompfad an die Gleichrichteranordnung Gel2, wobei außerdem
infolge Öffnens seiner Kontakte c1 und dl ein Kurzschluß der Meßkondensatoren C1
und C2 aufgehoben wird. Somit wird die auf der kranken Leitung auftretende Spannung
als Meßspannung bzw. die dem über die kranke Leitung fließenden Strom proportionale
Meßspannung über den Widerstand Wil bzw. Wi2 an die Meßkondensatoren C1 bzw. C2
gelegt. Diese Kondensatoren werden jeweils auf den Scheitelwert der zugehörigen
Meßspannungen aufgeladen. Der Meßkondensator C2 wird hierbei durch geeignete Übersetzung
der zugeführten Meßspannungen immer auf einen höheren Spannungswert aufgeladen als
der Meßkondensator C1. Etwa 11/2 Perioden der Betriebsfrequenz nach Überbrückung
der Klemmen A spricht das durch Parallelschaltung des Kondensators C4 ansprechverzögerte
Relais R2 an. Durch Umlegen seiner Kontakte a2 und b2 schaltet das Relais R2 die
Meßkondensatoren C1 und Cs ab und legt durch Schließen des Kontaktes c2 den Widerstand
Wi6 parallel zum Kondensator C2. Außerdem wird
durch Öffnen des
Kontaktes d2 und durch Schließen des Kontaktes a3 des inzwischen betätigten Relais
R2 (polarisiertes Relais) eine Aufladung des Kondensators C3 ermöglicht. Das Relais
R3, dessen eine Wicklung im Anodenstromkreis der Röhre Röl liegt, ist nämlich durch
einen Gegenstrom in seiner zweiten Wicklung über den Widerstand Wi7 so kompensiert,
daß bei der Spannung Null am Steuergitter der Röhre Röl der Kontakt a3 geöffnet
ist. Ist aber infolge der Ungleichheit der Ladungen der Meßkondensatoren C1 und
C2 eine negative Spannung an das Steuergitter der Röhre Röl gelangt, so wird das
Relais R3 so betätigt, daß sein Kontakt a3 geschlossen wird und mit der Entladung
des Meßkondensators C2 die schon erwähnte Aufladung des Kondensators C3 erfolgt.
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Ist der Meßkondensator C2 so weit entladen, daß seine Spannung der
Spannung am Meßkondensator C1 entspricht, so verschwindet die negative Vorspannung
an der Röhre Röl, so daß das Relais R3 wieder kompensiert ist und die weitere Aufladung
des Kondensators C3 durch Öffnen des Kontaktes a3 unterbricht. An dem parallel zum
Kondensator C3 liegenden Indikator J1 kann bei entsprechender Eichung die Fehlerstellenentfernung
sofort abgelesen bzw. durch einen Haltebügel der Zeiger des Indikators J1 und damit
der Einstellwert festgehalten werden.
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Mit Hilfe des Widerstandes Wi5 kann die Linearität der Indikatorskala
eingestellt werden. Die Zeitspanne, in der die Entladung des Meßkondensators C2
bis zur Spannungsgleichheit mit dem Meßkondensator C1 erfolgt, stellt, wie im folgenden
nachgewiesen wird, ein Maß für die Fehlerstellenentfernung dar.
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Bezeichnet man die Spannung am Kondensator C1, die der Spannung auf
der Leitung am Meßort im Kurzschlußfall entspricht, mit Ulk und die am Kondensator
C2 stehende, dem Kurzschlußstrom proportionale Spannung mit U2k, so lassen sich
folgende Beziehungen angeben: Die Spannung am Kondensator C2 beim Auftreten des
Kurzschlusses ist U2k = K2 . J2 wobei J2k der Kurzschlußstrom und K2 ein vom Übersetzungsverhältnis
des Stromwandlers Tr2 und vom Widerstand der Leitungsschleife abhängiger Proportionalitätsfaktor
ist. Hieraus läßt sich der Widerstand der Leitung im Kurzschlußfall berechnen, der
sich aus der Gleichung K0Z Jzr ergibt, worin Ko ein Proportionalitätsfaktor ist,
der die Übersetzungsverhältnisse beider Wandler berücksichtigt, und Z den Widerstand
im Kurzschlußfall bezeichnet, der mit der Leitungslänge L bis zur Fehlerstelle durch
die Gleichung Z = Z0 L gegeben ist, wobei Z0 den Widerstandsbelag der Leitung, gemessen
in Q/km, bedeutet und L die Leitungslänge, gemessen in km.
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Wie bei der Beschreibung der Schaltung bereits ausgeführt wurde,
ist die Spannung U2k am Kondensator C2 größer als die Spannung Ulk am Kondensator
C1. Wird jetzt der Kondensator C2 so lange entladen, bis die Spannung U2 am Kondensator
C2 gleich Ulk ist, so ergibt sich für den Spannungsverlauf am Kondensator C2 während
des Entladevorganges die Zeitfunktion
woriia T2 die Entladezeitkonstante für den Kondensator C2
bedeutet. Für die Zeit
der Entladung gelten folgende Grenzen: für t--O ist U2--- U2e, für t = t0 ist U2
= U1.
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Hieraus folgt, daß
Damit ergibt sich für die Entladezeit U2 U1 k Formt man diese Gleichung entsprechend
dem oben erläuterten Zusammenhang zwischen dem Widerstand Z der Leitung und der
Spannung U2k am Kondensator C2 um, so ergibt sich, daß
Hierbei würde zur Vereinfachung K2 = K0.4 - K3 gesetzt.
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Es ist ersichtlich, daß die Zeitspanne t0 ein eindeutiges Maß für
die Fehlerstellenentfernung L ist.
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Da die obige logarithmische Abhängigkeit zwischen der Fehlerstellenentfernung
L und der Entladezeit t0 für die Anzeige im allgemeinen wenig geeignet ist, soll
die obige Beziehung auf elektrischem Wege in eine möglichst lineare Beziehung umgewandelt
werden. Hierzu wird während der Zeit t0 der Entladung der Ladezustand eines Hilfskondensators
C3 geändert, so daß die Spannung an diesem Hilfskondensator ein Maß für die Fehlerstellenentfernung
ist.
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Lädt man z. B. einen Kondensator C3 aus einer Batterie mit der Spannung
UB mit einer Zeitkonstanten T8 während der Zeit t0 auf, so ergibt sich für den Spannungsverlauf
am Kondensator C3 die Zeitfunktion
Hierbei gelten die Grenzwerte: für t=O ist U2=O, für t= to ist U3= U20, d. h.
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Setzt man in dieser Gleichung für
den aus der obigen, mit (*) bezeichneten Gleichung ge
wonnenen Wert
für
ein, so ergibt sich
Durch Verändern von T2 bzw. T3 (Widerstand W,) läßt sich der Ausschlag des Anzeigeinstrumentes
in Abhängigkeit von der Fehlerstellenentfernung einstellen, so daß ein gewünschter
Skalenverlauf erzielt werden kann. Durch geeignete Bemessung der Zeitkonstanten,
nämlich T2 = T2, läßt sich das Verhältnis vereinfachen zu U30 = UB (1-K4.L), d.
h., die Spannung U30 ist der Leitungslänge L bis zur Fehlerstelle proportional.
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Wird während der Zeit t0 ein Kondensator C3 nicht wie im vorhergehenden
Beispiel aufgeladen, sondern von einer Ausgangsspannung UB' entladen, so verläuft
die Entladung nach der folgenden Funktion:
so daß die Spannung am Kondensator C3 nach der Zeit t0 den Wert U30, hat.
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Wählt man auch hier die Zeitkonstanten der Entladestromkreise derart,
daß T3, = T2, so wird K U301 = UBI ' KO .Z = K41L r K2 d. h., die Spannung am Kondensator
C3 ist der Fehlerstellenentfernung L direkt proportional. K4, ist dabei ein von
der Höhe der Batteriespannung, dem Übersetzungsverhältnis der Wandler und dem Widerstandsbelag
der Leitung abhängiger Faktor.
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In der Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Hier
wird die wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 an die Klemmen U gelegte Meßspannung
durch den Wandler Tr3 auf die Hälfte herabgesetzt, um die Gleichrichteranordnung
Gl3 nicht zu überlasten, während die dem Strom proportionale Meßspannung, welche
an die Klemmen J gelegt wird, durch den Wandler Tr4 auf den vierfachen Wert gebracht
wird. Diese Maßnahme ist erforderlich, um bei kleiner Entfernung der Fehlerstelle
und kleinem Fehlerstrom nicht allzu geringe Spannungen an der Gleichrichteranordnung
G13 zu erhalten. Da die der Spannung auf der Leitung am Fehlerort proportionale
Meßspannung bei gegebenem Kurzschlußstrom und damit bei gegebenener Spannung an
der Gleichrichteranordnung Gt4 mit abnehmender Fehlerstellenentfernung immer kleiner
wird, muß sie mit Rücksicht auf die Gleichrichterkennlinie so weit herauftransformiert
werden, daß die Gleichrichteranordnungen auch bei den kleinsten noch interessierenden
Entfernungen außerhalb des gekrümmten Teiles der Gleichrichterkennlinie arbeiten.
Zur weiteren,
hier nicht interessierenden Meßspannungsschwächung ist noch der Spannungsteiler
Wilo vorgesehen. Im Fehlerfall spricht nach den schon an Hand der Fig. 1 erwähnten
Schaltvorgängen das Relais R4 infolge der Überbrückung der Klemmen A an und ermöglicht
durch Umlegen der Kontakte a4 und b4 die Aufladung der Meßkondensatoren C1 und C2.
Im Stromkreis des Meßkondensators C2 liegt das ballistische Galvanometer J2. welches
den stromproportionalen Ladestromstoß des Meßkondensators C2 erhält. Damit ist die
Möglichkeit einer zusätzlichen Messung des Kurzschlußstromes gegeben. Bei einem
Kurzschluß mit Lichtbogen reicht nämlich die Quotientenmessung 1 S 1l nicht aus,
um die Fehlerstelle zu bestimmen; IJI man muß hierbei auch noch die Größe des Kurzschlußstromes
kennen. Die Widerstände Will und Wilß dienen zur Begrenzung der Ladeströme. Durch
Schließen des Kontaktes c4 des Relais R4 wird das durch den parallel geschalteten
Kondensator C5 ansprechverzögerte Relais R5 erregt, welches etwa 11/2 Perioden nach
Beginn der Aufladung durch Umlegen der Kontakte a6 und c5 die Meßkondensatoren C1
und C2 abschaltet und zur Vermeidung von Beeinflussungen kapazitiver Art die Meßspannungen
über die Widerstände Will und Wila kurzschließt; über den Kontakt b5 wird der Widerstand
Wil3 zum Meßkondensator C2 parallel geschaltet. Durch Schließen des Kontaktes d5
ist gleichzeitig die Aufladung des Kondensators C3 eingeleitet, zu dem das Anzeigeinstrument
J3 parallel geschaltet ist. Voraussetzung hierfür ist, daß das Relais R6 (polarisiertes
Relais) seinen Kontakt a6 geschlossen hat. Das ist der Fall, wenn die Meßspannung
am Meßkondensator C2 größer ist als die Meßspannung am Meßkondensator C1, der Fehler
also innerhalb des zu überwachenden Leitungsstückes liegt.
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Zur Anpassung des Gerätes an die zu überwachende Leitungslänge dient
der Abgriff am Widerstand Will. Die Einstellung erfolgt derart, daß bei einem Kurzschluß
am Ende der zu überwachenden Leitung die am Widerstand Wilo abgegriffene Spannung
gleich der Spannung am Widerstand Wil4 ist. Die Gegentaktschaltung der Röhren Röl
und Rö2 bezweckt, eine Kompensation der Gleichstrommagnetisierung des Relais R6
zu erreichen, so daß beim Gleichwerden der beiden Meßspannungen am Abgriff des Widerstandes
Wilo und am Widerstand Wil4 die Amperewindungszahlen der beiden gegeneinandergeschalteten
Wicklungen des polarisierten Relais R6 gleich groß werden, so daß sein Anker in
die Ruhelage zurückkehrt und durch Öffnen des Kontaktes a6 die Aufladung des Kondensators
C3 unterbrochen wird. Durch Öffnen des Kontaktes b6 wird das bisher über den geschlossenen
Kontakt b6 erregte Relais R7 stromlos, so daß es infolge der Verzögerung seines
Abfalls durch den parallel geschalteten Kondensator C6 nach einiger Zeit durch Öffnen
seines Kontaktes a7 die Haltemagnete M2 und M3 der Instrumente J2 und J3 stromlos
werden läßt, so daß nunmehr die freigegebenen Haltebügel die Instrumentenzeiger
festhalten. Die Zeiger werden erst wieder freigegeben, wenn die über den geschlossenen
Kontakt a7 bei Wiedererregung des Relais R7 betätigten Magnete M2 und M3 erregt
werden, so daß diese die Haltebügel von den Zeigern abheben. Die Instrumente J2
und J8 benötigen somit keine Stromversorgung zur Aufrechterhaltung der Arretierung.
Durch Überbrücken des Kontaktes a7 mittels der Rückstelltaste RT lassen sich die
Instrumente auf Null zurückstellen. Die Zeigerstellung am Instrument J3 gibt bei
entsprechender Eichung die Fehlerstellenentfernung an.
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Um die Anzeige von den Schwankungen der über den Transfromator Tr5,
die Gleichrichteranordnung G15, die Drosselspule Drl sowie die Kondensatoren C7
und C8 erzeugten
Hillsgleichspannungen unabhängig zu machen, ist
als Instrument J3 ein Kreuzspulinstrument vorgesehen.
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Da- im Kurzschlußfall die Hilfswechselspannung zusammenbrechen kann,
sind die Kondensatoren C7 und C8 so groß bemessen, daß die Hilfsgleichspannung während
des Meßvorganges noch eine für die Messung ausreichende Zeit erhalten bleibt.
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PATENTANSPROCRE: 1. Verfahren zum Messen der Fehlerstellenentfernung
bei Kurzschlüssen auf Leitungen, bei dem ein Kondensator innerhalb der zwischen
dem Kurzschlußfall und der Abschaltung der Leitung zur Verfügung stehenden Zeit
auf den Scheitelwert einer der im Kurzschlußfall an der Leitung auftretenden Spannung
proportionalen Meßspannung aufgeladen wird, während ein zweiter Kondensator in der
gleichen Zeit auf eine dem im Kurzschlußfall auftretenden Strom proportionale Meßspannung
aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverhältnisse in den Ladestromkreisen
der beiden Kondensatoren so ge-
wählt sind, daß die Spannung am zweiten Kondensator
(C2), sofern der Fehlerort innerhalb des zu überwachenden Leitungsstückes liegt,
größer ist als die Spannung am ersten Kondensator (C1) und daß nach Abschaltung
der Ladestromkreise der auf die stromproportionale Spannung aufgeladene Kondensator
(C2) bis zur Spannungsgleichheit mit der Spannung am Kondensator (C1), dessen Ladung
der Spannung an der Leitung proportional ist, entladen wird und die hierbei verlaufende
Zeitspanne als Maß für die Fehlerstellenentfernung dient.