DE1100152B

DE1100152B - Anordnung zur selektiven Messung und Abschaltung von Erdschluessen in elektrischen Anlagen, insbesondere in Grubennetzen unter Tage

Info

Publication number: DE1100152B
Application number: DES65832A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf Streich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-11-13
Filing date: 1959-11-13
Publication date: 1961-02-23
Also published as: GB923292A; BE596965A

Description

DEUTSCHES

Die Sicherheit der elektrischen Energieversorgungsnetze, insbesondere der Netze unter Tage, hängt in weitem Maße von dem Isolationszustand des Netzes ab. Je schneller ein entstehender Isolationsfehler erfaßt werden kann und je enger die darauffolgende Abschaltung auf den gestörten Netzteil beschränkt wird, desto höher ist die erreichbare Betriebssicherheit.

Ein bekanntes Isolationsmeßverfahren von Stromversorgungsnetzen verwendet eine dem Netz überlagerte Gleichspannung, die in einer Meßeinrichtung den über einen Fehler abfließenden Gleichstromanteil eines Netzes festzustellen gestattet. Diesem Verfahren haften zwei grundsätzliche Mangel an. Erstens gestattet die Verwendung von Gleichstrom keine selektive Erfassung des Erdschlusses, da das gesamte Netz eine galvanisch verbundene Einheit bildet, die, sofern man — wie üblich — nur mit sehr kleinen zulässigen Fehlerströmen rechnet, meßtechnisch nicht getrennt werden kann. Ein weiterer Mangel besteht darin, daß ein großer Wechselstromanteil über die Fehlerstelle zusammen mit dem Gleichstrom fließt, und daß die Trennung des Wechselstromanteils von dem zu messenden Gleichstrom zu beträchtlichen Verzögerungen der Vorgänge in der Meßeinrichtung und damit letzten Endes zu Verzögerungen der Abschaltung des fehlerhaften Netzteiles führt.

Zur Verbesserung wurde z. B. die in der Fig. 1 im Prinzip dargestellte Anordnung vorgeschlagen. Diese addiert vektoriell zwei Spannungen (vgl. Fig. 2), von denen die eine (U si) aus der Verschiebung des Potentials eines künstlichen Sternpunktes gegen das durch den Fehler im Netz »N« unsymmetrische Potential des Schutzleiters entsteht und die andere (CZ₁ bzw. U₂) aus der Wicklung eines Ringkernwandlers abgenommen wird, durch den die zu überwachende Leitung geführt ist. Die entstehenden Summenspannungen O-A und O-C werden durch Gleichrichter Gl₁ und GZ₂ gleichgerichtet und durch Kondensatoren und Widerstände geglättet. Die Differenz der beiden Gleichspannungen wird in einem empfindlichen Meßgerät 7? gemessen. Je nach der Lage des Fehlers dreht sich dabei die gemessene Potentialdifferenz um und ermöglicht dadurch das selektive Erfassen eines Fehlers.

Diese Anordnung ermöglicht zwar in gewissen Grenzen eine Selektivität der Erdschlußabschaltung. Die Meßgröße setzt sich aber aus Werten zusammen, die nicht nur von der Größe des ohmschen Fehlerwiderstandes, sondern weit stärker von der Größe der im Netz vorhandenen Kapazitäten und von Unsymmetrien im Netz abhängen. Die Umsetzung in einen Gleichstromwert bedeutet außerdem auch bei dieser Ausführung eine beträchtliche und sehr unerwünschte Zeitverzögerung.

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur

Anordnung zur selektiven Messung
und Abschaltung von Erdschlüssen

in elektrischen Anlagen,
insbesondere in Grubennetzen unter Tage

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Rudolf Streich, Berlin-Zehlendorf,
ist als Erfinder genannt worden

selektiven Messung und Abschaltung von Erdschlüssen in elektrischen Anlagen, insbesondere in Netzen unter Tage, bei der zwei Steuergrößen verwendet werden, von denen die erste aus der Verschiebung des Schutzleiterpotentials gewonnen und die andere aus der Wicklung eines mit dem Netz in Verbindung stehenden, die zu überwachende Leitung umfassenden Ringkernwandlers abgenommen wird.

Die Erfindung besteht darin, daß die beiden Steuergrößen in einer Wechselstromschaltung ausgewertet werden, die in Abhängigkeit von der gegenseitigen Phasenlage der beiden Steuergrößen gesteuert wird.

Dabei kann die erste Steuergröße aus der Verschiebung des durch einen Fehler im Netz unsymmetrisch gewordenen Potentials des Schutzleiters gegen einen künstlichen Sternpunkt oder aber auch aus der Verschiebung der durch einen Fehler im Netz unsymmetrisch gewordenen Phasenspannungen gewonnen werden. Diese Größe dient zur Steuerung der Wechselstromschaltung. Über ihre beiden Zweige wird die zweite aus einem Ringkernwandler stammende Steuergröße geführt. Da nun unmittelbar Wechselstromanteile miteinander verglichen werden, ist eine Umwandlung in Gleichstrom und damit eine Glättung nicht mehr notwendig, so daß ein angeschlossener Verstärker außerordentlich schnell arbeiten kann. In Versuchen wurde oszillographisch nachgewiesen, daß zur Erfassung eines Fehlers je nach der Phasenlage des Zeitpunktes, in dem der Fehler auftritt, wenige Millisekunden genügen, um ein Abschaltkommando zu geben.

Zum Vergleich der Phasenlagen können mechanische Meßgleichrichter vorgesehen und von der ersten

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Claims

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Steuergröße betrieben werden, über deren Kontakte Innern einer Leitung mit Sicherheit nicht nach außen

der aus einem Summenstromwandler gewonnene Meß- treten kann.

wert entsprechend geschaltet wird. Die neue Erdschlußmeßeinrichtung gemäß der Er-

Zum Vergleich der Phasenlagen kann erfindungs- findung stellt daher in Verbindung mit Leitungen, bei gemäß besser noch eine Transistorschaltung verwendet 5 welchen ein Fehler im Innern zunächst zu einem Erdwerden, die in jedem Zweig zwei Transistoren mit Schluß führt (z. B. Leitungen mit einer Leitgummientgegengesetzter Arbeitsrichtung in Reihenschaltung hülle um jede Ader), einen ganz bedeutenden Schritt enthält. Jeder Zweig kann durch die Steuerspannung in der Verbesserung der Sicherheit elektrischer Netze, gesperrt oder freigegeben werden. Diese Wechsel- insbesondere solcher unter Tage, dar.
Stromschaltung ist besonders vorteilhaft, weil sie io Da die Anordnung keine beweglichen Kontakte entohne Sch well wert für die durchzulassenden Wechsel- hält, kann sie besonders raumsparend dadurch ausgestromanteile arbeitet. führt werden, daß die einzelnen Elemente, wie z. B.

Die aus dem Ringkernwandler stammende Meßspan- Transistoren, Widerstände usw., mit dem Ringkernnung wird vorteilhaft zuerst in einem Wechselstrom- wandler zusammengebaut und in Gießharz eingebettet verstärker verstärkt und dann dem Gerät zugeführt, 15 werden. Damit ist auch eine sonst erforderliche druckweiches die Phasenlagen vergleicht. Die folgende Ver- feste Kapselung der Anordnung überflüssig.
Stärkung kann dann schon mit größeren Werten der Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in ausgeschnittenen Wechselstromteile arbeiten. Dadurch den Fig. 3 bis 6 in Form von schematischen Schaltwird eine weitgehende Unabhängigkeit vom Tempera- bildern dargestellt,
turgang der verwendeten Bauelemente erzielt. 20 Gemäß der Fig. 3 ist ein Schalter 1 verwendet, der

Die Anordnung kann derart bemessen sein, daß die von einem der beiden Steuergrößen betätigt wird und

Größe des aus der Potentialverschiebung gewonnenen eine Spule 2 eines Relais oder Meßgerätes periodisch

Steuerwertes von einem bestimmten Mindestwert an, je nach der Phasenlage mit der Steuergröße 2 ver-

z. B. 1 bis 2 Volt, als Potentialverschiebung zwischen bindet.

Schutzleiter und künstlichem Sternpunkt keine Rolle 25 In der Fig. 4 ist eine Transistorschaltung veranspielt. Das hat den Vorteil, :daß die Größe des Fehler- schaulicht. In jedem Zweig dieser Schaltung sind je Stromanteiles allein als Maß für das Ansprechen der zwei Transistoren 5 und 6 bzw. 7 und 8 vorgesehen. Einrichtung verwendet werden kann, und daß die An- Die Spannungen, welche dieser Transistorschaltung sprechwerte erheblich unabhängiger von der Größe der zugeführt werden, sind mit U_st und U bezeichnet. Die im Netz vorhandenen Kapazitäten und bis zu einem 30 beiden Übertrager U₁ und U₂ dienen der Aufteilung gewissen Grad auch von deren Unsymmetrie werden der beiden Steuergrößen in zwei gleiche, um 180° können. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die entgegengesetzte Teile. Mit 2 ist wieder das Relais Unsymmetrie der Netzkapazität vor dem zu über- oder Meßgerät bezeichnet bzw. dessen Spule,
wachenden Abzweig die MeSSUHg₁ nur noch unwesent- Die Fig. 5 zeigt ein Schema einer Schutzschaltung, lieh beeinflußt. 35 Das Netz ist mit N und der Ringkernwandler mit W

Von besonderem Vorteil ist es gemäß der weiteren bezeichnet. An den Ringkernwandler ist ein Wechsel-Erfindung, wenn die aus der Potentialverschiebung stromverstärker 10 angeschlossen. Die Einrichtung 11 des Schutzleiters und die aus dem Ringkernwandler zum Vergleich der Phasenlage ist an den Sternpunkt 12 kommende Steuergröße zunächst in Rechteckimpulse des Netzes N und auch an den Wechselstromverstärker von definierter Breite in an sich bekannter Weise um- 40 10 angeschlossen. Ferner ist sie mit dem Schutzleiter gewandelt werden. Zu diesem Zweck können z. B. mit . 13 verbunden. Mit 14 ist der erforderliche Gleichstrom-Röhren oder Transistoren ausgerüstete Multivibra- verstärker und mit 15 eine Relaisspule bezeichnet,
toren definierter Impulsbreite verwendet werden. Durch Die eventuell verwendete Kurzschließereinrichtung diese Maßnahme läßt sich eine noch weitergehende ist bei 16 angedeutet.

Unabhängigkeit der Anordnung von der Größe der an- 45 Eventuell verwendete Impulsgeber 17,18 zur Umgeschlossenen Kapazitäten erzielen. Setzung der Steuergrößen in Rechteckimpulse sind in

Die von der Meßanordnung abgegebene Steuerspan- die Zuleitungen bzw. Verbindungsleitungen der Ein-

nung wird zur Betätigung eines Gleich- oder Wechsel- richtung zum Vergleich der Phasenlagen mit dem

Stromrelais und z. B. zur Abschaltung des gefährdeten Sternpunkt bzw. mit dem Wechselstromverstärker ein-

Netzteiles verwendet. 50 zuschalten.

Die von der Meßanordnung abgegebene Steuerspan- In der Fig. 6 ist eine Anordnung dargestellt, bei

nung kann in bekannter Weise zur Schaltung eines welcher die Steuergrößen aus den Phasenspannungen

Gleichstrom- oder Wechselstromrelais verwendet wer- über Vorrichtungen 19, 20, 21 gewonnen werden. Die

den. Die sehr hohe Meßgeschwindigkeit (ein entstehen- Steuergrößen werden der Einrichtung zum Vergleich

der Erdschluß wird innerhalb einer Halbwelle erfaßt) 55 der Phasenlagen zugeführt. Die übrigen Teile der

kann gemäß der weiteren Erfindung besonders vorteil- Schaltung entsprechen denen der Fig. 5.
haft dadurch ausgenutzt werden, daß die entsprechend
zu schützenden Leitungsabschnitte nicht über normale

Schaltgeräte abgeschaltet werden, was auch bei Patentansprüche:
modernsten Mitteln immer Schaltzeiten von einigen 60

Halbwellen benötigt, sondern daß durch das neue Erd- 1. Anordnung zur selektiven Messung und Abschlußmeßgerät ein schnell wirkender Kurzschließer schaltung von Erdschlüssen in elektrischen Anbetätigt wird, der ebenfalls in einigen Millisekunden lagen, insbesondere in Netzen unter Tage, bei der ansprechen und an ungefährlicher Stelle einen satten zwei Steuergrößen verwendet werden, von denen Kurzschluß einleiten kann, der dann durch den vor- 65 die eine aus der Verschiebung des Schutzleitergeschalteten Kurzschlußschutz abgeschaltet werden potentials gewonnen wird und die andere aus der muß. Diese Anordnung hat den besonders in Unter- Wicklung eines' Ringkernwandlers abgenommen tagenetzen sehr ins Gewicht fallenden Vorteil, daß bei wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuereiner Störung in einer Leitung die Energie sofort von größen in einer Wechselstromschaltung ausgeder Fehlerstelle weggenommen ist und Fehler im 70 wertet werden, welche in Abhängigkeit von den

1 1 UU 1 OZ

gegenseitigen Phasenlagen der beiden Steuergrößen gesteuert wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuergröße aus der Verschiebung des durch einen Fehler im Netz unsymmetrisch gewordenen Potentials des Schutzleiters gegen einen künstlichen Sternpunkt gewonnen wird (Fig. 5).
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuergröße aus der Verschiebung der durch einen Fehler im Netz unsymmetrisch gewordenen Phasenspannungen gewonnen wird (Fig. 6).
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vergleich der Phasenlage mechanische Meßgleichrichter vorgesehen sind, die von der Steuergröße betrieben werden und über deren Kontakte der aus einem Summenstromwandler gewonnene Meßwert entsprechend geschaltet wird (Fig. 3).
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vergleich der Phasenlage eine Transistorschaltung verwendet ist, die in jedem Zweig zwei Transistoren mit entgegengesetzter Arbeitsrichtung in Reihenschaltung enthält, wobei jeder Zweig durch die Steuerspannung gesperrt oder freigegeben werden kann.
6. Anordnung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Ringkernwandler stammende Meßspannung zuerst in einem Wechsel-Stromverstärker verstärkt und dann einem Phasenvergleichsgerät zugeführt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des aus der Potentialverschiebung gewonnenen Steuerwertes von einem bestimmten Mindestwert (z. B. 1 bis 2 Volt) als Potentialverschiebung zwischen Schutzleiter und künstlichem Sternpunkt an keine Rolle spielt.
8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die aus der Potentialverschiebung des Schutzleiters als auch die aus dem Ringkernwandler kommende Steuergröße zunächst in Rechteckimpulse durch Impulsgeber (17, 18) von definierter Breite in an sich bekannter Weise umgewandelt werden (Fig. 5).
9. Anordnung nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Meßanordnung abgegebene Steuerspannung zur Betätigung eines Gleich- oder Wechselstromrelais und z. B. zur Abschaltung des gefährdeten Netzteiles verwendet ist.
10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem schnell wirkenden Kurzschließer (16) für den gefährdeten Netzteil (N) kombiniert ist (Fig. S, 6).
11. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Impulsgeber mit Röhren oder Transistoren ausgerüstete Multivibratoren definierter Impulsbreite verwendet werden.
12. Anordnung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elemente, wie z. B. Transistoren, Widerstände usw., mit dem Ringkernwandler unmittelbar zusammengebaut und in Gießharz eingebettet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen