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Einhalbwellen-Selektivschutz Die Entwicklung auf dem Schaltergebiet
geht dahin, die Ausschaltzeit immer weiter zu verringern. Es besteht begründete
Aussicht, daß in näherer Zukunft Schalter zur Verfügung stehen, die Störungen bereits
in einer bis zwei Halbwellen, gerechnet von der Erteilung des Auslösekommandos bis
zur vollständigen Unterbrechung, abschalten. Derartige extrem schnelle Schalter
lassen sich -aber nur sinnvoll einsetzen, wenn der zugehörige überstrom- oder Selektivschutz
in der Lage ist, die Auswahl der Schalter ebenfalls in etwa einer bis zwei Halbwellen
zu treffen.
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Nach einem früheren Vorschlag werden die gleichzeitig ermittelten
Momentanwerte des Spannungsabfalles in der gestörten Schleife und an einem Leitungsabbild
zur selektiven Auswahl benutzt.
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Die Verwendung eines Leitungsabbildes, d. h. einer vom gleichen
Strom wie die Leitungsschleife durchflossenen Vergleichsimpedanz, ist schon seit
langem bekannt. Gebräuchliche Anordnungen dieser Art -
wie überhaupt die heute
in Betrieb befindlichen Selektivschutzsysteme - weisen als Meßglieder entweder
wattmetrische Systeme auf, bei denen untersucht wird, ob die Phasenverschiebung
zwischen zwei aus Strom und Spannung der Leitungsschleife abgeleiteten Meßgrößen
größer oder kleiner als 90'
ist, oder aber Gleichstrombrückenschaltungen,
bei denen der absolute Betrag zweier aus Strom und Spannung der Leitungsschleife
abgeleiteten Meßgrößen verglichen wird. In beiden Fällen muß das Meßwerk gegenüber
einer Halbwelle der zugeführten Größe träge sein, da es ja auf das mittlere Drehmoment
während einer Periode der zugeführten Größen reagieren soll. Die Ansprechzeit derartiger
Selektivschutzsysteme kann deshalb einen Wert von etwa drei bis vier Halbwellen
nicht unterschreiten.
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Es ist ferner eine Anordnung zur selektiven Erfassung von Störungen
in Starkstromnetzen unter Verwendung der Spannungsabfälle an der von der Störung
betroffenen Leitungsschleife und einer Vergleichsimpedanz bekannt geworden, deren
Ansprechzeit in der Größenordnung von einer Halbwelle liegt. Bei dieser Anordnung
werden die Momentanwerte der Spannungsabfälle u an der Leitungsschleife und u" an
der Vergleichsimpedanz einem Vergleichssystem zugeführt, das die Auslösung des zugehörigen
Schalters bewirkt, werm von den Momentanwerten u und u" abhängige, im Vergleichssystem
gebildete Werte während eines vorbestimmten zeitlichen Bruchteiles einer Halbwelle
einer vorbestimmten Polaritätsbedingung genügen.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen derartigen Einhalbwellen-Selektivschutz
und bezweckt, eine möglichst genaue Angleichung des praktischen Auslösebereiches
der Schutzschaltung an den idealen Auslösebereich vorzunehmen, so daß einerseits
ein Fehlansprechen der Schutzschaltung bei außerhalb des Überwachungsbereiches auftretenden
Fehlern vermieden und andererseits innerhalb des überwachungsbereiches auch an dessen
Grenze auftretende Fehler sicher gemeldet werden. Gemäß der Erfindung wird dies
mit einer Anordnung erreicht, bei der der Phasenwinkel der Vergleichsimpedanz gleich
dem Phasenwinkel der zu schützenden Leitungsschleife einschließlich des maximalen
zu berücksichtigenden Lichtbogenwiderstandes ist.
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Es ist zwar bereits eine Schutzschaltung bekanntgeworden, deren Auslösebereich
entweder durch zwei sich überschneidende Kreise begrenzt wird, wobei die Vergleichsimpedanz
die gemeinsame Sehne dieser Kreise darstellt, oder bei welcher der Auslösebereich
durch schmale Kreisbögen dargestellt wird, die sich ebenfalls überschneiden und
wiederum die Vergleichsimpedanz als gemeinsame Sehne haben. Dabei ist aber nicht
Rücksicht genommen auf die Größe des maximalen zu berücksichtigenden Lichtbogenwiderstandes,
sondern die Vergleichsimpedanz bildet die Leitungsimpedanz genau nach, ist also
nur durch die Leistungskonstanten bestimmt.
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Im Zusammenhang mit dem Schaltschema gemäß Fig. 1 werden in
den Fig. 2 bis 5 Auslösebereiche angegeben. Fig. 6 zeigt eine beispielsweise
Ausführungsform eines Einhalbwellen-Selektivschutzes nach der Erfindung.
In
Fig. 1 bedeutet 1 ein Kraftwerk, das die zweiphasige Leitung 2,
3 speist. 4 und 5 sind Schaltstationen, zwischen denen die Störungsstelle
6 in Form eines Kurzschlusses liegt. Der Abstand zwischen den Stationen 4
und 5 ist mit a, derjenige zwischen der Station 4 und der Störungsstelle
6 mit x bezeichnet. Die Vergleichsimpedanz n - ZO besteht aus
dem Widerstand 7 und der Induktivität 8. Der Spannungsabfall an der
gestörten Leitungsschleife der Länge x ist mit it, der Spannungsabfall an der Vergleichsimpedanz
mit n - u. bezeichnet, während i den Strom in der Leitungsschleife
bedeutet. Die Impedanz der Leitungsschleife der einfachen Länge x sei Z. Der Faktor
n berücksichtigt dabei die übersetzungsverhältnisse der beteiligten Meßwandler.
Der Wert n - ZO soll im Betrag einstellbar sein, damit das Schutzsystem
leicht der Länge der zu schützenden Leitung angepaßt werden kann.
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Zunächst werden die Verhältnisse betrachtet, wie sie sich bei unverlagertem
sinusförmigem Strom- und Spannungsverlauf ergeben, wobei -man zweckmäßig die in
der Selektivschutztechnik übliche Darstellung des Auslösebereiches in der Widerstandsebene
benutzt.
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In Fig. 2 ist als Abszisse der Wirkwiderstand R, als Ordinate der
Blindwiderstand X aufgetragen. Die Leitung gemäß Fig. 1, ausgehend von der
Station 4, die mit dem Nullpunkt 0 des Diagramms 2 zusammenfällt, ist durch
die Gerade mit der Steigung tg ([" = XIR gegeben. Die Länge OP entspricht
dann dem Stationsabstand a gemäß Fig. 1. Metallische Kurzschlüsse der Leitung
sind je nach ihrem Abstand von der Station durch Punkte auf der Leitungsgeraden
OP gegeben. Tritt an der Störungsstelle zusätzlich ein Lichtbogen vom größten zu
berücksichtigenden Widerstandswert RI, auf (s. Fig. 1), so kann dieser in
dem Diagramm gemäß Fig. 2 durch die Strecke Rb parallel zur Abszissenachse dargestellt
werden. Jede Störung zwischen den Stationen 4 und 5 (s. Fig. 1), deren
Lichtbogenwiderstand höchstens gleich RI, ist, wird dann in der Widerstandsebene
durch einen Punkt innerhalb des schraffiierten Parallelogramms gekennzeichnet, das
somit den Auslösebereich darstellt, den ein ideales Selektivschutzsystem haben müßte.
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Bei dem der Erfindung zugrunde liegenden Selektivschutzsystem sind
verschiedene Ausführungsformen möglich, die auch jeweils unterschiedliche Auslösebereiche
in der Widerstandsebene ergeben. Allen Ausführungsformen gemeinsam ist, daß in an
sich bekannter Weise aus den Spannungen u und n - u(, die Differenzspannung
n - iio - u gebildet wird. Die Momentanwerte
je zweier dieser drei Spannungen werden dann polaritätsmäßig miteinander
verglichen und eine Auslösung herbeigeführt, wenn die Dauer der Polaritätsgleichheit,
die sogenannte Koinzidenzzeit tl" eine bestimmte vorgegebene Zeit to überschreitet.
Beachtet man, daß bei zwei sinusförinigen Wechselgrößen der Kreisfrequenz (c der
der Koinzidenzzeit tj.. entsprechende Koinzidenzwinkel (pl, = ei -
tj, und der Phasenverschiebungswinkel zwischen den beiden Größen Komplementärwinkel
sind, so lassen sich die Auslösebereiche in der Widerstandsebene leicht angeben.
Die Spannungen u, n - uo und * - ##O -
u werden dabei durch die Widerstände * - Z, und n -
ZO - Z dargestellt.
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In Fig. 3 ist der Auslösebereich angegeben, der sich ergibt,
wenn zur Vollziehuno, einer Auslösung die Koinzidenzzeit zwischen u und n
- zio - u einen bestimmten vorgegebenen Wert to überschreiten
soll. Dargestellt sind die Zeiger 7, n - 7, und n -
Z" - 2.
Der Koinzidenzwinkel (Pk ist der Komplementärwinkel zum Phasenwinkel
zwischen Z und n - ZO - Z. Die Grenze des Auslösebereiches
ist die Ortskurve des Zeigers Z bei festem n - ZO und konstantem (f"".
Diese Ortskurve ist ein Kreis mit n - Z, als Sehne und 9#" als dazugehörigem
Peripheriewinkel. Für alle Zt##iger Z innerhalb der beiden Kreissegmente mit n
- Z, als Sehne und 99k als Peripheriewinkel ist der Koinzidenzwinkel
zwischen Z und n - ZO - Z größer als (f j., so daß das
schraffierte Gebiet wirklich den Auslösebereich darstellt.
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In Fig. 4 wird gezeigt, daß man das in Fig. 2 dargestellte ideale
Auslösegebiet durch das der Erfindung zugrunde liegende Selektivschutzsystem am
besten annähert, wenn man gemäß der Erfindung den Phasenwinkel der Vergleichsimpedanz
gleich dein Phasenwinkel der zu schützenden Leitungsschleife einschließlich des
maximalen zu berücksichtigenden Lichtbogenwiderstandes wählt, also n -
Z, gleich der Diagonalen und den Koinzidenzgrenzwinkel gleich dem stumpfen Winkel
g.. des Parallelogramms macht. Man erkennt, daß es somit möglich ist, den
idealen Auslösebereich unter Berücksichtigung des Lichtbogenwiderstandes durch Einführung
einer einstellbaren Koinzidenzzeit und durch geeignete Wahl der Vergleichsimpedanz
eng einzuschließen. Zu beachten ist auch, daß beim vorliegenden Auslösebereich ein
zusätzliches Richtungsglied nicht notwendig ist.
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In Fig. 5 ist ein Auslösebereich dargestellt, wie er sich bei
folgender Auslösebedingung ergibt: Eine Auslösung soll erfolgen, wenn sowohl der
Polaritäts-Koinzidenzwinkel zwischen n - u. und n -
uo - u einen Wert Tk , als auch der Polaritäts-Koinzidenzwinkel
zwischen n - uo und u einen Wert T k 2 überschreitet. Wie in
Fig. 3 treten hier die Koinzidenzwinkel als Komplementärwinkel der Phasenwinkel
zwischen n - Z" und n - Z## - Z bzw. zwischen n
- Z, und Z auf. Der Phasenwinkel der Vergleichsimpedanz ist wieder
gleich dem Phasenwinkel der zu schützenden Leitungsschleife einschließlich des maximalen
zu berücksichtigenden Lichtbogenwiderstandes gewählt. Der Auslösebereich wird begrenzt
durch die zwei Strahlen, die unter dem Winkel (Pk 1 gegen n
- Z, aus dem Punkt P kommen, sowie durch die zwei Strahlen, die unter
dem Winkel (Pk 2 gegen n - Z, aus dem Ursprung 0 kommen. Auch mit
diesen Auslösebedingungen läßt sich eine gute Annäherung an den idealen Auslösebereich
nach Fig. 2 erreichen, wenn man n - ZO mit der Diagonalen des Parallelogramms
zusammenfallen läßt.
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Eine sehr genaue Eingrenzung des Parallelogramms nach Fig. 2 erhält
man, wenn sowohl die Koinzidenzzeit von u und n - u.
- u als auch die von n - u. und n * uo
- u und die von n - ii, und u vorgeschrieben wird. Das
dann geltende Auslösegebiet ergibt sich durch überlagerung der Fig. 4 und
5.
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Da die praktische Ausführung des Selektivschutzsystems jedoch um so
komplizierter wird, je mehr Auslösebedingungen vorgeschrieben werden, wird
man vorzugsweise das zu den Fig. 3 und 4 gehörige Selektivschutzsystern,
das nur eine Auslösebedingung aufweist, anwenden.
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Bei verlagerten Kurzschlußströmen tritt eine Vergrößerung der in den
Fig. 3 bis 5 dargestellten Auslösebereiche auf. Es läßt sich jedoch
theoretisch zeigen, daß die äußerste Grenze des Bereiches, in dem bei extrem verlagerten
Kurzschlußströmen Auslösungen
auftreten können, gegeben ist durch
die Ortskurve von Z, die sich für den halben Wert des vorgeschriebenen Mindestkoinzidenzwinkels
ergibt.
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In Fig. 6 ist schematisch eine beispielsweise Ausführungsform
eines Selektivschutzsystems dargestellt, das Auslösebereiche gemäß den Fig.
3 und 4 aufweist. Hierin bedeuten 21 und 22 die beiden Leitungen entsprechend
2 und 3 in Fig. 1. 23 ist ein Spannungswandler, an dessen Sekundärwicklung
24 die Schleifenspannung u auftritt. 25 ist ein Stromwandler, an dessen Sekundärwicklung
26 die Vergleichsimpedanz Z, angeschlossen ist, bestehend aus g
dem
Widerstand27 und der Induktivität28. Die Impedanz Z, wird vom Sekundärstrom i. des
Stromwandlers 25 durchflossen. Der Spannungsabfall an Z, beträgt
n - u, wobei die Größe n - u, durch Wahl des Übersetzungsverhältnisses
des Stromwandlers 25
und,loder der Größe der Vergleichsimpedanz Z, der zu
schützenden Leitungsstrecke in der Weise anzupassen ist, daß der Phasenwinkel der
Vergleichsimpedanz gleich dem Phasenwinkel der zu schützenden Leitungsschleife einschließlich
des maximalen zu berücksichtigenden Lichtbogenwiderstandes ist. 29
und
30 sind Verstärker, insbesondere Transistorverstärker, denen an ihrem Eingang
die Spannungen u bzw. n - ito - u zugeführt werden.
Die Verstärker 29
und 30 werden zweckmäßig so ausgebildet, daß sie
ab einem vorgegebenen Mindestpegel der Eingangsspannungen diese Signale verstärken,
wobei es lediglich notwendig ist, daß das Ausgangssignal die gleiche Polarität hat
wie das Eingangssignal. Im allgemeinen wird daher ein sinusförmiges Eingangssignal
in ein etwa rechteckförmiges Ausgangssignal verwandelt. Die beiden Verstärker speisen
nun polarisierte Relais 31 und 32 mit einseitiger Ruhelage des Ankers
und den zugehörigen Umschaltkontakten 33 und 34. Mit 35 ist ein Kondensator
bezeichnet, der von der Batterie 36 über den einstellbaren Widerstand
37 aufgeladen wird, sobald sein Kurzschluß durch die Umschaltkontakte
33 oder 34 aufgehoben wird. 38 ist eine Kathodenröhre, 39 die
zugehörige Spannungsquelle und 40 die Auslösespule des Leistungsschalters 41.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist die folgende: Unmittelbar mit
dem Auftreten eines überstromes verringert sich die Spannung u und erhöht sich der
Spannungsabfall n - %. Liegt nun die Störungsstelle, wie in
Fig. 1 dargestellt, im zu schützenden Leitungsbereich, so weisen die Eingangs-
und damit auch die Ausgangssignale der Verstärker 29 und 30 während
einer Zeit, die mindestens gleich der vorgegebenen Koinzidenzzeit tk ist, gleiche
Polarität auf. Solange die beiden Ausgangssignale gleiche Polarität haben, ist die
überbrückung des Kondensators aufgehoben, und er wird daher durch die Spannungsquelle
36 mit einer durch den Widerstand 37 einstellbaren Zeitkonstante aufgeladen.
Die Zeitkonstante des Ladekreises ist so gewählt, daß nach Ablauf der vorgegebenen
Koinzidenzzeit lk die Zündspannung der Kaltkathodenröhre 38 erreicht wird,
womit die sofortige Auslösung des zugehörigen Schalters 41 erfolgt. Ist die Zeit,
während der die Polarität der Ausgangssignale übereinstimmt, kleiner als t4., so
wird der Kondensator 35 wieder überbrückt, bevor er auf die Zündspannung
der Röhre 38 aufgeladen ist. Eine Auslösung erfolgt somit nicht. Sobald die
Polarität der Ausgangssignale wieder übereinstimmt, beginnt die Aufladung des Kondensators
35 von neuem. Die Verwendung der polarisierten Relais mit einseitiger Ruhelage
dient dazu, auch bei sehr nahe der Station liegenden Kurzschlüssen ein zufriedenstellendes
Arbeiten des Gerätes zu gewährleisten. Bei extrem nahe liegenden Kurzschlüssen ist
u #z# 0, so daß die Polarität der Schleifenspannung nicht mehr festgestellt
werden kann. Der Kontakt 33 bleibt in seiner Ruhelage liegen, nur der Kontakt
34 ändert seine Lage entsprechend der Polarität von n - u.
- u. Dadurch wird in jeder zweiten Halbwelle ein Auslösesignal gegeben.
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Ist jedoch auch n - uo = 0, so liegt auch
der Kontakt 34 in seiner Ruhelage, und es findet keine Auslösung statt. Diese Arbeitsweise
ist notwendig, damit bei abgeschalteter Leitung (u = 0, n
- u,) = 0) keine Auslösung aller im Zuge der Leitung liegenden
Leistungsschalter erfol 'gt. Man erkennt somit, daß durch die Schaltung nach Fi
g* 6 alle Bedingungen erfüllt werden, die an ein Selektivschutzsystem mit
dem Auslösebereich gemäß Fig. 4 gestellt werden müssen. Die Größe der Auslösekreise
ist, wie an Hand der Fig. 3 und 4 dargelegt wurde, im wesentlichen durch
die Wahl der Koinzidenzzeit ti, bzw. des Koinzidenzwinkels k
r gegeben.
Selbstverständlich können an Stelle der Relais 31, 32 mit ihren Umschaltkontakten
33 und 34 mit Vorteil auch schnellere elektronische Elemente, wie Röhren
oder Transistoren, zur Anwendung gelangen. Es ist auch möglich, die Kaltkathodenröhre
38 durch ein Relais oder ein Thyratron zu ersetzen.
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Die erfindungsgemäße Selektivschutzschaltung bietet einerseits den
Vorteil, daß zur selektiven Erfassung der Störungen nur ein Polaritätsvergleich
notwendig ist, die Größen von Strom und Spannung also nicht miteinander in Beziehung
zu setzen sind, Dies erlaubt, an Stelle der sehr aufwendigen Meßverstärker einfache
Signalverstärker zu verwenden, die nur die Polarität der Eingangsgrößen übertragen
müssen. Zum anderen bietet die neue Anordnung infolge der Möglichkeit, den praktischen
überwachungsbereich sehr genau dem idealen Bereich anzupassen, eine große Sicherheit
hinsichtlich der Entscheidung, ob auftetende Fehler innerhalb oder außerhalb des
Schutzbereiches liegen.