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Differentialschutzschaltung Die Erfindung beschäftigt sich mit einer
Schaltungsanordnung zum Differentialschutz von Generatoren, Transformatoren, Sammelschienen,
Leitungen od. dgl.
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Das an sich bekannte Prinzip der Differentialschutzschaltung ist aus
Fig. 1 ersichtlich. Als zu schützende Einrichtung ist dort einTransformatorTr
angenommen, in, dessen Primär- und Sekundärstromkreis Stromwandler g" eingeschleift
sind, die es gestatten, einen dem Primär- bzw. dem Sekundärstrom des Transformators
proportionalen Strom abzugreifen. Diese Stromwandler arbeiten auf Hilfswandler HA
und I-T.1, in deren Sekundärstromkreisen der Differenzwechselstrom lwa bzw. der
Summenwechselstrom iwi fließt. Sobald nun in einem von zwei antiparallel geschalteten,
in der Figur mit Gla und Gli bezeichneten Gleichrichteranordnungen gespeisten Stromkreis,
von denen dem Eingang der einen der Summenstrom !",und dem der anderen der
Differenzstrom ii& a zugeführt wird, ein Gleichstrom !A - il vorgegebener
Größe fließt, wird ein Schaltglied S zur Auslösung des Schutzes betätigt.
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Der Vergleich des jeweiligen Gleichstromes iA--11 mit der vorgegebenen
Größe erfolgt in einem Meßorgan M, als das bei Differentialschutzschaltungen,
die mit Summen- und Differenzstrom arbeiten, bisher ein Drehspulrelais verwendet
wurde. Bei einem solchen Drehspulrelals können auch dann, wenn seine Kontakte aus
hochwertigem Kontaktmaterial, wie Gold, Gold-Nickel oder Platin, bestehen, urter
Umständen Kontaktschwierigkeiten auftreten, da einerseits die Kontaktkräfte so klein
sind, daß sie die sich auf den Kontakten infolge der seltenen Betätigung der Kontakte
bildenden Oxydschichten nicht mechanisch zu durchschlagen vermögen, und da andererseits
die zu schaltenden Spannungen so klein sind, daß auch ein elektrisches Durchschlagen
dieser Oxydschichten nicht eintritt.
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Es wäre grundsätzlich denkbar, das Drehmoment des Drehspulrelais und
damit die Kontaktkräfte durch Vorschalten von Verstärkern zu erhöhen. Die Verwendung
von Elektronenröhren für die Verstärker wäre insofern nicht angebracht, als Elektronenröhren
altern und dauernd geheizt sein müssen, da der Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers
nicht vorher bekannt ist und die Schutzschaltung im Fehlerfall schnell ansprechen
muß. Dadurch ergibt sich ein dauernder Verbrauch von Heizleistung auch dann, wenn
die Schutzschaltung nicht in Betrieb ist. Den letztgenannten Nachteil weisen Transistoren
nicht auf, jedoch ist es auch bei mit Transistoren bestückten Verstärkern infolge
ihrer Alterung und ihrer Temperaturabhängigkeit schwierig, den Verstärkungsgrad
und damit den Ansprechstrom der Schutzschaltung konstant zu halten.
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Es ist eine Überwachungs- und Schutzeinrichtung für einen leistungsstarken
Siliziumgleichrichter bekanntgeworden, bei der über Wandler angeschlossene kontaktlose
Transistorkipprelais dazu dienen, eine Signalgabe auszulösen, wenn ein innerer Kurzschluß
in dem Gleichrichter oder eine unsymmetrische Belastung in den einzelnen Zweigen
auftritt. Dabei werden die Nachteile der Transistoren vermieden, da sie in einem
Kipprelais Verwendung finden.
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Die Erfindung betrifft speziell eine Differentialschutzschaltung,
die eine mit Transistoren arbeitende Kippschaltung aufweist und bei der, sobald
in einem von zwei antiparallel geschalteten Gleichrichteranordnungen gespeisten
Stromkreis, von denen dem Eingang der einen der Summenstrom und dein der anderen
der Differenzstrom zugeführt wird, ein Strom vorgegebener Größe fließt, ein Schaltglied
zur Auslösung des Schutzes betätigt wird. Soll bei dieser Anordnung die Kippschaltung
an die Stelle des bisher als Meßorgan M verwendeten Drehspulrelais treten, so tritt
das zusätzliche Problem der Anpassung des Eingangswiderstandes der Kippschaltung
an den Ausgangswiderstand der beiden antiparallel geschalteten GIeichrichteranordnungen
auf. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht die Gefahr, daß bei einem gegenüber
den Ausgangswiderständen der beiden Gleichrichteranordnungen großen Eingangswiderstand
der Kippschaltung beispielsweise der von der Gleichrichteranordnung für den Summenstrom
herrührende Gleichstrom über die Gleichrichteranordnung für den Differenzstrom fließt,
und umgekehrt, ohne daß diese Gleichströme an das Meßorgan Af, d. h. die
Kippschaltung, gelangen.
Diese Gefahr kann man beispielsweise dadurch
umgehen, daß man die Schwellspannung der Gleichrichteranordnungen durch mehrere
in Reihe geschaltete Gleichrichter oder eine geringere Zahl von Sfliziumdioden mit
bekanntlich höherer Schwellspannung verringert. Diese Maßnahme ist jedoch häufig
insofern unerwünscht, als die Wandler nur dann fehlerfrei übersetzen, wenn sie praktisch
im Kurzschluß betrieben werden, und die Erhöhung der Schwellspannung infolge der
damit verbundenen Widerstandserhöhung der Gleichrichteranordnungen eine Vergrößerung
des Bürdenwiderstandes für die Wandler darstellt.
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Andererseits kann man auch von der Tatsache ausgehen, daß die Fehlanpassung
zwischen Eingangswiderstand der Kippschaltung und Ausgangswiderstand der Gleichrichteranordnungen
sich nur so lange bemerkbar macht, wie die Kippschaltung noch nicht angesprochen
hat; danach ist sie ohne Einfluß auf die Wirkungsweise der Kippschaltung. Daher
genügt es grundsätzlich, eine Anpassung nur bis zum Augenblick des Ansprechens der
Kippschaltung beispielsweise in der Weise vorzunehmen, daß der Kippschaltung eine
Zusatzspannung zugeführt wird, so daß die Ansprechspannung der Kippschaltung zumindest
bis zum Ansprechen der Schaltung kleiner gehalten wird, als der Schwellspannung
jeder der Gleichrichteranordnungen entspricht, oberhalb deren die Gleichrichteranordnungen
einen relativ kleinen Widerstand darstellen. Da diese Lösung des Anpassungsproblems
aber auf eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Kippschaltung hinausläuft, bringt
die Verwendung dieser Zusatzspannung die Gefahr eines fehlerhaften Ansprechens der
Schutzschaltung mit sich, da die Anfälligkeit gegenüber Störimpalsen hierdurch ebenfalls
erhöht wird.
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Alles dies vermeidet eine Schaltungsanordnung zum Differentialschutz,
bei der erfindungsgemäß die den zwei Gleichrichteranordnungen entnommenen Ströme
eine die beiden Gleichrichteranordnungen entkoppelnde, aus ohmschen Widerständen
bestehende Brückenschaltung speisen, an deren Diagonalenjeweils eine der beiden
Gleichrichteranordnungen angeschlossen und deren einer Widerstand durch den Eingang
der einen derartigen Ansprechwert aufweisenden Kippschaltung, vorzugsweise eines
Schmitt-Triggers, gebildet ist, daß die durch die Brückenschaltung mit ihrem Eingangswiderstand
an den Ausgangswiderstand der Gleichrichteranordnungen angepaßte Kippschaltung beim
Erreichen der vorgegebenen Größe des Stromes anspricht und dann das Schaltglied
betätigt.
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Diese Lösung des Anpassungsproblems ist insofern besonders günstig,
als sie einerseits ohne Änderung der Empfindlichkeit der Kippschaltung erfolgt und
andererseits auch keine Schwierigkeiten durch eine unzulässige Erhöhung der Bürdenwiderstände
der Wandler auftreten. Da in der Brücke vornehmlich Widerstände Verwendung finden
und keine Gleichrichter, deren Widerstandswert bekanntlich mit steigendem Strom
stark abnimmt, treten keine Schwierigkeiten durch hierdurch hervorgerufene Übersetzungsfehler
der Wandler auf.
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In Fig. 4 ist die erfindungsgemäße Entkopplung der beiden Gleichrichteranordnungen
und damit die Anpassung der Ausgangswiderstände der Gleichrichteranordnungen an
den Eingangswiderstand der Kippschaltung M dargestellt. Die Gleichrichteranordnung
Gli für den Summenstrom ist durch die aus beispielsweise vier Widerständen bestehende
Brückenschaltung B von der Gleichrichteranordnung G1A für den Differenzstrom entkoppelt,
wobei die Brückenanordnung in diesem Schaltungsbeispiel aus hochohmigen Widerständen
gebildet ist. Einer der Widerstände ist der Eingangswiderstand derKippschaltung
M. Wie man sich leicht überzeugt, stellt die Kippschaltung M in dem in Fig. 4 wiedergegebenen
Schaltungsbeispiel einen der beiden Widerstände dar, die von der Differenz der in
den beiden Gleichrichteranordnungen erzeugten Gleichströme durchflossen werden.
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Durch die Verwendung einer Kippschaltung erhält die Differentialschutzschaltung
alle Vorteile der Verwendung von Transistoren, jedoch macht sich der Nachteil der
Alterung nicht bemerkbar, da sich bei einer Kippschaltung der Alterungs- und der
Temperatureinfluß der einzelnen Elemente weitgehend heraushebt. Für die Konstanz
der Arbeitsweise eines Schmitt-Triggers kommt es beispielsweise im wesentlichen
auf die Konstanz des beiden Transistoren gemeinsamen Emitterwiderstandes an.
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Da durch die Kippschaltung die bislang von dem empfindlichen Drehspulrelais
ausgeübte messende Funktion beim Vergleich des jeweiligen Gleichstromes la
- li mit der für die Auslösung maßgebenden Größe übernommen wird, kann zur
Auslösung der Schutzschaltung beispielsweise ein robustes Relais ohne mechanische
Feinheiten Verwendung finden, bei dem keine Kontaktschwierigkeiten auftreten.
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In Fig. 2 ist für die als Meßorgan dienende Kippschaltung ein Schmitt-Trigger
verwendet. Dieser Schmitt-Trigger ist aus den Transistoren T, und T2 aufgebaut,
die den gemeinsamen Emitterwiderstand RE besitzen. Wenn an die den Eingang der Schaltung
darstellende Basis des Transistors T, keine Spannung gelegt ist, ist der Transistor
T, gesperrt, da seine Basis über den Eingangswiderstand R, an positivem Batteriepotential
liegt. Dagegen leitet der Transistor T2, denn seine Basis erhält über einen Spannungsteiler
eine geeignete Vorspannung. Durch den am gemeinsamen Emitterwiderstand R_- auftretenden
Spannungsabfall wird die nichtleitende Lage des Transistors T, stabilisiert. Sobald
nun dem Transistor T, eine Spannung vorgegebener Größe zugeführt wird, die aus dem
Gleichstrom 1,1 - 1, (Fig. 1) abgeleitet ist, wird der Transistor
T, leitend und der Transistor T, gesperrt, da sein Basispotential infolge des nun
auftretenden Spannungsabfalles am Kollektorwiderstand R, des Transistors T, positiver
wird.
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Es ist nun grundsätzlich möglich, beispielsweise in den Kollektorkreis
des Transistors T2 das die Auslösung des Schutzes bewirkende Schaltglied zu legen.
Als Schaltglied kann ein elektromagnetisches Relais vorgesehen werden. Man kann
aber auch ein Thyratron oder einen leistungsstarken Schalttransistor verwenden und
erhält in diesem Falle eine Schutzschaltung ohne mechanische Kontakte.
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In Fig. 2 ist jedoch das Schaltglied nicht direkt in den Kreis des
Transistors T, gelegt, sondern es wird dort eine zweckmäßige Variante der Schaltung
gezeigt, die darin besteht, daß der Transistor T? auf einen als Verstärker arbeitenden
Schalttransistor T3
wirkt, in dessen Kollektorkreis das als Schaltglied dienende
Hilfsrelais RH liegt.
Zur Sicherung der Ansprechgenauigkeit der
Kippschaltung kann es zweckmäßig sein, die Speisespannung mittels Zenerdioden Zs
und WiderständenR3 zu stabilisieren. Die Zenerdiode ZT3 dient zur Stabilisierung
der Spannung am Transistor T, Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung gestattet die
Verwendung einer eine höhere als zur Speisung der Kippschaltung nötige Spannung
abgebenden Spannungsquelle. Je nach der Höhe der von der jeweiligen Spannungsquelle
abgegebenen Spannung wird die Vorwiderstandsanordnung R, eingeschaltet oder mittels
Brücken b, und b2 ganz oder teilweise ausgeschaltet. Da im Fehlerfalle
durch den über das Relais RH fließenden Strom ein Absinken der Spannung an dem Relais
eintreten würde, schließt das Relais RH mittels eines Hilfskontaktes h nach seinem
Ansprechen einen zusätzlichen Strompfad in der Vorwiderstandsanordnung R" wodurch
der Gesamtwiderstand derselben kleiner wird. Als Energiespeicher während der Zeit
des Umlegens des Hilfskontaktes können Kondensatoren C" vorgesehen #werden.
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Von Interesse bei einem Meßorgan in einer Differentialschutzschaltung
ist das Halteverhältnis, worunter man allgemein das Verhältnis von Ansprechstrom
zu Abfallstrom versteht. Bei den bisher verwendeten Drehspulrelais war das Halteverhältnis
praktisch 1, d. h., der zum Ansprechen des Relais verwendete Strom war ebenso
groß wie der Strom, bei welchem das Relais abfiel. Dies führte bei welligem Strom
lä - 1., in einem bestimmten Bereich dieses Stromes zu intermittierendem
Ansprechen. Bei der Verwendung eines Schmitt-Triggers als Meßorgan ist es mit einfachen
Mitteln möglich, eine Regelung des Halteverhältnisses vorzunehmen. Diese Aufgabe
erfüllt der in Fig. 2 mit RK bezeichnete, vorzugsweise regelbar ausgeführte Widerstand,
der eine Stromrückkopplung beispielsweise vom Emitter des als Verstärker dienenden
Schalttransistors T, zur Basis des Eingangstransistors T, des Schmitt-Triggers vornimmt.
Durch Änderung dieses Widerstandes läßt sich ein in relativ weiten Grenzen beliebiges
Halteverhältnis einstellen.
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Auch die Ansprechzeit läßt sich durch Parallelschalten einer Kapazität
Q zum Eingangswiderstand Re der Kippschaltung verändern. In Fig.
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sind gemessene Kurven wiedergegeben, in denen die Ansprechzeit t.. in Abhängigkeit
vom gleichgerichteten Strom la - 1.v bei verschiedenen Kapazitäten
Q
als Parameter dargestellt ist. Bei konstantem Strom ist die Ansprechzeit
t"", um so größer, je größer die Kapazität Q ist. Die Kurve
für C, = 0 #tF zeigt deutlich, daß die Kippschaltung eine vom
Eingangsstrom weitgehend unabhängige Ansprechzeit hat. Sie erfüllt also die Aufgabe
des Vergleichs des angegebenen Stromes mit dem bestimmten Bezugswert, bei welchem
die Schaltung ansprechen soll, in idealer Weise. Bei welliger Eingangsspannung kann
es vorteilhaft sein, die Dimensionierung der Eingangskapazität Ce so vorzunehmen,
daß die Welligkeit der Eingangsspannung kleiner wird als das Halteverhältnis der
Kippschaltung. Dadurch wird ein intermittierendes Ansprechen der Kippschaltung durch
die Welligkeit des Eingangsstromes verhindert.
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Es kann wünschenswert sein, eine Einstellung der Ansprechempfindlichkeit
der Schutzschaltung vorzunehmen. Dies wird mit einfachen Mitteln dadurch erreicht,
daß parallel zu den Ausgängen der Gleichrichteranordnungen die in Fig. 4 mit R,
und Ra bezeichneten regelbaren Widerstände vorgesehen werden. Diese stellen einen
Nebenschluß für die in den Gleichrichteranordnungen erzeugten Ströme dar.
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Es sind Differentialschutzschaltungen bekanntgeworden mit Einrichtungen,
die ein Ansprechen der Schutzschaltung und damit ein Auslösen der zu schützenden
Einrichtung unterbinden, wenn in dem zur Messung herangezogenen Differenzstrom Oberwellen
auftreten. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn infolge Einschaltens des Transformators
Tr ein hoher Magnetisierungsstrom (Rush-Strom) fließt. Auch in einer Schutzschaltung
mit solchen Einrichtungen läßt sich der Erfindungsgedanke verwirklichen, wenn man
den durch Summen- und Differenzbildung erhaltenen Strom und den Oberwellenstrom
zusammenfaßt. In Fig. 5 ist eine entsprechende Schaltungsanordnung wiedergegeben.
Der mit in."h, bezeichnete gleichgerichtete Oberwellenstrom wird dort derselben
Brückendiagonalen zugeführt, an der auch die Gleichrichteranordnung Gli für den
Summenstrom liegt. Dabei ist es zweckmäßig, die Gleichrichteranordnung für den Rush-Strom
hochohn-iig auszuführen, damit der durch die Gleichrichteranordnung Gli erzeugte
Summenstrom nicht über die Gleichrichteranordnung für den Rush-Strom abfließt, ohne
die Brückenschaltung B und damit den Eingang der Kippschaltung M zu durchfließen.
In bereits beschriebener Weise kann auch bei dieser Schaltungsanordnung eine Regelung
der Ansprechempfindlichkeit der Kippschaltung mittels den Gleichrichteranordnungen
parallel geschalteter Widerstände R, und R,1 erfolgen.
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Insbesondere beim Erdschlußschutz bei Generatoren treten relativ kleine
Ströme auf, so daß es in diesem Falle nötig werden kann, transistorbestückte Verstärker
vor den Gleichrichteranordnungen vorzusehen. Arbeitet eine solche Erdschlußschutzschaltung
mit einem Zeitrelais, so kann auch dieses Zeitrelais aus einer aus Transistoren
aufgebauten Kippschaltung und einem Zeitkonstantenglied bestehen, wofür vorzugsweise
ein RC-Glied verwendet wird. Dieses Zeitrelais betätigt dann im Fehlerfall über
einen Schalttransistor ein Hilfsrelais.
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In Fig. 6 ist eine Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
im Rahmen einer Schaltung für den Generatordifferentialschutz. wiedergegeben. Man
erkennt im linken Teil der Figur die Gleichrichteranordnung Gli für die Summenströme,
die im Falle eines dreiphasigen Generatorschutzes über drei Wandler gespeist wird.
Im rechten Teil der Figur liegt die Gleichrichteranordnung GIA für den Differenzstrom,
die ebenfalls über drei Wandler gespeist wird, deren Primärwicklungen jedoch unterteilt
sind. Jeweils die linke Klemme der drei der Gleichrichteranordnung Gli zugeordneten
Wandler ist verbunden mit dem in der Figur nicht dargestellten Stromwandlersatz,
der in die Sternpunktseite des Generators eingeschleift ist. Die rechte Klemme jedes
dieser drei Wandler ist verbunden mit dem Wandlersatz auf der Sammelschienenseite
des Generators, während die mittleren Anzapfungen der Primärwicklungen der Wandler
für Meßzwecke dienen. Der herausgef ührte Anschluß der der Gleichrichteranordnung
G1,1 zugeordneten Wandler führt zum gemeinsamen Sternpunkt der beidseitig des Generators
angeordneten Stromwandlersätze.
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Während der in der Gleichrichteranordnung Glä gebildete Differenzstrom
der BrückenschaltungB direkt
zugeführt wird, gelangt der in der
Gleichrichteranordnung Gl, gebildete Summenstrom über Siliziumgleichrichter GIa
und ohmsche Widerstände RR an die Brückenschaltung B, die die Aufgabe haben, eine
gekrümmte Ansprechkennlinie für die Schutzschaltung zu schaffen.
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Zur Regelung der Ansprechempfindlichkeit der Kippschaltung dient in
diesem Schaltungsbeispiel der Eingangswiderstand R, der Kippschaltung, der mit Abgriffen
versehen ist, die nach Prozentsätzen der maximalen Ansprechempfindlichkeiten geeicht
sind und an die über eine Prüftaste P die Basis des ersten Transistors T, des Schmitt-Triggers
angeschlossen ist. Diese Prüftaste P gestattet eine Kontrolle der Schaltung. Wird
sie umgelegt, so liegt die Basis des Eingangstransistors T, über einen Vorwiderstand
Rp an negativem Potential, so daß die Schaltung, wenn sie betriebsfähig ist, kippt.
Um bei diesem Prüfvorgang eine Auslösung des zu schützenden Generators zu vermeiden,
ist es zweckmäßig, der Prüftaste einen zusätzlichen Hilfskontakt zuzuordnen, der
die Auslösung verhindert. Im übrigen arbeitet die Schaltungsanordnung in der bereits
beschriebenen Weise.