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Momentanwert-Selektivschutz Die Entwicklung auf dem Selektivschutzgebiet
geht dahin, die Auslösezeiten -der Selektivschutzrelais im Fehlerfall immer weiter
zu verkürzen. Dabei ist es gelungen, mit besonderen Zusätzen zu den normalen Selektivschutzgeräten
in günstigen Fällen Zeiten bis herab zu einer Periode, d. h. Zeiten von etwa 20
ms, zu erreichen. Dies dürfte die unterste Grenze sein, die mit dem heute üblichen
Meßprinzip überhaupt zu erreichen ist. Als Meßglieder weisen die Selektivschutzsysteme
nämlich entweder wattmetrischeSysteme auf, bei denen untersucht wird, ob die Phasenverschiebung
zwischen zwei aus Strom und Spannung der zu schützenden Leitungsschleife abgeleiteten
Meßgrößen größer oder kleiner als 90° ist, oder aber Gleichstrombrückenschaltungen,
bei denen der Mittelwert zweier aus Strom und Spannung abgeleiteter Meßgrößen verglichen
wird. In beiden Fällen. braucht das Meßwerk wegen der Phasenwinkelmessung oder der
Mittelwertbildung als unterste Grenzzeit etwa eine Periode zur Messung.
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Will man die selektive Auswahl des von einer Störung betroffenen Leitungsabschnittes
sehr - bald nach dem Beginn der Störung treffen, so treten bei dem üblichen Impedanzprinzip
noch weitere Schwierigkeiten auf: Die gesamte Theorie der Relais beruht auf. der
Annahme sinusförmig verlaufender Größen. Je mehr man sich jedoch mit der Messung
zeitlich dem Beginn der Störung nähert, desto größer wird der Einfluß des im Kurzschlußstrom
oft' enthaltenen Gleichstromgliedes. Eine gründliche Untersuchung über das Arbeiten
der Selektivschutzrelais bei verlagerten Strömen ist bisher nicht erfolgreich durchgeführt
worden, und so sind die Aussagen über die Meßgenauigkeit bei verlagerten Kurzschlußströmen
recht unsicher.
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Ein weiteres Problem bildet der Widerstand eines an der Fehlerquelle
auftretenden Lichtbogens, * der besonders bei' zweiseitig gespeisten Lichtbögen
zu erheblichen Fehlern in der Distanzmessung führen kann. Ähnlich wirkt sich bei
Doppelerdschluß der , stark von den jeweiligen Verhältnissen abhängige Erdwiderstand
aus: Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Momentanwert-Selektivschutz.
Sie ist - dadurch gekennzeichnet,. daß die zeitlichen Ableitungen der Spannung an
der Leitungsschleife zwischen Station und Störungsstelle (Schleifenspannung) und
der Vergleichsspannung an. einer vom -Leitungsström - oder einem diesem proportionalen.:Strom-
- durchflössenen Induktivität gebildet werden--und "daß in .einem.-Vergleichssystem
-die Differenz Gier -=beiden- Ableitungen mit einer ;der - beiden- -Ableitungen-
verglichen, wird, wobei der Auslösebefehl für den zugehörigenLeistungsschalter nur
dann gegeben wird, wenn im Moment des Strommaximums die Vorzeichen der beiden miteinander
verglichenen Größen einer vorgegebenen Bedingung genügen. Dadurch wird es möglich,
auf Grund der Induktivität der von einer Störung betroffenen Leiterschleife die
Entfernung bis zur Störungsstelle unabhängig von der Kurvenform des Kurzschlußstromes
und eines etwaigen Lichtbogen- oder Erdwiderstandes innerhalb der ersten Halbwelle
des Kurzschlußstromes auszumessen.
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An Hand des Schaltschemas nach Fig. 1 und des in Fig. 2 dargestellten
Verlaufes der Lichtbogenspannung werden die theoretischen Grundlagen der vorliegenden
Erfindung abgeleitet. In den Fig. 3 bis 5 sind drei verschiedene beispielsweise
Ausführungsformen des Momentanwert-Selektivschutzes nach der Erfindung dargestellt.
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Soll ein Selektivschutzsystem die Entfernungsmessung exakt unabhängig
von der Kurvenform des Stromes in der zu überwachenden Leitungsstrecke durchführen,
so muß die Theorie sich auf die Momentanwerte der elektrischen Größen stützen.
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In Fig. 1 ist eine zweiphasige Leitung dargestellt, ausgehend von
einer Station Sdie an der Stelle K durch einen Lichtbogen B mit der Bogenspannung
uB kurzgeschlossen ist. R und L sind der Widerstand und die Induktivität
der Leitungsschleife von der Station bis zur Störungsstelle. Der Leitungsstrom i
durchfließt noch eine Vergleichsinduktivität Lo, die mit einem ohmschen Widerstand
Ro behaftet ist und an der die Vergleichsspannung um abfällt. Die Spannung
an
der gestörten Leitungsschleife sei u1. Dann gelten folgende beide Momentanwertgleichungen:
Theoretisch wäre es möglich, im Stromnulldurchgang (i = 0) durch Quotientenbildung
von u1 und uo -
das Verhältnis der Induktivität L der Leitungsschleife bis
zur Störungsstelle und der VergleichsinduktivitätLo zu messen, wenn man annimmt,,
dae für i-= 0 auch uB = 0' ist. Diese Annahme ist jedoch nur für einseitig gespeiste
Lichtbögen zulässig. Bei zweiseitig gespeisten Lichtbögen fällt im allgemeinen der
Nullduschgang des Lichtbogenstromes nicht mit dem der beiden Leitungsströme zusammen,
so daß im Nullduschgang des einen Leitungsstromes die Lichtbogenspannung noch vorhanden
ist und die Messung des Induktivitätsverhältnisses erheblich verfälschen kann. Da
das Induktivitätsverhältnis als Maß für die Entfernung bis zur Störungsstelle dienen
soll, kann man demnach den Gleichungen (1) und (2) nicht ohne weiteres ein auch
bei einem Lichtbogenkurzschluß exakt stimmendes Meßprinzip entnehmen.
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Differenziert man. die Gleichungen (1) und (2) jedoch einmal nach
der Zeit, so erhält man:
In dem Augenblick, in dem d- = 0 ist; d. h. im Strommaximum, gehen die Gleichungen
(3) und (4) über in:
In Fig. 2 ist der ungefähre- Verlauf der Spannung eines frei brennenden Lichtbogens
bei sinusförmigem Bogenstrom dargestellt. Man erkennt, daß die Lichtbogenspannung
uB bei kleinem Strom schnell ansteigt und dann fast konstant bleibt. Es kann also
in einer weiteren Umgebung des Strommaximums gesetzt werden
Auch. in Gleichung (5) kann somit das Glied ddr Null gesetzt werden, selbst wenn
es sich um einen zweiseitig gespeisten Lichtbogen handelt und der Lichtbogenstrom
eine gewisse Phasenverschiebung gegenüber dem Leitungsstrom i aufweist. Damit gilt
im Strommaximum
Durch Quotientenbildung der Gleichungen (5a) und (ö) ist es jetzt möglich, das Induktivitätsverhältnis
n exakt zu bestimmen:
Aufgabe des Selektivschutzes ist es nun aber nicht, durch Messung z: B. des Induktivitätsverhältnisses
n die Entfernung bis zur Fehlerstelle, die . diesem n direktproportional ist, zu
bestimmen, sondern er muß lediglich entscheiden, ob die Entfernung größer oder kleiner
ist als eine vorgegebene Strecke, die z. B. zu 90 °/0 des Abstandes bis zur nächsten
Schaltstation gewählt wird. Dieser vorgegebenen Strecke möge das Verhältnis n, entsprechen,
so daß lediglich festgestellt werden muß, ob das gemessenen größer oder kleiner
als no ist: Da der Quotient meßtechnisch schwierig zu bilden ist, kann diese Entscheidung
einfacher durch einen Vorzeichenvergleich getroffen werden. Zu diesem Zweck substrahiert
man die Gleichung (6) von der mit n, multiplizierten Gleichung (5a), wobei zudem
nach Gleichung (8) L = n - Lo einzusetzen ist:
In dieser Gleichung kann nun noch
durch Gleichung (5a) oder Gleichung (6) ersetzt-werden. Man erhält dann
oder
Auf Grund der Gleichungen (10) und (11) ist es nun leicht zu entscheiden, ob n größer
oder kleiner als n. ist, d. h. ob die Störungsstelle innerhalb der zu schÜtzenden
Leitungsstrecke liegt. Ist nämlich no > n, so gilt nach Gleichung (10)
oder nach Gleichung (11):
während für no < n die Vorzeichen entgegengesetzt sind. Dabei bedeutet
das mathematische Symbol »sign« die Abkürzung für Vorzeichen.
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Nun ist es aber in der Schutztechnik noch wichtig, zu entscheiden,
welche Energierichtung vorliegt, d. h. ob
sich die Störung rechts
oder links der Meßstelle befindet. Läge z. B. in Fig. 1 die Störungsstelle links
von der Station S, so würde bei gleicher Spannung u1 der Strom i seine Richtung
ändern, was analytisch dadurch dargestellt werden kann, daß man für R und L negative
Werte einführt: R<0; L<0.
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Bei L < 0 wird nach Gleichung (8) auch das zugehörige n < 0.
Der Selektivschutz soll nur zur Abschaltung führen, wenn der Fehler von der Station
aus in Vorwärtsrichtung, d. h. auf der zu schützenden Leitungsstrecke, liegt, wenn
der gemessene Wert n also in folgenden Grenzen bleibt: no>n>0. Kontrolliert man
an Hand der Gleichungen (10) und (11) die beiden Vorzeichenbedingungen (12) und
(13), so erkennt man, daß Bedingung (13) nach Gleichung (11) für alle Werte n <
na, d. h. auch für negative n-Werte, erfüllt wird. Die Erfüllung der Bedingung (13)
erlaubt also bloß eine Aussage über die Entfernung, nicht aber über die Richtung
zur Fehlerstelle hin. Diese muß für einen vollständigen Selektivschutz noch zusätzlich
bestimmt werden, z. B. durch einen Vorzeichenvergleich von
und im Strom-
maximum: Es gilt
beim-Fehler in Richtung der zu schützenden Leitungsstrecke.
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Gemäß Gleichung (10) ist die Bedingung (12) dagegen nur für solche
n-Werte erfüllt, für die gilt: no>n>0.
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Daraus folgt: Ein Selektivschutz gemäß den der Erfindung zugrunde
liegenden Gedanken soll vorzugsweise so ausgeführt sein, daß er den @ Auslösebefehl
an den zugehörigen Leistungsschalter dann gibt, wenn im Strommaximum folgende Bedingung
erfüllt-' ist:
Dabei ist zu beachten, daß der Widerstand R, der Vergleichsinduktivität überhaupt
nicht in die Messung eingeht, also beliebig gewählt werden, somit auch Null sein
kann.
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Ferner hängen die Angaben der Polaritätsbedingungen (12) und (1'3)
wie die ganze Ableitung von der Wahl der Bezugspfeile im zugehörigen Schaltbild
ab. Werden diese anders als in Fig. 1 gewählt, so werden sich entsprechend auch
die Vorzeichenbedingungen ändern, die zu einer Auslösung erfüllt sein sollen.
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In Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung
normaler -'Strom- und Spannungswandler dargestellt. 11 und 12 sind
die beiden Leiter der zu schützenden Leitungsstrecke. Der Spannungswandler 13 liegt
an der Schleifenspannung u, der Stromwandler 14 mißt den Leitungsstrom i.
Sein Sekundärstrom durchfließt die Induktivität 15; die die Vergleichsinduktivität
bildet und an deren Sekundärwicklung die Spannung
entsteht. Wie aus der Figur ersichtlich, überlappen sich die Sekundärstromkreise
der Induktivität 15 und des Spannungswandlers 13. Der Sekundärstromkreis
der Induktivität 15 besteht aus dem Kondensator 16
und dem Shunt
18, der Sekundärstromkreis des Spannungswandlers 13 aus dem Kondensator 17
und den Shunts 18 und 19. Die Wechselstromwiderstände der Kondensatoren
16 und 17 sind wesentlich größer als die Widerstände der Shunts 18 und 19, so daß
nur die Kondensatoren den Strom in ihrem zugehörigen Stromkreis bestimmen. Am Kondensator
16 liegt dann praktisch die gesamte Spannung u(, für den Strom i. gilt
Am Kondensator 17 liegt annähernd die gesamte Spannung u1, für den Strom il gilt:
Durch den für beide Sekundärkreise gemeinsamen Shunt 18 fließt die Differenz d
i = !o - ü der beiden Sekundärströme; der Spannungsabfall an ihm ist
deshalb proportional
In den Proportionalitätsfaktor k, von dem die Länge der geschützten Leitungsstrecke
abhängt, gehen- die Größen der Vergleichsinduktivität 15, der Kondensatoren 16 und
17 sowie die Übersetzungsverhältnisse der Wandler 13, 14 ein. An dem Shunt 19 fällt
noch eine dem Strom il, d. h.
, proportionale Spannung ab.
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Die elektronischen Geräte 20 und 21 werden vorzugsweise aus
Transistoren aufgebaut und lösen nach bekannten Prinzipien folgende beide Aufgaben:
Dem Gerät 20 wird zur zeitlichen Erfassung des Strommaximums die Spannung u. zugeführt;
es erzeugt an seinem Ausgang bei jedem Nulldurchgang von uo einen Impuls, der an
das Gerät 21 weitergeleitet wird. Das Gerät 21 verarbeitet diesen
Impuls sowie die d i und il proportionalen Shuntspannungen. Es hat die Aufgabe,
die Polarität der beiden zugeführten Shuntspannungen in dem durch den Impuls festgelegten
Augenblick zu vergleichen und bei Übereinstimmung der beiden Polaritäten, bezogen
auf die in Fig. 3 eingetragenen Zählpfeile, den Auslösebefehl an den zugehörigen
Leistungsschalter zu geben.
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Mit Vorteil läßt sich das System fernerhin so ausführen, daß das Gerät
21 erst ab einer bestimmten Größe des Scheitelwertes der Spannung uo den Vergleich
durchführt, womit das Schutzsystem eine von der Steilheit des Leitungsstromes abhängige
Überstromanregung besitzt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise an die Spannung u,
ein spannungsabhängiges, abfallverzögertes Relais 22 angelegt werden, das seine
Kontakte 23 erst nach Überschreiten eines bestimmten Spannungswertes schließt- und
etwa eine Halbwelle geschlossen hält, so daß erst dann der Steuerimpuls des Gerätes
20 an das Gerät 21 weitergeleitet wird.
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Bekanntlich bereiten die normalen Strom- und Spannungswandler gerade
beim Selektivschutz erhebliche Schwierigkeiten. Der Stromwandler geht bei höheren
Strömen, insbesondere bei verlagerten Kurzschlußströmen, in Sättigung. Der kapazitive
Spannungswandler
überträgt wegen der Resonanzschaltung die bei
Kurzschluß. zusammenbrechende Netzspannung erst nach einigen Halbwellen richtig.
Ein großer Vorteil des der Erfindung zugrunde liegenden Schutzsystems besteht nun
darin, daß zur Ausmessung der gestörten Leitungsschleife nicht mehr die elektrischen
Größen selbst, sondern nur ihre zeitlichen Ableitungen benötigt werden. Damit können
Wandler verwendet werden, die an der Sekundärseite auch nur die zeitliche Ableitung
der Primärgröße wiedergeben. So kann der normale Stromwandler z. B. durch einen
sogenannten 1-Wandler nach dem Prinzip des Rogowskigürtels ersetzt werden, bei dem
die Sekundärgröße als Spannung der Ableitung des Primärstromes proportional ist.
Ebenso kann an Stelle des Spannungswandlers eine Kondensatorkette verwendet werden,
wobei als Sekundärgröße der über einen Stromwandler gemessene, der Ableitung der
Leiterspannung proportionale Ladestrom dient.
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Fig. 4 zeigt das Schaltbild bei Verwendung solcher Wandler: 31 und
32 sind wieder die beiden Leiter der zu .schützenden Leitungsstrecke. Die Schleifenspannung
u liegt an der Kondensatorkette 33, deren Ladestrom durch den Stromwandler 34 gemessen
wird. Dessen Sekundärstrom il ist damit proportional. Die sekundärseitig an dem
1-Wandler
35 auftretende Spannung u, ist der zeitlichen Ableitung des Primär-Stromes proportional.
Der I-Wandler übernimmt damit die Funktion der Vergleichsinduktivität Lo nach Fig.
1. Die, Spannung u, liegt an dem Kondensator 36, dessen Ladestrom i, seinerseits
der zeitlichen Ableitung von uo proportional ist. Die beiden elektronischen Geräte
37 und 38 entsprechen den Geräten 20 und 21 der Fig. 3. An- Stelle der Shuntspannungen
werden hier dem Vergleichsgerät 38 die beiden Ströme direkt zugeführt:
Bei gleicher Richtung des im Gerät 38 gebildeten Differenzstromes A i --
o - il und des Stromes il im Augenblick des Leitungsstroxnmaximums bewirkt
auch hier das Gerät 38 die Auslösung des zugehörigen Leistungsschalters.
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Fig. 5 zeigt eine Abwandlung. der Anordnung nach Fig. 4. Die. Ströme
werden wie in der Schaltung nach Fig. 4 erzeugt. Das Vergleichssystem besteht hier
aus dem Hallmodulator 50-und dem elektronischen Gerät 55. Der Hallmodulator 50 enthält.
einen Haugenerator 51; der z. B. .von dem Differenzstrom A i als Steuerstrom durchflossen
wird, und die Felderregerwicklung 52, die von dem Strom il gespeist wird. Die an
den Ausgangsklemmen 53 abgegebene Hauspannung ändert ihre Polarität je nachdem,
ob, die Ströme il und d i in gleicher oder in verschiedener RichiungE fließen.
Das :dem Gerät 20 in Fig. 3 entsprechende Steuergerät 54 liegt an der Spannung
u. und gibt dem elektronischen Gerät 55 den Meßzeitpunkt. an.-Das Gerät 55 hat jetzt
nur noch zu entscheiden, ob die ihm zugeführte Hauspannung im Meßzeitpunkt positiv
oder negativ ist; es, bewirkt gegebenenfalls die - Auslösung des zugehörigen Leistungsschalters.
Das Gerät 55 läßt sich einfacher ausführen als die Geräte.' 1. lind 38, da
es nur eine einfache Polaritätsbestimmung durchführen muß. :An- -Stelle von J
1 kann. man auch i,.els Steuerstrom- des Hall, generators 51 verwenden. Zur
Erregung des gnet-Systems dient dann die Stromdifferenz d i. Dabei wird man
zweckmäßigerweise so vorgehen, daß man an Stelle der Wicklung 52 zwei Wicklungen
anbringt, die gegeneinandergeschaltet und von il bzw. 10 .durchflossen werden. Die
Bildung der Stromdifferwm di-erfolgt dann auf magnetischem Wege, wobei es von Vorteil
ist, daß die beiden Stromkreise von il und 1o galvanisch getrennt bleiben. Ferner
können an Stelle der zum Differenzieren der Spannungen dienenden Konden. satoren
andere Elemente verwendet werden, z. B. Differenzierverstärker.
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Es kann sich weiter als vorteilhaft erweisen, durch Filteranordnungen
hochfrequente Vorgänge von dem Vergleichssystem fernzuhalten, wie sie z. B. durch
Hochfrequenzübertragung, Ausgleichsvorgänge auf der Leitung oder flatternde Lichtbögen
erzeugt werden können, derart, daß dem Vergleichssystem nur die betriebsfrequenten
Größen zugeführt werden.
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Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß es nach den Grundgedanken
der Erfindung möglich ist; auf relativ einfache Weise einen Selektivschutz zu bauen,
der nach Überschreitung einer bestimmten Stromsteilheit bereits im ersten darauffolgenden
Maximum des Stromes eine selektive Auswahl des zu betätigenden Schalters trifft,
unabhängig vom Verlauf des Stromes und von Lichtbögen an der Störungsstelle.