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Schnellimpedanzschutz Fast alle heute verwendeten Selektivschutzgeräte
enthalten als Meßglieder mechanische Systeme. Auf Grund ihrer Trägheit sprechen
diese Systeme auf Mittelwerte der ihnen zugeführten elektrischen Größen an. In zunehmendem
Maße werden an den Schnellimpedanzschutz immer höhere Forderungen hinsichtlich Schnelligkeit
und Herabsetzung des Eigenverbrauchs gestellt, die dazu führen, die Trägheit der
mechanischen Meßglieder kleiner zu machen. Man wäre im Prinzip in der Lage, diese
Trägheit so weit zu verringern, daß das Meßsystem bereits bei Bruchteilen einer
Periode der elektrischen Größen anspricht. Diese Schnelligkeit kann man jedoch mit
den heute bekannten Meßverfahren nicht ausnutzen, da bei allen Meßverfahren, besonders
wenn der Kurzschlußstrom ein Gleichstromglied aufweist, die auf die mechanischen
Meßsysteme wirkenden Kräfte mit der gleichen bzw. der doppelten Frequenz der elektrischen
Größen pulsieren können. Um eine Fehlauslösung auf Grund dieser pulsierenden Kräfte
zu vermeiden, muß das Meßsystem so träge gemacht werden, daß es nur auf den Mittelwert
der Kraft anspricht. Die untere Grenzzeit der Selektivschutzgeräte mit mechanischen
Meßgliedern kann deshalb eine Periode kaum unterschreiten.
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Um nun diese Grenze zu durchbrechen und um gleichzeitig die Belastung
der Meßwandler durch die Schutzrelais zu vermindern, versucht man schon seit langem,
Selektivschutzgeräte unter Benutzung elektronischer Mittel aufzubauen. Durch die
schnelle Entwicklung auf dem Halbleitergebiet gewinnen diese Versuche zunehmende
Bedeutung. Der grundsätzliche Unterschied zwischen elektronischen Schutzrelais und
solchen mit mechanischen Meßwerken besteht darin, daß die ersten von Natur aus auf
die Momentanwerte der ihnen zugeführten elektrischen Größen ansprechen, während
die anderen, wie oben gezeigt, stets eine gewisse Mittelwertsbildung durchführen.
Daraus erklären sich einige Besonderheiten, die bei einem elektronischen Selektivschutz
beachtet werden müssen, besonders die Empfindlichkeit gegenüber kurzzeitigen Störimpulsen.
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Die bisherigen Vorschläge für elektronische Schutzrelais können in
zwei Gruppen unterteilt werden. Beiden ist gemeinsam, daß die Spannung u an der
Leiterschleife und die Spannung uo an einer vom Leitungsstrom durchflossenen Vergleichsimpedanz
zueinander in Beziehung gesetzt werden.
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In der ersten Gruppe werden die Polarität der Spannung u und
der Differenz u, - u der beiden Spannungen miteinander verglichen und ein
Auslösebefehl aus der Dauer der Polaritätsgleichheit abgeleitet (Phasenvergleichs-
oder Koinzidenzzeitschutz). In der zweiten Gruppe wird eine Messung nur in einem
sehr kurzen, entweder durch den Stromverlauf oder den Spannungsverlauf genau festgelegtenAugenblick
jeder Halbwelle durchgeführt (Momentanwertschutz).
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Eine der zweiten Gruppe zuzurechnende Anordnung arbeitet in der Weise,
daß insbesondere während der ersten Halbwelle des Überstromes die Momentanwerte
der Spannungsabfälle an der Leitungsschleife und einer Leitungsnachbildung einem
Vergleichssystem zugeführt werden. Dieses bildet aus den Momentanwerten der genannten
Spannungen ein Entfernungs- und Richtungskriterium für die Lage der Störstelle,
wobei als einzige zeitliche Bedingung ein ausreichender zeitlicher Abstand von den
Nullstellen der Spannung an der Leitungsnachbildung gefordert wird.
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Man erhält bei beiden Gruppen auf diese Weise verschiedene brauchbare
Auslösegebiete in der Impedanzebene. Jedoch weisen sie Nachteile auf, die bisher
einer Anwendung in der Praxis entgegenstanden: Die Funktionsweise der Geräte wurde
stets für rein sinusförmige Größen, besonders auch für einen sinusförmigen Fehlerstrom,
abgeleitet. Bei schnellen Geräten, die innerhalb der ersten Halbwellen einer Störung
eine Auslösung selektiv bewerkstelligen sollen, muß aber das Gleichstromglied des
Kurzschlußstromes berücksichtigt werden. Dieses führt bei den Systemen der ersten
Gruppe zu einer erheblichen Ausweitung des Auslösegebietes. Ebenso macht die Berücksichtigung
eines eventuell möglichen
Lichtbogenwiderstandes Schwierigkeiten.
Systeme der zweiten Gruppe dagegen sind außerordentlich empfindlich auf Störimpulse,
wenn diese in den Meßaugenblick fallen. Außerdem können auch hier die Eigenschaften
des Lichtbogens, besonders bei zweiseitiger Speisung, erhebliche Schwierigkeiten
bereiten.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, durch ein neues Meßverfahren
diese Nachteile der bisher bekannten elektronischen -Selektivschutzgeräte zu vermeiden.
Sie behandelt ein Schnellimpedanzrelais, dem zur Bildung eines Auslösekriteriums
die Spannung u an der Leitungsschleife, und. die Spannung uo an einer Vergleichsimpedanz
zugeführt werden und in dem die Differenzspannung A u = uo - u gebildet
wird, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Polaritäten der genannten Spannungen
oder daraus abgeleiteter Größen in jeder Stromhalbwelle nur innerhalb einer Zeitspanne
to ausgewertet werden, während der der Schleifenstrom i und seine zeitliche Ableitung
gleiches Vorzeichen haben.
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An Hand der Fig. 1 und 2 wird die Bedeutung gezeigt, die einer Beschränkung
der Auswertung auf eine Zeitspanne, in der i und gleiches Vorzeichen haben, zukommt.
Die Fig.3,
5 und 7 zeigen die Auslösegebiete, wie sie sich für die verschiedenen Ausführungsbeispiele
gemäß den Fig.4, 6 und 8 ergeben. Diese Schaltungen sind nach den Prinzipien der
digitalen Steuerungs- und Regelungstechnik aufgebaut. Dabei werden nur Bauteile
verwendet, die nach relativ einfachen, allgemein bekannten Grundschaltungen unter
der vorzugsweisen Verwendung von Transistoren aufgebaut sind und nur »Ja<-»Nein«-Aussagen
(»Signal« oder »Kein Signale) machen.
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Fig. 1 zeigt eine zweiphasige, zweiseitig gespeiste Leitung. 1 und.
2 sind die beiden Kraftwerke, 3 und 4
zwei Unterstationen. Der Betrachtung
wird der in der Station 3 eingebaute Schutz -zugrunde gelegt, der die Leitungsstrecke
bis zur Station 4 schützen soll. Auf dieser Leitungsstrecke trete ein Fehler 5 auf,
wobei für die allgemeinen Betrachtungen der Widerstand des Fehlers vernachlässigt
wird. Dann ist die Impedanz zwischen dem -Fehler und der Station 3 gegeben durch
die Leitungsimpedanz, bestehend aus der ohmschen Komponente R und der induktiven
Komponente aiL. Der Fehlerstrom i durchfließt diese Impedanz und ergibt in der Station
3 die Schleifenspannung u. Ferner, durchfließe. der Fehlerstrom
i
noch eine Vergleichsimpedanz R., aoLo, die normaler- ; weise auf der Sekundärseite
von Stromwandlern angeschlossen wird. Die Spannung an dieser Vergleichsimpedanz
betrage uo. Dann bestehen zwischen den Momentanwerten der Spannungen u und u, und
des Stromes i folgende Beziehungen: ;
Subtrahiert man Gleichung-1- von Gleichung 2, so ergibt sich
Auf Grund der Gleichungen 1 und 3, die völlig unabhängig von der Kurvenform des
Kurzschlußstromes sind, kann man, wenn i und gleiches Vorzeichen haben oder, anschaulicher
ausgedrückt,
im Gebiet zwischen dem Nulldurchgang und dem Maximum des Fehlerstromes folgende
Aussagen machen, bei denen sich die Angaben von Polarität und Vorzeichen auf die
Zählpfeile nach Fig.1 beziehen 1. Für R > 0 und L > 0 muß die Spannung
u dasselbe Vorzeichen wie i und
aufweisen (nach Gleichung-1)-2. Für R < 0 und L < 0 muß die Spannung
u das entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen wie i und d t (nach Gleichung
1).
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3. Für R < Ro (Ro - R > 0) und L < Lo (Lo - L > 0)
muß
die Spannung d u gleiches Vorzeichen aufweisen wie i und tt (nach Gleichung 3).
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4. Für R > Ro (RD - R < 0) und L > L,. (Lo -L < 0)
muß
die Spannung d u das entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen wie i und
(nach Gleichung 3): Auf Grund dieser Aussagen ist es möglich, in einer Widerstandsebene,
wie sie in Fig. 2 dargestellt., ist und in der Zo (Ro , o)Lo) die Vergleichsimpedanz
bedeutet, drei Gebiete sicher zu unterscheiden: Gebiet a) R>Ro>0 L>Lo>0 Spannung
u hat stets gleiches, Spannungd u stets entgegengesetztes Vorzeichen wie i und d
t . Gebiet b) .
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' Ro>R>0 Lo>L>0 Spannungen u und d u haben stets gleiches
Vorzeichen wie i und d t -dt `
Gebiet c) R<0 L<0 Spannung
d u hat stets gleiches, Spannung u
stets entgegengesetztes Vorzeichen
wie i und
Durch Vergleich der Polarität der beiden Spannungen u und d u mit
der von i und innerhalb der Auswertezeit lassen sich somit unabhängig
von der Kurvenform des Stromes drei Gebiete in der Impedanzebene abgrenzen. Durch
zweckmäßige Wahl der Vergleichsimpedanz ZO im Vergleich zur Impedanz der zu schützenden
Leitungsstrecke kann man erreichen, daß bei Leitungsimpedanzen in den Gebieten a)
und c) nie und im Gebiet b) immer eine Auslösung erfolgen soll: Man kann nun unter
Beachtung des übergeordneten Kennzeichens der Erfindung, wobei Messungen nur durchgeführt
werden, wenn i und
gleiches Vor= zeichen haben, mit Hilfe der Spannungen u und d u
verschiedene
Auslösekriterien festlegen, wovon nach:. stehend drei beispielsweise Ausführungsformen.
erläptert werden. Je nach der genauen Festlegung des Auslösekriteriurns
wird
in der- Impedanzebene ein Auslösegebiet abgegrenzt, das stets das Gebiet b) der
Fig. 2 enthält und dessen Grenzen im nicht schraffierten Gebiet der Fig.2 liegen.
Diese Abgrenzung ist jedoch mehr oder weniger von der Kurvenform des Stromes abhängig.
Um diesen Einfluß zu berücksichtigen, wird deshalb ein Stromverlauf nach Gleichung
4 angenommen i = 1- [sin (co t - ggi) + sin q"i] . (4)
Der Fehler
tritt zur Zeit t=0 ein. Die Stromform ist sinusförmig, enthält jedoch ein überlagertes
Gleichstromglied, dessen Größe durch den Eintrittswinkel des Kurzschlusses bestimmt
ist, dessen Abklingen jedoch vernachlässigt wird, so daß das Glied singpi der Gleichung
4 das als konstant angenommene Gleichstromglied des Kurzschlußstromes darstellt.
Die Spannung-u an der Leitungsschleife beträgt dann gemäß Gleichungen 1 und 4:
u = R - 1 [sin (cot - pi) + sin pi] + coL - 1 cos (cot-
pi) (5)
Die Spannung uo ergibt sich aus Gleichungen 2 und 4: u,
= R, -1 [sin (cot - ggi) + sin qqi] + coLo -1 cos (cot-qgi)
(6)
Aus Gleichung 3 bzw. 5 und 6 folgt: d u = (R, - R) 1 [sin
«» t - ggi) + sin 9'i] + a) (L, - L) 1 cos (c) t - ggi)
(7)
In Fig. 2 a sind der Kurzschlußstrom und die beiden Komponenten z. B.
der Spannung d u dargestellt. Die Meßperioden sind jeweils durch das schraffierte
Gebiet gegeben, wobei zur Vereinfachung angenommen wurde, daß die Auswertezeit to
den gesamten Zeitraum vom Stromnulldurchgang bis zum Strommaximum erfaßt.
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In der Einleitung war bereits ausgeführt, daß bei allen elektronischen
Schutzsystemen dem Einfluß von Störimpulsen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden
muß. Der sicherste Weg zur Beseitigung des schädlichen Einflusses von Störimpulsen
besteht darin, die davon betroffenen elektrischen Größen zu integrieren. In der
ersten Ausführung eines Schnellimpedanzschutzes gemäß der Erfindung wird deshalb
ein Auslösebefehl an den zugehörigen Leistungsschalter erteilt, wenn sowohl das
Zeitintegral der Spannung u als auch das der Differenzspannung d u am Ende
der Auswertezeit to dieselbe Polarität aufweisen wie der Schleifenstrom i, wobei
sich die Integrationsdauer ; über die gesamte Auswertezeit to erstreckt. Wird diese
Auslösebedingung erfüllt, so hatten während der Auswertezeit to sowohl die Spannung
u als auch die Differenzspannung d u überwiegend die gleiche Polarität wie
i und . Unter der Annahme eines Stromverlaufes gemäß
Gleichung 4 läßt sich zeigen, daß die Grenzen des Auslösegebietes zwei Geradenscharen
durch den Ursprung und den Endpunkt des Zeigers Z, werden, wobei die Neigung der
Geraden von dem i Kurzschlußwinkel 97i und damit von der Größe der Stromverlagerung
abhängt. Fig. 3 gibt diese Geraden für verschiedene Kurzschlußwinkelpi an, das Aus-Lösegebiet
liegt jeweils zwischen den beiden zusammengehörigen parallelen Geraden durch den
Ursprung und den Endpunkt des Zeigers Zo.
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Fig.4 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform. Darin stellen 11
und 12 je einen Nullverstärker, in der Regelungstechnik auch als Grenzwertmelder
bekannt, dar, die je einen Eingang 13 und zwei Ausgänge 14 und 15 besitzen. Der
Ausgang 14 führt ein Signal, wenn der Eingang 13 positive Polarität aufweist, der
Ausgang 15, wenn der Eingang 13 negative Polarität aufweist. Zugeführt wird dem
Nullverstärker 11 eine dem Fehlerstrom i proportionale Spannung, dem Nullverstärker
12 eine der zeitlichen Ableitung tt proportionale Spannung. Beide Spannungen können
leicht an den beiden Komponenten Ro, L, der Vergleichsimpedanz abgenommen werden.
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Die beiden Ausgänge 14 und 15 werden je einem »Und«-Tor 16
bzw. 17 zugeführt. Jedes »Und«-Tor besitzt zwei Eingänge 18 und 19, und sein Ausgang
20 führt nur ein Signal, wenn beide Eingänge 18 und 19 ein Signal erhalten. Der
Ausgang des »Und«-Tores 16 führt also ein Signal, solange i und
positiv sind, das »Und«-Tor 17, solange i und -
negativ sind. Durch die beiden »Und«-Tore wird. ein Relais 21
mit zwei Wicklungen
angesteuert, außerdem ein »Gedächtnis«-Glied 22 (M = Memory), das z. B. aus einer
einfachen bistabilen Kippstufe besteht. Es hat zwei Eingänge 23 und 24 und
zwei Ausgänge 25 und 26. Der Ausgang 25 - führt Signal, sobald der Eingang 23 Signal
bekommt, und zwar so lange, bis dem Eingang 24 ein Signal zugeführt wird.
Von diesem Moment an führt der Ausgang 26 Signal, bis wieder der Eingang
23 angesteuert wird.
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Den aus je einem Widerstand und einem Kondensator bestehenden Integriergliedern
27 und 28 werden die Spannungen u und d u zugeführt. Die Relaiskontakte
29 und 30 schließen die Kondensatoren bei nicht erregtem Relais 21 über die niederohmigen
Widerstände 31 und 32 kurz und geben die Integration der Spannungen u und
d u nur während der Auswertezeit to frei, in der i und
gleiches Vorzeichen haben, denn nur dann wird das Relais 21 erregt. Am Ende der
Auswertezeit werden die Kondensatoren der Integrierglieder wieder kurzgeschlossen,
und an den Widerständen 31 und 32 entsteht je ein Spannungsimpuls, der dieselbe
Polarität hat wie das Spannungszeitintegral der zugehörigen Spannung. Diese beiden
Impulse werden, wenn sie positiv sind, dem »Und«-Tor 33 zugeführt, an dessen dritten
Eingang der Ausgang 25 des Gedächtnisses angeschlossen ist. Dieses »Und«-Tor gibt
an seinem Ausgang nur dann einen Impuls ab, wenn die beiden Spannungszeitintegrale
von u und d u am Ende einer Auswertezeit mit positiven i und
auch positiv sind.
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Sind die Impulse negativ, so werden sie über eine Umkehrstufe
34, die sie in positive Impulse verwandelt, einem »Und«-Tor 35 zugeführt,
dessen dritter Eingang mit dem Ausgang 26 des Gedächtnisses verbunden ist. Dieses
»Und«-Tor 35 gibt nur ein Signal ab, wenn die beiden Spannungszeitintegrale von
u und d u am Ende einer Auswertezeit mit negativen i und
auch negativ sind.
Sobald also eines der beiden »Und«-Tore 33 oder
35 ein Signal abgibt, ist die vorgeschriebene Auslösebedingung erfüllt, und eine
Auslösung des zugehörigen Leistungsschalters muß erfolgen.
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Eine weitere Ausführungsform eines Schnellimpedanzschutzes gemäß der
Erfindung kann auf folgender Auslösebedingung aufgebaut werden: Eine Auslösung soll
erfolgen, wenn innerhalb der Auswertezeit to, in der i und
gleiches Vorzeichen haben, sowohl die Spannung u als auch die Spannung 4 u mindestens
während einer vorgeschriebenen Koinzidenzzeit tk das gleiche Vorzeichen haben wie
i und
Unter der Voraussetzung einer Kurvenform des Stromes gemäß Gleichung 4 lassen sich
aus den Gleichungen 5 und 7 die Grenzen des Auslösegebietes in der Impedanzebene
ableiten: Zur Festlegung der Koinzidenzzeit tk von d u
müssen zwei Fälle unterschieden
werden: a) R>Ro, d. h. (Ro-R)<0; Lo>L In diesem Fall ist das erste Glied der
Gleichung 7 in der ersten Halbwelle negativ, die Koinzidenzzeit (d u positiv)
zählt also vom Beginn der Meßperiode bis zu dem Zeitpunkt t,., für den gilt (Ra
- R) [sin (c) t,. - cpi) -f- sin pi] -f- c) (Lo - L) cos
4 t1 - (pi) = 0 (8)
Für eine vorgegebene konstante Koinzidenzzeit
tx -- ggk ergibt sich daraus die Auslösegrenze, indem co t-, = c) tk
= 99x gesetzt wird:
Der Vergleich mit der Gleichung einer Geraden in einer x-y-Ebene durch den Punkt
xo, y,: Y-Yo = tg a (x-xo) (10) zeigt, daß die Grenze des Auslösebereiches
durch eine Gerade durch den Punkt (a)L" Ro), d. h. durch den Endpunkt der Vergleichsimpedanz
Zo, mit der Steigung
gegeben ist. b) L> Lo, d. h. «)(L,-L)<0, Ro > R
In diesem Fall ist
das zweite Glied der Gleichung 7 in der ersten Halbwelle negativ. Die Koinzidenzzeit
(Au positiv) zählt jetzt vom Strommaximum nach vorn bis zu dem Zeitpunkt tl, für
den gilt: (Eo - R) [sin (oi t,. - pi) + sin cpi] -f- £o (Lo
- L) cos (c) tl - cpi) = 0 (12)
Für eine konstante Koinzidenzzeit
tk - 99k -
ergibt sich die Grenze des Auslösegebietes, wenn man in
Gleichung 12 einsetzt: 0o t, = (cpi -I- 90° - cpk) (13)
(14) o Der Vergleich mit der Gleichung einer Geraden zeigt, daß auch in diesem Gebiet
die Grenze des Auslösebereiches eine Gerade durch den Punkt (coLo; Ro) ist, jedoch
mit der Steigung sin (90' - pk) -I- sin cpi tg a - -
cos (90'- (pk) (15) Die zweite Begrenzung des Auslösebereiches ergibt sich aus der
Bedingung, daß auch die Spannung u länger als tk =C#- cpk dasselbe Vorzeichen wie
i und di aufweisen soll. Vergleicht man die Gleichunät gen 5 und 7, so erkennt
man, daß Gleichung 7 in 5 übergeht, wenn man (R, - R) durch R und co(Lo-L) durch
(»L ersetzt. Durch eine sinngemäße Übertragung der Ableitung der Auslösebereichsgrenze
von Gleichung 7 auf 5 ergibt sich für: a) R<0; a)L>0 Grenze des Auslösegebietes:
c)L = - sin (cpk-cpi) -f- sin ggi R (16)
cos (cpk - Pi) Eine Gerade
durch den Ursprung mit der Neigung gemäß Gleichung 11.
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b) coL<0; R>0 Grenze des Auslösegebietes: @L - - sin (90°-Tk)
-E- sin cpi R 17
cos (90°-99k) Eine Gerade durch den Ursprung mit der Neigung
gemäß Gleichung 15.
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Fig. 5 zeigt für cpk = 60° und verschiedene Kurzschlußwinkel
ggi die sich aus der Rechnung ergebenden Geradenscharen durch den Ursprung und Endpunkt
des Zeigers ZO, die in diesen beiden Punkten Knicke aufweisen. Das Auslösegebiet
liegt wieder zwischen den jeweils zusammengehörigen Geraden durch den Ursprung und
denen durch den Punkt (Ro, coLo).
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Fig. 6 zeigt eine Schaltung, die einen Auslösebefehl erteilt, sobald
die der Fig. 5 zugrunde liegende Aus-Lösebedingung erfüllt wird. Die vier Eingangsspannungen,
die proportional i,
, u und 4 u = u. - u
sind, werden vier Nullverstärkern 61, 62, 63 und
64 zugeführt, deren Funktionsweise derjenigen der Verstärker 11 und 12 der Fig.
4 entspricht. Die Ausgänge der Verstärker 61 und 62 werden wie .in Fig. 4 so auf
die beiden »Und«-Tore 65 und 66 geschaltet, daß der Ausgang des - »Und«-Tores 65
ein Signal abgibt, solange sowohl i als auch
)ositiv sind, während der Ausgang des »Und«-Tores 66 ein Signal abgibt, wenn diese
beiden Größen negativ sind. Damit legen die Signale dieser beiden »Und«-Tore wieder
die Auswertezeiten getrennt nach den Polaritäten von i und
fest.
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Über vier weitere »Und«-Tore 67, 68, 69 und 70 werden die Ausgänge
der beiden Verstärker 63 und 64
und die der »Und«-Tore: 65' und
66 so miteinander verknüpft, daß die »Und«-Tore 67 bis 70 in folgenden Fällen ein
Signal an ihrem Ausgang führen: »Und«-Tor 67: i,
und d u positiv, »Und«-Tor 68: i,
und d u negativ, »Und«-Tor 69: i,
und u positiv, »Und«-Tor 70: i,
und u negativ.
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Die Ausgänge der »Und«-Tore 67 und 68 und die der »Und«-Tore 69 und
70 sind nun je an ein Zeitglied 71 bzw. 72 angeschlossen. Der Ausgang eines derartigen
Zeitgliedes gibt ein Signal_ab, sobald einer der beiden Eingänge länger als eine
vorgegebene Zeitdauer ein Signal erhält. Mit dem Verschwinden des längen anstehenden
Eingangssignals verschwindet auch das Ausgangssignal wieder. Macht man die Zeitkonstante
z der Zeitglieder 71 bzw. 72 gleich der Koinzidenzzeit tk, so geben die beiden
Zeitglieder ' dann ein Signal ab, wenn innerhalb einer Auswertezeit to die Koinzidenzzeit
der zugehörigen= Spannung u öder 4 u größer als- die vorgegebene Koinzidenzzeit
tk ist. Da die Ausgangssignale der beiden Zeitglieder normalerweise nicht gleichzeitig
erscheinen werden, müssen sie noch in einer Gedächtnisstufe 73 bzw. 74 gespeichert
werden; denn eine Auslösung darf nur erfolgen, wenn beide Spannungen ü und d u innerhalb
der Auswertezeit die vorgeschriebene Koinzidenzzeit tk erreichen. -Diese Gedächtnisstufen
sind-so beschaffen, _-daß-sie ein Ausgangssignal-führen; sobald die. an die -- -Zeitglieder
angeschlossenen Eingänge angesteuert werden. Das Ausgangssignal verschwindet erst,
.wenn der andere Eingang der Gedächtnisstufe ein Signal. bekommt. Dieses Löschsignal
wird über ein Diffe-" renzierglied 75 jeweils zu Beginn einer- neuen Auswerteperiode
gegeben, so daß die Gedächtnisstufen jede neue Auswerteperiode ohne Ausgangssignal
" beginnen.
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Die Ausgänge der beiden Gedächtnisstufen sind auf das »Und«-Tor 76
geführt. Dieses--»Und«-Tor erteilt den- Auslösebefehl, wenn beide Gedächtnisstufen
73 'und 74 ein Ausgangssignal- aufweisen, d. h: wenn innerhalb der vorangegangenen
Auswertezeit to beide Spannungen u und d u länger als- die vorgegebene
Köinzidenzzeit tx dasselbe Vorzeichen aufwiesen wie i und
Die Fig. 3 und 5 zeigen, daß sich die Ausiösegebiete der beschriebenen Schutzsysteme
noch nicht sehr gut den Erfordernissen eines °Impedanzschutzes .anpassen lassen.
Außerdem haben sie die -Eigenschaft, daß bei verlagertem Kurzschlußstrom eine Veränderung
des Äuslösegebietes auftritt, die besonders bei der Aus= führungsforrn nach den
Fig: 5 und»6 zu einer beträchtliehen Ausweitung des Auslösegebietes führt: Das liegt
daran, daß die vorgeschriebene Auslösebedingung bei Halbwellen größer als 180° leichter
erfüllt werden kann.
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Eine weitere Verbesserung elektronischer Impedanzrelais kann man nach
folgendem grundsätzlichen Gedanken der vorliegenden Erfindung erreichen: Während
die bisher bekannten Schutzsysteme so arbeiten, daß zunächst grundsätzlich kein
Auslösebefehl erteilt wird, sondern erst dann, wenn eine vorgegebene Auslösebedingung
erfüllt ist, wird bei der nachfolgenden beispielsweisen Ausführung eines Impedanzschutzes
zunächst. grundsätzlich- am Ende jeder Auswerteperiode ein Auslösebefehl erteilt,
wobei - dieser Auslösebefehl jedoch gesperrt-wird bei Erfüllung einer vorgegebenen
Sperrbedingung. Ebenso wie sieh - eine Auslösebedingung-- bei Stromhalbwellen größer
als l80° leichter ,erfüllen läßt, ist- das auch bei einer Sperrbedingung der Fall.
Das Gebiet,- in dem die Sperrbedingung auftritt, wird dann also vergrößert werden,
d. h. aber, daß sich das Auslösegebiet hei Stromhalbwellen größer als 180° verkleinert.
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Es besteht jetzt allerdings die Gefahr, daß bei Stromhalbwellen kleiner
als 180° eine an sich notwendige Sperrbedingung unterdrückt wird, Zur Umgehung dieses
- Nachteils wird eine bestimmte Länge der Auswertezeit vorgeschrieben, bevor das
Auslösesignal gegeben werden kann. Dadurch werden die schädlichen kurzen Stromhalbwellen
ausgeschieden.
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Diese beispielsweise Ausführung -eines Schnellimpedanzschutzes gemäß
der vorliegenden Erfindung arbeitet deshalb nach folgendem Prinzip: Am Ende jeder
Auswerteperiode, die gegeben ist durch die Zeit to,- in der i und dasselbe Vorzeichen
aufweisen, d.- h. im Strommaximum,
wird .ein Auslösebefehl gegeben, wenn diese Auswertezeit länger als eine vorgegebene
.Zeit t, ist (to > t,). Die Weitergabe des Auslösebefehis wird.nur dann--verhindert,
wenn irgendwann innerhalb der gleichen Auswerteperiode entweder die Spannung u an
der Leitungsschleife oder die Differenzspannung 4 u = u, - u
länger
als eine-vorgegebene Zeit t2 ein anderes Vorzeichen hatte - als -i und
Fig. 7 zeigt die Grenzen des Auslösegebietes eines derartigen Schutzsystems bei
einem Stromverlauf gemäß Gleichung (4). Dabei wurden die Zeiten t,. und t2 so gewählt,
daß mit co als Kreisfrequenz der elektrischen -Netzgrößen (p, --- co t, =
70° und 99, = a) t, = 10° ist. Zti (Ro > (»L,) stellt wieder den Zeiger
- der- Vergleichsimpedanz dar. Man erkennt, . daß .das Auslösegebiet sehr eng ein
Rechteck mit der Vergleichsimpedanz als Diagonalen (entsprechend dem Gebiet b) .der
Fig. 2) umschließt. -Die Streuung -für verschiedene Werte des Kurzschlußwinkels:
rpi ist besonders für. die. wichtige horizontale Abgrenzung bemerkenswert .gering.
, Dabei brauchen Kurzschlußwinkel pi<(pi-90°) nicht-berüeksichtigt zu werden,
da dann die-Auswertezeit to kürzer-als-die vorgeschriebene Zeit t1 ist.
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E Die. Neigung der horizontalen Begrenzung -gegenüber der Waagerechten
ist in-erster Näherung durch den Winkel p2 -gegeben. 7e . kürzer mau , die Zeit
t2 macht, desto besser wird sich das Auslösegebiet dem Rechteck .anpassen, :.und
desto geringer werden die Veränderungen des -Auslösegebietes bei verlagerten -Strömen.
Das Rechteck als A.uslösegebiet.erhält man exakt für t2 -+- 0. Ein derartiger Schutz
hätta jedoch den Nachteil, daß jeder kurze- Störimpuls innerhalb der Auswerteperiode
zu einer Sperrung der Auslösung führen könnte. Es ist deshalb zweckmäßig, t2 zwar
möglichst klein zu wählen, :jedoch immer noch. so groß,: daß Störimpulse -normaler
Dauer-die Arbeitsweise des Schutzes nicht beeinträchtigen.- Ein vernünftiger Wertebereich
ist z. B. 0,2 ms < t2,<-0,6 ms.
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Damit -ist es möglich, ein eng umgrenztes, praktisch rechteckförmiges
und von verlagerten. Strömen kaum beeinflußtes: Auslösegebiet in der Impedanzebene
festzulegen. Die Anforderungen der Selektivschutztechnik werden besonders. gut erfüllt,
wenn man die Induktivität
der Vergleichsimpedanz etwa gleich 85
% der Induktivität der zu schützenden Leitungsschleife wählt und im ohmschen Widerstand
der Vergleichsimpedanz den Widerstand der zu schützenden Leitungsschleife einschließlich
des größten zu erwartenden Lichtbogenwiderstandes berücksichtigt.
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Fig. 8 zeigt eine beispielsweise Ausführung eines Schnellimpedanzschutzes,
der nach vorstehendem Prinzip arbeitet. Die vier Eingangsspannungen, die i,
u und A u= u, - u proportional sind, werden
auch hier den Nullverstärkern 81, 82, 83 und 84 zugeführt, die den Nullverstärkern
der Fig. 4 und 6 entsprechen. Die an die Nullverstärker 81 und
82
angeschlossenen »Und«-Tore 85 bzw.86 geben ein Signal, wenn i und
beide positiv bzw. negativ sind. Das folgende Zeitglied 87 stellt fest, ob die Auswertezeit
to größer als die vorgegebene Zeit t, ist und gibt dann ein Ausgangssignal bis zum
Ende der Auswerteperiode. Das Differenzierglied 88 erzeugt beim Verschwinden
seines Eingangssignals, d. h. am Ende der Auswerteperiode und damit im Strommaximum
einen Impuls an seinem Ausgang.
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In den »Und«-Toren 89, 90, 91 und 92 werden die Polaritäten
der Spannungen u und d u während der Auswerteperiode kontrolliert.
Dabei gibt ein Signal: »Und«-Tor 89, wenn i>0,
und u<0 ist, »Und«-Tor 90, wenn i>0,
0 und du<0 ist, »Und«-Tor 91, wenn i<0,
und u>0 ist, »Und«-Tor 92, wenn i<0,
und d u>0 ist.
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Das an diese »Und«-Tore über vier »Oder«-Eingänge angeschlossene Zeitglied
93 kontrolliert nun, ob ein von einem der »Und«-Tore geliefertes Sperrsignal länger
als die vorgegebene Zeit t2 ansteht und scheidet damit kurzzeitig Störimpulse aus.
Sobald diese Zeit t2 durch ein Sperrsignal überschritten wird, wird das Gedächtnis
94 angesteuert. Dieses ist so geschaltet, daß das Signal an seinem Ausgang
verschwindet, sobald es vom Zeitglied 93 her angesteuert wird. Das Signal am Ausgang
erscheint erst wieder, wenn der andere Eingang des Gedächtnisses 94 ein Signal
erhält. Dieses Signal wird durch das Differenzierglied 95 zu Beginn jeder Auswerteperiode
erzeugt, wodurch sich erreichen läßt, daß zu Beginn jeder neuen Auswerteperiode
ein etwaiger Sperrbefehl der vorausgegangenen Auswerteperiode wieder gelöscht wird.
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Der Ausgang des Differenziergliedes 88 und des Gedächtnisses
94 sind schließlich auf ein »Und«-Tor 96 geführt. Dieses »Und«-Tor läßt den
durch das Differenzierglied 88 erzeugten Auslöseimpuls nur durch, wenn gleichzeitig
auch an seinem anderen Eingang ein Signal vorhanden ist. Das ist aber nur der Fall,
wenn innerhalb der vorangegangenen Auswerteperiode keine Sperrbedingung erfüllt
war, und der Auslöseimpuls selbst wird nur erzeugt, wenn die Auswertezeit to länger
als t,. war. Ein Schnellimpedanzrelais gemäß der Schaltung nach Fig. 8 arbeitet
also genau nach den Bedingungen, für die das Auslösegebiet der Fig. 7 abgeleitet
wurde.
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Es gelingt somit gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Schnellimpedanzrelais
aufzubauen, das ein für Selektivschutzzwecke - ideales Auslösegebiet in der Impedanzebene
besitzt, unempfindlich auf kurze Störimpulse ist, nur aus statischen Bauelementen
aufgebaut ist und im Fehlerfall den Auslöseimpuls an den zugehörigen Leistungsschalter
bereits im Maximum der ersten voll ausgebildeten Halbwelle des Fehlerstromes gibt.
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Die Übertragung des hier für eine zweiphasige Leitung beschriebenen
Schutzrelais auf ein dreiphasiges Leitungssystem bereitet keine Schwierigkeiten,
wenn in bekannter Weise jeweils an Stelle der Schleifenspannung die Spannung zwischen
zwei Phasen und an Stelle des Stromes die Differenz der beiden Phasenströme benutzt
werden.