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Erdschlußschutzeinrichtung für elektrische Maschinen und Apparate
in Netzen ohne starre Erdung -Die Erfindung betrifft eine Erdschlußschutzeinrichtung
für elektrische Maschinen und Apparate in Netzen ohne starre Erdung unter Verwendung
von Summenstromwandlern für jeden Schützling und einen für mehrere oder alle Schützlinge
gemeinsamen Erdstromerzeuger sowie Schutzrelais zum Abschalten des fehlerhaften
Schützlings. Die Arbeitsweise der bekannten Erdschlußschutzeinrichtungen beruht
darauf, daß bei Auftreten eines Erdschlusses, z. B. an jedem Sternpunkt des galvanisch
mit der Erdstelle verbundenen Netzes oder an der beispielsweise in Dreieck geschalteten
Sekundärwicklung eines gegen Erde geschalteten Fünfschenkeltransformators, eine
Verlagerungsspannung auftritt, deren Höhe bei einem Erdschluß in einem Generator
oder einem anderen Schützling abhängig von der Lage des Erdschlusses in der Wicklung
desselben ist. Bekanntlich entsteht bei einem Klemmenerdschluß dabei die größtmögliche
Verlagerungsspannung und bei allen anderen Erdschlüssen eine kleinere, von der Lage
des Erdschlusses abhängige Verlagerungsspannung. Damit die Fehlerstelle selektiv
erfaßt werden kann, wird entweder der natürliche kapazitive Strom des angeschlossenen
Netzes oder, falls dieser bei kleineren Netzen zu gering ist, ein durch Widerstandsbelastung
eines Sternpunktes gegen Erde oder der Sekundärwicklung des Erdstromerzeugers gelieferter
Zusatzstrom herangezogen, der über Summenstromwandler durch Stromrelais oder in
Verbindung mit einer Verlagerungsspannungsmessung auch in wattmetrischen Relais
erfaßt wird.
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Diese bekannten Schutzeinrichtungen benötigen dabei Ansprechzeiten,
die 1 Sekunde und mehr betragen, wobei diese Zeiten auch deshalb so verhältnismäßig
lang gewählt sind, um möglichst Fehlabschaltungen zu vermeiden. Bekanntlich werden
solche Fehlabschaltungen in der Hauptsache durch Falschströme der Stromwandler hervorgerufen.
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An Hand eines kleinen Beispiels sei dies besonders einleuchtend herausgestellt:
Es sei angenommen, daß ein Generator geschützt werden soll, der Stromwandler mit
einer übersetzung von 300/5 A hat. Der z. B. durch einen Fünfschenkeltransformator
des Erdstromerzeugers hervorgerufene Primärstrom sei 12A, so daß bei der angenommenen
Übersetzung auf der Sekundärseite des Stromwandlers nur noch 20 mA fließen. Wegen
der im Verhältnis zur Nennübersetzung kleinen Ströme ist infolge der hohen Magnetisierungsverluste
dieser Sekundärwert jedoch noch wesentlich geringer und kann mit etwa 10 mA angenommen
werden. Ein Schutzrelais müßte also auf diesen geringen Stromwert ansprechen können.
Andererseits besteht jedoch die Gefahr, daß bei der verwendeten Summenschaltung
solcher Stromwandler infolge unvermeidlicher Wandlerungenauigkeiten ein Wandlerfalschstrom
auftritt, der den Ansprechwert erreicht. Um Fehlbetätigungen des Schutzrelais zu
vermeiden, ist es daher erforderlich, einen außerordentlich genauen Wandlerabgleich
herbeizuführen, der nur mit sehr großem Aufwand erreichbar ist. Bei Zuschaltungen
von Transformatoren oder Motoren im Netz entsteht ferner ein überlagertes Gleichstromglied,
das von den das Netz speisenden Generatoren geliefert wird. Dieses in den einzelnen
Phasen verschieden große Gleichstromglied bewirkt in den Wandlern eine Verschiebung
der Kennlinie, die auch den besten Abgleich stören und zu Falschströmen führen kann,
die eine Fehlauslösung hervorzubringen in der Lage sind. Dieser unerwünschte Zustand
kann dabei wegen der Remanenz des Wandlereisens sogar über längere Zeit bestehenbleiben.
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Es ist eine Erdschlußschutzanordnung vorgeschlagen worden, bei der
zwischen dem Summenwandler und dem auslösenden Relais eine Empfangseinrichtung zwischengeschaltet
ist, die nur auf eine ganz bestimmte Impulspausenfolge (Codierung) anspricht und
das nachgeschaltete Relais betätigt. Die Codierung des Erdschlußstromes wird im
Sekundärkreis eines Erdschlußstromerzeugers durch eine Sendeeinrichtung vorgenommen,
die den Erdschlußstrom in bestimmter Folge ein- und ausschaltet. Diese Codierung
ist so gewählt, daß das Empfangsgerät den codierten Erdschlußstrom eindeutig von
jedem anderen
an der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers auftretenden
Strom unterscheiden kann.
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Außerdem ist zur selektiven Erfassung eines Erdschlusses eine Anordnung
mit richtungsempfindlichen Relais bekanntgeworden, die dann einen Auslösebefehl
gegeben, wenn die Stromrichtung im gleichen Zeitpunkt in allen drei Phasen übereinstimmt.
Diese Schaltung ist jedoch höchstens mit der bekannten Anordnung eines einfachen
Summenstromwandlers vergleichbar.
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Eine weitere Anordnung arbeitet mit einem künstlichen Erdschlußstrom,
der eine Gleichrichterbrückenschaltung mit unterschiedlichem übersetzungsverhältnis
so beaufschlagt, daß ein in der Brücke liegendes Erdschlußrelais bei Erdschlüssen
unabhängig vom Fehlerort stets ein Moment in seine nicht auslösende Richtung erhält
und daß ein auslösendes Moment nur dann erzielt wird, wenn bei innerhalb des Generatorbereiches
liegenden Fehlern in der Gleichrichterbrückenschaltung ein übergewicht durch eine
vom Summenstrom durchflossene Spule auftritt, wodurch der Sperrstrom aufgehoben
wird. Bei dieser bekanntgewordenen Schaltung ist trotz großen Aufwandes an Schaltungsmitteln
eine so große Sicherheit gegen Fehlansprechen wie beim Gegenstand der Erfindung
nicht erreichbar, da z. B. bei Zuschaltungen von Netztransformatoren im Netz kein
die Auslösung sperrender Erdschlußstrom auftritt, so daß ein durch die Zuschaltung
hervorgerufener Summenwandlerfalschstrom eine Fehlauslösung bewirken kann.
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Weiterhin ist ein Staffelschutz bekannt, der mit einer der Netzspannung
überlagerten Hochfrequenzspannung arbeitet. Dazu sind entsprechende Schaltungsanordnungen
unumgänglich notwendig, die sowohl aufwendig als auch störungsanfällig sind. Eine
weiterhin bekannte Gestellschlußschutzeinrichtung arbeitet mit Stromimpulsen, deren
effektive Höhe dieser Impulse zur Auslösung allein maßgebend ist. Diese Maßnahme
beschränkt die Größe des Erdschlußstromes auf ein zum sicheren Ansprechen des Relais
notwendiges Maß und erhöht die Empfindlichkeit der Schutzeinrichtung für sternpunktnahe
Fehler, stellt aber keine Maßnahme zur Erhöhung der Sicherheit gegen Fehlauslösungen
dar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf den genannten und sonstigen
Einflüssen beruhende Fehlbetätigungen der Schutzrelais mit einfachen Mitteln schnell
und sicher zu vermeiden und dabei eine Beschleunigung der Abschaltung zu erreichen.
Dies gelingt nach der Erfindung dadurch, daß jedem Schützling und dem Erdstromerzeuger
ein Stromänderungsrelais zugeordnet ist, das nur auf Stromimpulse mit steiler Anfangsflanke
anspricht, und daß zur Erzeugung solcher Impulse der normalerweise gesperrte Sekundärkreis
des Erdstromerzeugers vorzugsweise im Scheitelpunkt der Spannungshalbwelle für deren
restliche Dauer durch steuerbare, in Abhängigkeit vom Auftreten der Spannung des
Erdstromerzeugers in den stromdurchlässigen Zustand gebrachte elektronische Schaltmittel
eingeschaltet ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Von den vielen an ein Drehstrom- oder Wechselstromnetz angeschlossenen
elektrischen Einrichtungen ist in Fig. 1 nur ein an ein Drehstromnetz N über einen
Schalter Sch anschließbarer Generator G dargestellt. In den Generatorzuführungen
sind drei Stromwandler angeordnet, deren Sekundärwicklungen zu einer Summenschaltung
W1 miteinander verbunden sind, die über einen Gleichrichter Gli ein erstes Schutzrelais
R1 beeinflussen. Dieses Schutzrelais R1 5 ist in an sich bekannter Weise so ausgeführt,
daß es nur auf Impulse mit steiler Anfangsflanke anspricht (Stromänderungsrelais),
wobei vorausgesetzt wird, daß diese Impulse einen möglichen Wandlerfalschstrom in
ihrem Absolutwert übersteigen. An das o Netz N ist ferner in an sich bekannter Weise
ein Erdstromerzeuger EZ angeschlossen, der im vorliegenden Fall aus einem Fünfschenkeltransformator
besteht, dessen mit den Netzphasen verbundene Primärwicklungen a in Stern geschaltet
und mit Erde verbunden sind. Die Sekundärwicklungen b des Erdstromerzeugers sind
in Dreieck geschaltet; sie speisen die Reihenschaltung eines Widerstandes Wi mit
einem steuerbaren Siliziumhalbleiter Si und der Primärwicklung des Stromwandlers
W2, dessen Sekundärwicklung über einen Gleichrichter Gls ein zweites, nur auf Impulse
mit steiler Anfangsflanke ansprechendes Stromänderungsrelais R2 speist. Den Wicklungen
W1 bzw. W2 sind Gleichrichter Gl. bzw. G14 parallel geschaltet, damit auch die Halbwellen
der anderen Polarität fließen können.
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An Stelle eines Fünfschenkeltransformators kann auch, wie dies in
Fig. 1 a veranschaulicht ist, an einen in Stern geschalteten Transformator oder
sonstigen Sternpunkt zwischen dem Sternpunkt und Erde ein normaler Transformator
W liegen, dessen Sekundärwicklung den in Fig.1 dargestellten Stromkreis speist.
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Sobald ein Erdschluß in einer Wicklung des Generators G - wie durch
Pfeil angedeutet - auftritt, treibt der Erdstromerzeuger EZ bei eingeschaltetem
Sekundärkreis primärseitig über Erde und das Netz durch die einzelnen Phasen einen
Strom solcher Richtung, daß im Summenstromwandler W1 ein entsprechender Summenstrom
auftritt, der das Relais R1 zum Ansprechen bringt. Gleichzeitig wird im Sekundärkreis
des Erdstromerzeugers ein Strom fließen, der über den Stromwandler W2 das Relais
R2 beaufschlagt. Zur Erzeugung der für das Ansprechen der Relais notwendigen Stromimpulse
wird der Halbleiterschalter Si normalerweise stromsperrend gehalten und nur zu bestimmten
Zeiten plötzlich in den stromdurchflossenen Zustand gebracht, und zwar möglichst
dann, wenn die Spannungshalbwelle ihren positiven oder negativen Scheitelpunkt p
bzw. n gemäß Fig. 2 erreicht hat, so daß der Stromanstieg im Sekundärkreis des Erdstromerzeugers
einen entsprechenden Verlauf i, bzw. i, hat. In Fig. 2 ist der sich so ergebende
zeitliche Ablauf der Stromimpulse - die vom Summenstromwandler auf das Relais R1
bzw. vom Wandler W2 auf das Relais R., gelangen -schraffiert dargestellt. Zur entsprechenden
:Steuerung des Halbleiterschalters Si dient ein Impulserzeuger 1 in an sich bekannter
Schaltung, und zwar unter Verwendung von verzögerungsfreien elektronischen Schaltelementen,
insbesondere Halbleiterschaltelementen. Der Impulserzeuger ist über Kontakte h eines
Spannungsanregerelais H an die Sekundärspannung des Erdstromerzeugers EZ galvanisch
oder transformatorisch angeschlossen, sobald der Erdstromerzeuger im noch unterbrochenen
Sekundärkreis im Erdschlußfall eine ausreichende Anregespannung erzeugt. Der Impulserzeuger
steuert ein Verzögerungsglied T so, daß über einen nachgeordneten Verstärker V der
Halbleiterschalter Si beispielsweise im Scheitelpunkt
der positiven
Halbwelle einen kurzzeitigen Zündbefehl erhält. Bei Erdschluß im Schützling werden
somit die beiden Relais R1 und R2 gleichzeitig betätigt und lösen den Schalter
Sch aus, indem sie durch Schließen ihrer Kontakte r1 und r" den Stromkreis
des Auslösers A für den Schalter Scla schließen. Fehlerströme anderer Kurvenformen
können nicht zum Ansprechen beider Relais und demnach auch nicht zum Auslösen des
Schalters führen. Beim Spannungsnulldurchgang wird der Halbleiterschalter von selbst
in seinen stromsperrenden Zustand gebracht und bleibt so lange stromundurchlässig,
bis der nächste Zündbefehl kommt.
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Durch diese Schaltung nach der Erfindung ist sichergestellt, daß ähnliche
Stromimpulse mit steiler Anfangsflanke, die z. B. auch bei Vorliegen eines Netzerdschlusses
oder bei Schaltvorgängen auftreten können, keine Fehlauslösungen herbeiführt, da
solche Fehlerströme nur das Relais R, zum Ansprechen bringen würden.
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Es kann zur Erhöhung der Sicherheit gegen ein fehlerhaftes Ansprechen
der Schutzeinrichtung gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch noch dafür
gesorgt werden, daß die Koinzidenz des Ansprechens beider Relais über mehrere Halbwellen
erhalten bleiben muß, bis eine Auslösung des Schalters erfolgen soll. Dadurch kann
verhindert werden, daß bei theoretisch möglichem gleichzeitigem Auftreten eines
Netzerdschlusses und einer Schalterbetätigung der vorerwähnten Art eine unerwünschte
Abschaltung erfolgt. Hierzu werden die Stromänderungsrelais auf Zählschaltungen
bekannter Art so zur Einwirkung gebracht, daß diese erst nach mehrmaliger Betätigung
der Relais den Auslöser A zum Ansprechen bringen. Im dargestellten Fall werden hierzu
zwei oder mehr aufeinanderfolgende Stromimpulse i,, oder in ausgenutzt. Man
kann jedoch auch die aufeinanderfolgenden Strornimpuise verschiedener Polarität
hierzu heranziehen, indem zwei gegenparallel geschaltete Halbleiterschalter Si im
Sekundärstromkreis des Erdstromerzeugers vorgesehen sind und weiterhin im Stromkreis
der Gleichrichter GI., und GI., zusätzlich noch Stromänderungsrelais der genannten
Art angeordnet werden, dic in entsprechender Weise mittels ihrer Kontakte auf den
Auslöser A einwirken.