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Erdschlußschutzeinrichtung für galvanisch miteinander verbundene Gleich-
und Wechselspannungssysteme Es sind die verschiedensten Arten von Schaltungen für
den Erdschlußschutz von Maschinen, Wechselstrom- und Gleichstromleitungen bekannt.
Um einen vollständigen Erdschlußschutz für Wechselspannungssysteme mit in Stern
geschalteten Wicklungen einer Maschine oder eines Transformators zu erhalten, ist
es bekannt, entweder die bei einem ErdschIuß im Sternpunkt durch die Oberwellen
der Maschine bzw. des Transformators auftretenden Oberwellenspannungen zu verwenden
oder mit Hilfe einer Verlagerungsspannungsquelle eine Spannung zwischen Sternpunkt
und Erde ständig aufrechtzuerhalten, so daß ein in diese Verbindung eingeschaltetes
Erdschlußrelais im Falle eines Erdschlusses immer von einem Strom durchflossen wird.
Das Erdschlußrelais spricht dann bei beliebigem Fehlerort sicher an. Als Spannung
für die Verlagerungsspannungsquelle kann dabei sowohl eine Gleichspannung als auch
eine Wechselspannung verwendet werden. Bei einphasigen Wechselstromnetzen soll im
folgenden unter »Sternpunkt« der Mittelpunkt eines zwischen die Leiter geschalteten
Spannungsteilers bzw. der Mittelabgriff einer Maschinen- oder Transformatorwicklung
verstanden werden.
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Es ist bereits eine Einrichtung zur Anzeige von Erdschlüssen in Wechselstromnetzen
und insbesondere in Eisenbahnsignalsystemen bekanntgeworden, bei der ein Erdschlußrelais
zwischen die Primär- und die Sekundärwicklung eines Transformators eingeschaltet
ist. In den Verbindungsleitungen zur Primär-und Sekundärwicklung sind Gleichrichter
eingeschaltet, die nur eine Halbwelle der im Transformator induzierten Wechselspannung
wirksam werden lassen. Hierdurch ergibt sich eine Verlagerungsgleichspannung, die
zur Anzeige eines Erdschlußfehlers auf einer zu schützenden Leitung herangezogen
wird. Um zu verhindern, daß ständig ein Halbwellenstrom über das Erdschlußrelais
fließt, ist in Reihe zu diesem Erdschlußrelais ein Kondensator angeordnet, der nach
erfolgter Aufladung durch die Transformator- . halbwellenspannung gewährleistet,
daß bei fehlerfreiem Betrieb der Prüfleitung kein Strom über das ErdschIußrelais
fließen und eine Fehlanzeige bewirken kann. In dieser bekannten Schaltung ist außerdem
parallel zu der Reihenschaltung von dem Kondensator und dem Erdschlußrelais ein
weiterer Kondensator zur Stromglättung parallel zu einem Widerstand geschaltet.
Mit dieser bekannten Einrichtung lassen sich jedoch nur reine Wechselspannungssysteme
gegen Erdschlußfehler schützen, während sie für Drehstromnetze mit angeschlossenen
Stromrichterschaltungen nicht eingesetzt werden kann. Die vorliegende Erfindung
betrifft nun eine Erdschlußschutzeinrichtung für galvanisch über eine Gleichrichterschaltung
miteinander verbundene Gleich- und Wechselspannungssysteme, unter Verwendung einer
Gleichspannungsquelle, die in Reihe mit einem Gleichstromrelais zur Erdschlußanzeige
zwischen einem Sternpunkt der Wechselspannungsquelle und Erde geschaltet ist; das
Neue besteht erfindungsgemäß darin, daß parallel zu der Reihenschaltung der Gleichspannungsquelle
mit dem Gleichspannungsrelais die Reihenschaltung eines zur Gleichstromsperrung
bekannten Kondensators mit einem ebenfalls zur Erdschlußanzeige dienenden Schutzrelais
liegt, das auf Wechselströme mit der Pulsfrequenz der Gleichrichterschaltung anspricht.
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Bei derartigen kombinierten Gleich- und Wechselspannungssystemen sind
alle bisher bekannten Erdschlußschutzeinrichtungen ungeeignet. So würde z. B. bei
einem Erdschluß im Gleichstromteil ein primärseitig in Stern geschalteter und mit
einer offenen Dreiecksekundärwicklung versehener Transformator durch die dabei auftretende
Verlagerungsgleichspannung in Sättigung geraten, so daß der Strom in der Wicklung
wegen des verminderten induktiven Widerstandes ansteigen und den Transformator zerstören
kann. Außerdem würden bei Verwendung einer Wechselspannung als Verlagerungsspannung
Erdschlußfehler im Gleichstromteil nicht sicher zu erfassen sein. Darüber hinaus
ergibt sich bei ausgedehnten Erregernetzen und bei Netzen, von denen Netzteile ab-
oder zugeschaltet werden können, durch die Eigenkapazitäten ein zu hoher oder in
der Höhe stark veränderlicher Vorbelastungsstrom, so daß auch Erdschlüsse im Wechselstromteil
nicht mehr sicher erkannt werden können.
Verwendet man eine Gleichspannung
als Verlagerungsspannung, so wird ein Erdschluß in dem Bereich des Gleichstromkreises
keinen Erdschlußstrom erzeugen, in dem die Spannung der Verlagerungsgleichspannung
entgegengerichtet und gleich oder größer als diese ist, da die treibende Spannung
für den Erdschlußstrom entweder zu gering ist oder den Gleichrichter zwischen Sternpunkt
und Erde sperrt.
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Man könnte nun einen vollständigen Erdschlußschutz für kombinierte
Netzsysteme dadurch erreichen, daß man den Gleichspannungs- und den Wechselspannungsteil
mit voneinander verschiedenen Erdschlußschutzeinrichtungen versieht. Allerdings
hat eine derartige Schaltung vor allem bei Erregernetzen mit mehreren über Stromrichter
angeschlossenen Erregerkreisen den Nachteil, daß für jeden Erregerkreis eine besondere
Erdschlußschutzeinrichtung vorzusehen ist, während man bei der neuen Anordnung mit
einer einzigen Erdschlußschutzeinrichtung auskommt. Die neue Lösung beruht auf der
Erkenntnis, daß jeder Erdschluß im Gleichstromkreis eine Verspannung des Sternpunktes
im Wechselstromsystem zur Folge hat, deren kleinste Frequenz gleich der Pulsfrequenz
der verwendeten Gleichrichterschaltung ist, und daß ein Wechselstromrelais, das
in Reihe mit einem Kondensator parallel zu einer Verlagerungsgleichspannungsquelle
liegt, sowohl von einer eventuell auftretenden Verlagerungsgleichspannung als auch
von der parallelgeschalteten Gleichspannung unbeeinflußt bleibt, so daß es zusammen
mit einer derartigen bekannten Erdschlußschutzschaltung einen vollständigen Erdschlußschutz
für kombinierte Gleich- und Wechselspannungssysteme ergibt, selbst wenn in Stern
geschaltete Transformator- oder Maschinenwicklungen vorhanden sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der neuen Anordnung ist in der Zeichnung dargestellt.
Ein Drehstromerregernetz 1 mit Abzweigleitungen 2, 3 und
4 wird entweder von der Sekundärwicklung eines primärseitig an eine Leitung
angeschlossenen Transformators 5 oder - wie darüber angedeutet ist - von einem Generator
7 gespeist. Zwischen den Sternpunkt 8 des Transformators 5 und Erde 9 ist die strichpunktiert
umrahmte Erdschlußschutzeinrichtung 10 geschaltet. Die Erdschlußschutzeinrichtung
10 enthält zwei Parallelpfade 11 und 12. Im Parallelpfad 11 liegt ein Widerstand
111 zur Strombegrenzung, dazu in Reihe ein Gleichstromrelais 112 zur Erdschlußanzeige
und die Gleichstromanschlüsse einer Gleichrichteranordnung 113, deren Wechselstromanschlüsse
über einen Transformator 114 an eine Hilfswechselspannungsquelle angeschlossen sind.
Zur Glättung und Wechselstromaussiebung sind der Gleichrichteranordnung 113 und
dem Gleichstromrelais 112 Kondensatoren 115 und 116 parallel geschaltet. Der Parallelpfad
12 besteht aus der Reihenschaltung eines Kondensators 121, eines Strombegrenzungswiderstandes
122 und der Primärwicklung eines Stromwandlers 123, dessen Sekundärwicklung über
eine Gleichrichterschaltung 124 an ein Schutzrelais 125 angeschlossen ist. Dieses
Schutzrelais 125 spricht an, wenn im Parallelpfad 12 ein Wechselstrom fließt. Wegen
der zwischengeschalteten Gleichrichteranordnung 124 wird als Schutzrelais
125 ein Gleichstromrelais verwendet. Zusätzlich oder an Stelle der Gleichrichterschaltung
124 kann noch ein Filter zur Aussiebung höherer Frequenzen der Sekundärwicklung
des Stromwandlers 123 nachgeschaltet sein. Dies ist aber nicht unbedingt erforderlich,
da Gleichspannungen von dem Stromwandler 123 bereits durch den Kondensator
121 ferngehalten werden.
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An die Abzweigleitungen 2 bis 4 - bzw. an weitere hier nicht eingezeichnete
Abzweigleitungen -sind z. B. die Erregerkreise von Synchron- oder Gleichstrommaschinen
über Gleichrichterbrückenschaltungen angeschlossen. Eine derartige an die Abzweigleitung
2 angeschlossene Schaltung ist ebenfalls dargestellt. Die Erregerwicklung 13 einer
Maschine 14 ist mit den Gleichstromanschlüssen einer Gleichrichterbrückenschaltung
15 verbunden. Die Wechselstromanschlüsse dieser Brückenschaltung sind über regelbare
Widerstände 16 an die Abzweigleitung 2
angeschlossen. An Stelle der
regelbaren Widerstände können auch andere stromsteuernde Elemente, z. B. Magnetverstärker,
vorgesehen werden. Für die Wirkungsweise der neuen Schaltung ist es gleich, wieviele
derartige Gleichspannungssysteme an das Drehstromnetz angeschlossen sind. Außerdem
ist es unerheblich, ob die Spannung im Gleichspannungssystem -bzw. der durch die
Erregerwicklung 13 fließende Erregerstrom - wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel
über Regelwiderstände oder durch Steuerung der Gleichrichterelemente selbst erfolgt.
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Für den Fall, daß ein Erdschluß im Sternpunkt 8 auftritt, treibt die
an den Gleichstromklemmen des Gleichrichters 113 anstehende Gleichspannung (die
Gleichrichteranordnung 113 stellt also eine Gleichspannungsquelle zur Erzeugung
einer Verlagerungsspannung des Sternpunktes 8 dar) einen Strom über das Gleichstromrelais
112, dessen Kontakt z. B. mit einem Kontakt des Schutzrelais 125 parallel geschaltet
ist, so daß sich eine zum Melden oder Abschalten heranzuziehende Aussage ergibt,
wenn eines der beiden Relais angesprochen hat. Das gleiche gilt für den Fall, daß
ein Erdschlußfehler irgendwo im Drehstromerregernetz 1 oder in den Abzweigleitungen
2, 3
und 4 auftritt. Auch ein Erdschluß in einem an das Drehstromerregernetz
1 angeschlossenen Gleichstromsystem kann unter Umständen zum Ansprechen des Gleichstromrelais
112 führen. Tritt hier jedoch ein Erdschluß auf, bei dem die Gleichspannung zwischen
dem Fehlerort und dem Sternpunkt 8 der über die Gleichrichteranordnung 113 eingeführten
Verlagerungsspannung entgegenwirkt, so daß kein oder ein zum Ansprechen des Gleichstromrelais
112 nicht ausreichender Strom fließt, so wird das Gleichstromrelais 112 nicht ansprechen.
Nun gibt aber jede Stromrichterschaltung keine vollkommen geglättete Gleichspannung
ab, sondern die Gleichspannung folgt abschnittsweise der Kurvenform der Spannung
der speisenden Wechselstromquelle. Infolgedessen ergibt sich bei jeder Aussteuerung
der Gleichrichter 15 eine Wechselspannung zwischen jedem Punkt des Gleichspannungssystems
und dem Sternpunkt 8 im Transformator 5 bzw. in dem Generator 7. Die niedrigste
Frequenz dieser Wechselspannung ist die Pulsfrequenz der verwendeten Gleichrichterschaltung.
Sie treibt im Falle eines Erdschlusses in einem Gleichspannungssystem einen Wechselstrom
über die Parallelpfade 11 und 12, so daß also über den Stromwandler 123 und die
Gleichrichterschaltung 124 eine Spannung an dem Schutzrelais 125 ansteht. Dieses
Relais wird also ansprechen, so daß wiederum der vorhandene Erdschluß angezeigt
wird. Selbstverständlich läßt sich der über den Parallelpfad 12 fließende Anteil
des Erdschlußwechselstromes vergrößern,
wenn in dem Parallelpfad
11 zusätzlich eine Induktivität eingeschaltet wird. Es ist außerdem ohne
weiteres möglich, das Schutzrelais 125 als Wechselstromrelais auszubilden und dieses
unmittelbar in den Parallelpfad 1.2 einzuschalten.