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Ein Transformatordifferentialschutz ist in der Regel Transformatordifferentialschutz
auf dem Prinzip aufgebaut, daß man die Summe und die Differenz der Ströme bildet,
die zu und von einem Transformator fließen. Der Differenzstrom wirkt in auslösender
und der Summenstrom in stabilisierender Richtung auf den Schutz. Ein gewisser Differenzstrom
ist immer auf Grund der Verluste im Transformator vorhanden, also auch bei normaler
Belastung eines fehlerfreien Transformators, weshalb der Schutz so eingestellt werden
muß, daß der Differenzstrom einen gewissen Schwellenwert übersteigen muß, ehe die
Auslösung stattfindet. Bei eintretendem Überstrom steigt der Differenzstrom, und
es ist deshalb notwendig, eine Auslösungsstabilisierung bei Überstrom einzuführen.
Dazu wird der Summenstrom verwendet, und eine dem Summenstrom proportionale Größe
wird zur Stabilisierung benutzt.
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Beim Einschalten eines Transformators entsteht eine starke Zunahme
des Differenzstromes, und der Schutz muß deshalb gegen unzulässige, durch diese
Zunahme verursachte Auslösung stabilisiert werden. Viele Lösungen des Problems sind
vorgeschlagen worden, unter anderem die Verwendung von Filtern für das Ausfiltern
der zweiten Oberwelle, die im Einschaltstromstoß sehr hoch ist. Die ausgefilterte
Oberwelle wird gleichgerichtet und als Stabilisierungsgröße verwendet. Auch andere
Verfahren zum Stabilisieren gegen Auslösung bei Einschalten des Transformators sind
bekannt.
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Bei auftretender Überspannung auf einem Transformator steigt der Differenzstrom,
und dies kann eine unzulässige Auslösung zur Folge haben, wenn keine Gegenmaßnahmen
ergriffen werden. Bei Überspannung hat der Differenzstrom eine recht hohe fünfte
Oberwelle. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, diese Oberwelle auszufiltern und
sie als Stabilisierungsgröße zu benutzen, um die Funktion des Differentialschutzes
bei Überspannung auf einem fehlerfreien Transformator zu verhindern.
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Gewisse innere Fehler in Transformatoren haben zur Folge, daß der
Differenzstrom einen hohen Gehalt der dritten Oberwelle hat. Wegen ihrer Unvollkommenheit
bei der zweiten und fünften Oberwelle werden die genannten Filter einen Teil der
dritten Oberwelle durchlassen, die dann stabilisierend wirken wird. Es hat sich
jedoch erwiesen, daß durch zweckmäßige Kombination und Dimensionierung der beiden
Filter diese gemeinsam wie ein Sperrfilter für die dritte Oberwelle wirken können,
so daß der steigende Differenzstrom bei der genannten Art von inneren Fehlern eine
Auslösung verursacht, auch wenn die Zunahme nicht besonders groß ist. Mit der oben
angegebenen Anordnung kann man also aus dem Differenzstrom eine Spannung herleiten,
die in auslösender Richtung wirkt. In stabilisierender Richtung wirken Spannungen,
die proportional dem Summenstrom, dem Gehalt der zweiten Oberwelle beim Einschaltverlauf
und dem Gehalt der fünften Oberwelle bei Überspannung sind. Diese Spannungen werden
addiert, und die Summenspannung wird einem Relais oder einer anderen Anordnung zugeführt,
die die Auslöseanordnung für die Schalter des Transformators steuert.
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Beim Einschaltverlauf und bei Überspannung, wenn die Oberwellen im
Differenzstrom hoch sind, werden sehr hohe Spannungsspitzen in der Differenzspannung
auftreten. Diese Spannungsspitzen haben zwar eine kurze Dauer, aber bei Verwendung
von elektronischen Meßorganen zur Steuerung der Schalter des Transformators wird,
wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden, eine Auslösung stattfinden, weil eine
solche Meßanordnung trägheitsfrei arbeitet.
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Die Erfindung betrifft einen Transformatordifferentialschutz, der
gegen unzulässige Auslösung mittels einer aus der Grundwelle und den Oberwellen
der Netzspannung hergeleiteten gleichgerichteten Spannung stabilisiert ist, die
einer in auslösender Richtung wirkenden, aus dem Differenzstrom hergeleiteten gleichgerichteten
Spannung entgegengerichtet ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß einem
Impulserzeugergerät eine Größe zugeführt wird, die proportional der Differenz der
beiden genannten
gleichgerichteten Spannungen ist, daß das Impulserzeugergerät
so ausgebildet ist, daß es ein Ausgangssignal in der Form von Impulsen abgibt, solange
der Absolutwert der genannten Differenzgröße mindestens gleich groß wie der Absolutwert
einer dem Gerät zugeführten Bezugsgröße ist und die beiden Größen auch dieselben
Vorzeichen haben, und daß die Impulslänge von der Zeit bestimmt ist, während der
der Momentanwert der Differenzgröße die Bezugsgröße übersteigt, und daß die im Impulserzeugergerät
erzeugten Impulse einem aus statischen Elementen bestehenden Zeitkreis zugeführt
werden, der ein Ausgangssignal abgibt, wenn jeder von mehreren aufeinanderfolgenden
Impulsen eine Länge hat, die einen bestimmten Wert übersteigt.
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Ein Differentialschutz nach der Erfindung gibt einen schnellen Auslöseimpuls
bei inneren Fehlern des Transformators, weil dabei langzeitige Spannungsimpulse
mit einer die Bezugsspannung überschreitenden Amplitude entstehen, während beim
Einschaltverlauf und bei Überspannung keine Auslösung erfolgt, weil die dann erzeugten
Impulse eine zu kurze Dauer haben.
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In der Zeichnung zeigt F i g. 1 einen Filterkreis eines Transformatordifferentialschutzes,
an den eine erfindungsgemäße Anordnung angeschlossen werden kann; F i g. 2 zeigt
als Ausführungsbeispiel eine Anordnung nach der Erfindung; F i g. 3 bis 7 zeigen
den Verlauf der Spannungen in stabilisierender und auslösender Richtung und die
Differenzspannung in verschiedenen Betriebsfällen.
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Von zwei nicht gezeigten Stromwandlern wird der Primärwicklung eines
Wandlers T1 einmal ein Strom Il zugeführt, der proportional dem Strom auf der einen
Seite des zu überwachenden Transformators ist, und zum anderen ein Strom 12, der
proportional dem Strom auf der anderen Seite dieses Transformators ist. Von der
Sekundärwicklung des Wandlers TI wird ein Strom entnommen, der proportional
ist und über einen spannungsabhängigen Widerstand Z einer Gleichstromrichterschaltung
V1 zugeführt wird. An den Gleichstromklemmen der Gleichrichterschaltung ist ein
Widerstand Rl angeschlossen, über diesem entsteht eine Spannung Usl, die in der
Zeichnung nach oben gerichtet gezeigt ist. Damit ist angedeutet, daß sie in stabilisierender
Richtung wirkt. Durch geeignete Bemessung des nichtlinearen Widerstandes Z, gegebenenfalls
in Kombination mit einem linearen Widerstand, kann der Funktion
ein gewünschter Verlauf gegeben werden, so daß die Spannung Usl unter allen Umständen
stabilisierend gegen eine Auslösung auf Grund eines Überstroms wirkt.
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Von einer Mittelanzapfung auf der Primärwicklung des Stromwandlers
T1 wird in bekannter Weise ein Differenzstrom
entnommen. Dieser wird in Reihe den Primärwicklungen dreier Stromwandler
T2, T3, T4 zugeführt. Für diese Wandler im Schutz gilt, daß sie auf der Primärseite
stromgespeist und ihre Sekundärspannungen dem Primärstrom proportional sind, d.
h. also, daß sie Luftspalte im Kern haben.
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Bei einem inneren Fehler des überwachten Transformators steigt der
Differenzstrom Il -12. Dieser Strom wird über den Wandler T4 entnommen, in
einer Gleichrichterbrücke V3 gleichgerichtet und einem Widerstand R3 zugeführt.
Über diesem entsteht eine Spannung Ud, die in auslösender Richtung auf den Schutz
wirkt und deshalb der Spannung Usl entgegengerichtet ist.
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Beim Einschalten eines Transformators entsteht ein starker Differenzstrom.
Wenn keine Maßnahmen ergriffen werden, steigt die Spannung Ud stark an, und der
Schutz löst aus. Um dies zu verhindern, muß der Schutz gegen eine Auslösung durch
den Einschaltstromstoß stabilisiert werden. Die Einschaltstabilisierung beruht darauf,
daß der Einschaltstrom und damit auch der Differenzstrom einen hohen Gehalt der
zweiten Oberwelle aufweisen. Der Transformatorschutz ist deshalb mit einem Filter
L2, C2 für die zweite Oberwelle versehen. Der starke Stromstoß der zweiten Oberwelle,
der beim Einschalten entsteht, wird in einer Gleichrichterbrücke V2 gleichgerichtet
und einem Widerstand R2 zugeführt, so daß über diesem Widerstand eine Spannung Us2
in stabilisierender Richtung erzeugt wird. Die beiden Stabilisierungsspannungen
Usl und Us2 werden zu einer totalen Stabilisierungsspannung Us zusammengesetzt.
Solange diese Spannung größer ist als die in Auslösungsrichtung wirkende Spannung
Ud, ist der Schutz gegen Auslösung stabilisiert.
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Der Schutz ist auch gegen den bei Überspannung zunehmenden Differenzstrom
stabilisiert. Bei Überspannung wird nämlich der Gehalt der fünften Oberwelle im
Differenzstrom zunehmen. Durch Anordnung eines Filters, der aus der SekundärwicklungLl
des Wandlers T3 und dem Kondensator C1 besteht, der die fünfte Oberwelle durchläßt,
erhält man über der Gleichrichterbrücke V2 und dem Widerstand R2 eine Spannung Us2,
die in derselben Weise wie bei dem Einschaltstromstoß eine Stabilisierung ergibt.
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Bei gewissen inneren Fehlern enthält der Differenzstrom eine starke
dritte Oberwelle. Wenn keine besonderen Maßnahmen getroffen werden, werden die Filterkreise
L1, Cl und L2, C2 einen erheblichen Teil der genannten Oberwelle durchlassen, die
dadurch auch bei inneren Fehlern stabilisierend wirken wird, bei denen der Schutz
auslösen soll. Nach der Erfindung sind deshalb die FilterkreiseLl, C1 und L2, C2
so dimensioniert, daß der erste eine Stabilisierung beim Einschalten und der zweite
bei Überspannung ergibt, während die Kreise zusammen die dritte Oberwelle sperren
und dadurch eine unzulässige Stabilisierung bei Fehlern verhindern, die einen hohen
Gehalt der dritten Oberwelle im Differenzstrom haben.
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Die erhaltene Differenzspannung Us-Ud liegt zwischen einem Punkt 10
und Erde über einem hochohmigen Widerstand 11 und einem Ventil 12. Solange der Transformator
fehlerfrei und Us größer als Ud ist, hat der Punkt 13 zwischen dem Widerstand
11 und dem Ventil 12 ein Potential, das positiv im Verhältnis zu Erde und
maximal gleich dem Spannungsabfall im Ventil in der Stromrichtung ist.
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Die Spannungen, die der in F i g. 1 gezeigte Filterkreis liefert,
können sehr hoch sein und müssen begrenzt werden, um nicht die Transistoren im nachfolgenden
Meßteil zu zerstören. Die Begrenzung wird zweckmäßig dadurch erhalten, daß das Ventil
12 die positiven Spannungen und der erste Transistor im Meßteil plus dem Widerstand
11 die negativen Spannungen begrenzt. Die Spannung zwischen dem Punkt13 und
Erde kann hierdurch keine höheren Werte als die für den Meßteil zugelassenen annehmen.
Der
in F i g. 2 gezeigte Meßteil des Differentialschutzes soll zwischen dem Punkt 13
in F i g. 1 und Erde im Filterkreis angeschlossen werden. Er besteht aus einer Verstärkerstufe
F, einem Impulserzeugergerät P und einem Zeitkreis T. Die Verstärkerstufe,
die zwischen Filterkreis und Impulserzeugergerät eingeschoben ist, um die Filter
nicht zu belasten, soll dieselbe Ausgangs- wie Eingangsspannung, aber eine hohe
Eingangs- und niedrige Ausgangsimpedanz haben. Die Verstärkerstufe besteht aus einem
Transistor 20, dessen Basis 21 am Punkt 13 des Filterkreises angeschlossen ist.
Der Emitter 22 des Transistors ist über ein Potentiometer 23 an Erde angeschlossen,
dessen bewegliche Klemme 24 über einen Widerstand 25 an der Basis eines Transistors
im Impulserzeugergerät angeschlossen ist. Der Kollektor 26 des Transistors 20 ist
am Minuspol der Stromquelle angeschlossen, die den Meßteil speist.
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Das Impulserzeugergerät P ist eine Schmitt-Triggerschaltung mit zwei
Transistoren 30 und 31, die einen gemeinsamen Emitterwiderstand 32 haben. Die Basis
im Transistor 30 ist am Widerstand 25 der Verstärkerstufe F angeschlossen, während
der Kollektor des Transistors über den Widerstand 33 an einer Stromquelle (z. B.
-12 V) angeschlossen ist. Der Kollektor ist außerdem über die Widerstände 34 und
35 an Erde angeschlossen. Die Basis des Transistors 31 ist an einem Punkt zwischen
den Widerständen 34 und 35 angeschlossen, der Kollektor des Transistors 31 ist über
den Widerstand 36 an der Stromquelle angeschlossen.
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Der Zeitkreis T enthält einen Transistor 40, dessen Emitter
an Erde über einen Widerstand 41 und dessen Kollektor an der Spannungsquelle
über die Wicklung 42 eines Auslöserelais angeschlossen ist. Das Auslöserelais
weist einen Auslösekontakt 43 auf. Die Basis des Transistors ist über eine Zenerdiode
44 an einem Punkt 45 angeschlossen. Dieser Punkt ist einmal über einen Kondensator
46 und zum anderen über einen Widerstand 47, der den Entladewiderstand des Kondensators
bildet, an Erde angeschlossen. Weiter ist der Punkt 45 über einen Widerstand
48 und ein Ventil 49
am Kollektor des Transistors 31 im Impulserzeugergerät
angeschlossen.
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Der im Impulserzeugergerät angeordnete gemeinsame Emitterwiderstand
ist so bemessen, daß die Spannung des Emitters im Transistor 30 ungefähr -1 V beträgt.
Bei einem fehlerfreien Transformator ist die auf der Basis liegende Spannung positiver
als die Emitterspannung, so daß der Transistor nicht leitend ist. Die Widerstände
33, 34 und 35 sind so gewählt, daß die Basis des Transistors 31 negativer ist als
der Emitter, so daß dieser Transistor leitend ist. Der Widerstand 36 ist wesentlich
größer als der Widerstand 32. Dies hat zur Folge, daß der Kollektor des Transistors
31 und damit auch das Ventil 49 nahe am Erdpotential liegen. Der Vorwärtsspannungsabfall
des Ventils 49 bewirkt im Verein mit dem Widerstand 48, daß der Kondensator 46 keinen
Ladestrom bekommt und der Zeitkreis T in Ruhelage ist.
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Wenn dagegen ein solcher Fehler entsteht, daß der Unterschied zwischen
Ud und Us negativer wird als die im Impulserzeugerkreis eingestellte Bezugsspannung,
wird der Transistor 30 leitend. Gleichzeitig wird der Transistor 31 gesperrt, und
sein Kollektor wird jetzt negativ. Dies hat zur Folge, daß der Kondensator 46 über
den Widerstand 48, das Ventil 49 und den Widerstand 36 Ladestrom bekommt. Wenn diese
Auf Ladung so lange dauert, daß die Spannung des Kondensators die Sperrspannung
in der Zenerdiode 44
übersteigt, wird der Transistor 40 leitend, und
die Relaisspule 42 bekommt Strom, wobei eine Auslösung erfolgt. Wenn die
Zeit, während welcher der Transistor 31 gesperrt ist, so kurz ist, daß die Spannung
des Kondensators 46 keine Zeit hat, bis zur Sperrspannung der Diode
44 anzusteigen, erfolgt keine Auslösung, und der Kondensator wird über den
Widerstand 47 entladen. Man kann also durch Bemessung der Kapazität des Kondensators
46 oder der Sperrspannung der Diode 44 die Zeit bestimmen, die vom
Auftreten eines Fehlers bis zu einer Auslösung verstreicht.
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Aus den F i g. 3 bis 7 ergibt sich die Funktion des Differentialschutzes
bei einigen Betriebsfällen des Transformators. Da die Zweiwegegleichrichtung in
den Gleichrichterbrücken V1, V2 und V3 stattfindet, werden die Spannungen über den
Widerständen R 1, R2 und R3 aus pulsierenden Gleichspannungen bestehen. F i g. 3
bis 6 entsprechen zwei ganzen Perioden der Netzspannung, während F i g. 7 nur eine
Periode zeigt.
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F i g. 3 zeigt das Aussehen der stabilisierenden Spannung Us und die
Differenzspannung Ud bei fehlerfreiem Transformator. Der Unterschied zwischen ihnen
ist mit gestrichelten Linien angedeutet und ist, wie ersichtlich, positiv im Verhältnis
zur Bezugsspannung Ur, weshalb keine Auslösung erfolgt.
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F i g. 4 zeigt den Verlauf bei einem inneren Fehler des Transformators.
Die Differenzspannung Ud erhält einen sehr hohen Wert. Die Amplitude der Differenzspannung
wird erheblich größer als die Bezugsspannung, und die Zeit für jede Halbperiode,
während welcher die Amplitude der Differenzspannung die eingestellte Bezugsspannung
übersteigt, wird nur etwas kleiner als 10 Millisekunden. Das Zeitintervall zwischen
zwei Impulsen, in dem der Kondensator keinen Ladestrom bekommt, sondern entladen
wird, ist in einem solchen Fall sehr kurz. Wenn man annimmt, daß der Kondensator
15 Millisekunden braucht, um die Sperrspannung für die Zenerdiode zu erreichen,
und daß weitere 3 Millisekunden nötig sind, damit das Relais mit Sicherheit einen
Betätigungsimpuls bekommt, vergehen also 18 Millisekunden für die konstante Ladung
des Kondensators. Man kann deshalb voraussetzen, daß bei einem inneren Fehler des
Transformators das Relais nach drei Ladeintervallen des Kondensators 46 einen
Betätigungsimpuls bekommt, was ungefähr einer und einer halben Periode der Netzspannung
oder 30 Millisekunden entspricht. Diese Werte dürfen nur als annähernde Richtwerte
betrachtet werden, da sie von der Größe des Fehlerstromes abhängen.
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Bei äußeren Fehlern nimmt Us zu, und die Differenzspannung
zwischen Us und Ud wird positiv, so daß der Transistor 30 gesperrt bleibt. Dieser
Fall ist in F i g. 5 gezeigt.
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F i g. 6 zeigt den Verlauf beim Einschalten des Transformators. Dabei
entsteht ein Einschwingverlauf, so daß die gleichgerichtete Differenzspannung in
jeder Periode der Netzspannung eine starke Spitze erhält. Der Differenzstrom enthält
jedoch eine hohe zweite Oberwelle, die ausgefiltert und für die Stabilisierung verwendet
wird. Die Differenzspannung bekommt einen hohen, aber spitzen Amplitudenwert einmal
pro Periode der Netzspannung, und die Länge des Zeitintervalls, in dem die Differenzspannung
die Bezugs-
Spannung übersteigt, ist kleiner als 5 Millisekunden,
so daß der Transistor 40 gesperrt bleibt. Weil der Wandler T2 eine größere
Trägheit hat als der Wandler T4, können in der ersten Periode zwei Impulse erhalten
werden, deren Länge 5 Millisekunden überschreitet. Deshalb ist der Kreis so bemessen,
daß er keine Ausgangssignale abgibt, wenn die Länge des ersten Impulses 5 Millisekunden
übersteigt, aber 18 Millisekunden unterschreitet.
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F i g. 7 zeigt schließlich den Verlauf bei einer Überspannung. Die
Differenzspannung überschreitet zwar die Bezugsspannung während eines verhältnismäßig
großen Teils der Periode, da aber der Differenzstrom einen hohen Gehalt der fünften
Oberwelle hat und diese in stabilisierender Richtung verwendet wird, übersteigt
die Differenzspannung die Bezugsspannung nur während sehr kurzer Intervalle, was
gemäß den obigen Ausführungen keine Auslösung verursacht.
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Nach der Erfindung ist also der Zeitkreis unwirksam, solange die aus
dem Summenstrom und Differenzstrom hergeleitete Differenzspannung kleiner als eine
einstellbare Bezugsspannung ist. Der Zeitkreis gibt erst dann einen Auslöseimpuls
für die Schalter des Transformators, wenn die genannte Differenzspannung die Bezugsspannung
während einer gewissen einstellbaren Minimalzeit überschreitet. Dadurch wird ein
Differentialschutz erhalten, der bei Transformatorfehlern eine Auslösung ergibt,
aber nicht bei Fehlern außerhalb des Transformators, bei Einschaltstromstößen oder
bei Überspannungen.