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Für den Erdschlußschutz in Wechsel- oder Drehstromnetzen, die nicht
geerdet sind, und auch für den Erdschlußschutz von elektrischen Maschinen wird im
allgemeinen die bei einem Erdschluß auftretende natürliche Verlagerungsspannung
eines vorhandenen oder künstlich gebildeten Null- bzw. Sternpunktes gegenüber Erde
herangezogen. Diese Verlagerungsspannung bringt beim Überschreiten eines bestimmten
einstellbaren Wertes ein Erdschlußrelais zum Ansprechen. Ein 100°/oiger Schutz für
Wechsel- oder Drehstromsysteme, in denen elektrische Maschinen oder Transformatoren
mit in Stern geschaltenen Wicklungen vorhanden sind, läßt sich mit dieser Art des
Erdschlußschutzes nicht erreichen, da ein auftretender Erdschluß im Sternpunkt oder
in der Nähe desselben keine oder nur eine sehr kleine Verlagerungsspannung hervorruft
und daher das Erdschlußrelais nicht zum Ansprechen bringt.
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Aus diesem Grund sieht man außerdem ein weiteres Erdschlußrelais vor,
welches nur auf die durch drei teilbaren, vom Generator erzeugten Spannungsoberwellen
anspricht. Diese Kombination ergibt einen vollständigen Schutz für Drehstromsysteme
mit Generatoren, deren Wicklungen in Stern geschaltet sind. Er kann aber naturgemäß
nur für solche Generatoren angewendet werden, die bei jeder Belastung eine ausreichende
Oberwellenspannung abgeben. Auch die im allgemeinen an den Generator angeschlossene
Transformatorwicklung ist vollständig geschützt, da in den meisten Fällen die Transformatorwicklungen
auf der Generatorseite in Dreieck geschaltet sind.
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Ist jedoch eine dieser Voraussetzungen nicht erfüllt, besitzt z. B.
der Generator eine nahezu ideal Sinusförmige Feldverteilung oder wird die dritte
Spannungsoberwelle teilweise oder ganz von der Ankerrückwirkung des Belastungsstromes
kompensiert, so wird ein mit den »natürlichen« Verlagerungsspannungen arbeitender
Schutz nicht für alle Fehlerfälle ausreichen.
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Deshalb hat man zur Erzeugung einer Verlagerungsspannung auch schon
eine fremde Spannungsquelle herangezogen. Bei einer bekannten Schaltung wird zwischen
einem vorhandenen oder künstlich gebildeten Sternpunkt und Erde eine Gleichspannungsquelle
eingeschaltet, die in Reihe zu einem Erdschlußrelais liegt. Wenn in irgendeinem
Punkt des Wechsel- oder Drehstromsystems ein Erdschluß auftritt, so ist die Gleichspannungsquelle
über die Fehlerstelle kurzgeschlossen, und der dadurch fließende Erdschlußgleichstrom
dient zur Feststellung des Erdschlusses. Die Verspannung des Sternpunktes mit einer
Gleichspannung wird aber kaum noch angewendet, da sich infolge des Gleichstromes
unangenehme Nebenerscheinungen an der Leitoberfläche bzw. an der Isolation des Ständers
ergeben können. Auch können Spannungswandler und andere gegen Erde geschaltete Induktivitäten
in Sättigung geraten. Ein in Sättigung geratener Spannungswandler täuscht aber beispielsweise
für eine andere nachgeschaltete Schutzanordnung eine zu kleine Spannung vor, so
daß ein Fehlansprechen erfolgen kann. Abgesehen davon wird der Wandler thermisch
überlastet.
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Aus diesem Grunde hat man zur Verspannung des Sternpunktes in Drehstromsystemen
eine von einer verketteten Spannung abgeleitete Zusatzspannung verwendet. Dadurch
erreicht man, daß zwischen jedem Punkt der Wicklungen einer elektrischen Maschine
einschließlich des Sternpunktes und Erde eine Verlagerungswechselspannung vorhanden
ist, so daß ein Erdschluß an jeder beliebigen Stelle des Drehstromsystemes erfaßt
werden kann.
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Zur besseren Unterscheidung des durch die Verlagerungsspannung hervorgerufenen
Blindstromes, der sich über die Erdkapazitäten des Wechsel- bzw. Drehstromsystems
schließt, von dem Wirkstrom, der über eine vorhandene Erdschlußstelle fließt, ist
ein wattmetrisches Relais in Reihe zu der Verlagerungsspannung geschaltet.
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Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Erdschlußschutzschaltung
mit einer Zusatzspannungsquelle, die zur Erzeugung einer Verlagerungsspannung zwischen
einem Null- bzw. Sternpunkt und Erde eingeschaltet ist. Die Erfindung besteht darin,
daß als Zusatzspannungsquelle die Ausgangsspannung eines Wechselrichters mit von
der Frequenz des Wechsel-oder Drehstromsystems abweichender Frequenz vorgesehen
ist und als Erdschlußrelais (ER"".) ein Gleichstromrelais in Reihe zur Gleichstromquelle
(B) des Wechselrichters geschaltet ist.
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Durch diese Anordnung wird ein wesentlicher Nachteil der zuletzt beschriebenen
bekannten Schaltung mit einer von einer verketteten Spannung abgeleiteten Verspannung
vermieden. Dieser Nachteil besteht bei der bekannten Schaltungsanordnung darin,
daß z. B. bei einem Generator, der über einen Transformator an ein Netz geschaltete
ist, über die Koppelkapazität des Transformators durch eine im Netz auftretende
Verlagerungsspannung eine Störspannung am Generator auftritt, die eine Fehlauslösung
des Schutzes hervorrufen kann.
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Zur Verdeutlichung ist in F i g. 1 ein Ersatzschaltbild einer derartigen
bekanntenAnordnung schematisch dargestellt. Das Netz Nist über die Koppelkapazität
Cx des Transformators und über die Erdkapazität CE des Generators, der Ableitungen
und der Transformator-Unterspannungswicklung mit Erde verbunden. Dar Erdkapazität
CE ist eine Wechselspannungsquelle Q
parallel geschaltet, die in Reihe zu
einem ohmischinduktiven Widerstand Z (Belastungswiderstand, Induktivität der Erdungsdrossel)
liegt. Eine von außen kommende Störspannung teilt sich also im Verhältnis der Widerstände
der Koppelkapazität Cx des Transformators und des ohmisch-induktiven Widerstandes
Z auf. Wenn ein Fehlansprechen des Schutzes vermieden werden soll, so muß die Zusatzspannung
aus der Zusatzspannungsquelle Q immer größer als eine mögliche Störspannung sein.
Ein kleinerStörspannungsabfall am Widerstand Z läßt sich dadurch erreichen, daß
der Widerstand Z entsprechend klein gewählt wird. Es ergibt sich dann aber ein relativ
hoher Erdschlußstrom. Hält man den Erdschlußstrom durch Erhöhung des Widerstandes
Z in Grenzen, so ist es erforderlich, eine hohe Verspannung vorzusehen, welche in
der Praxis die im Dauerbetrieb zugelassene Maximalspannung der Maschinen von 5 °/o
über Nennspannung meistens überschreitet.
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Dieser Nachteil kann bei der nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vermieden werden. Die
Verwendung eines Wechselrichters mit von dir Frequenz des Wechsel- oder Drehstromsystems
abweichender Frequenz, dessen Ausgangsspannung zwischen Sternpunkt und Erde des
Wechsel-oder Drehstromsystems eingeschaltet ist, in Verbindung mit einem Gleichstromrelais
als Erdschlußrelais
in Reihe zu der dem Wechselrichter speisenden
Gleichstromquelle ermöglicht es, daß von außen kommende Störspannungen von der Erdschlußschutzeinriclitung
weitgehend ferngehalten werden können. Außerlleni kommt inan bei dieser Anordnung
mit kleiner Zusatzspannung und kleinem Erdschlußstroin aus, und man kann die Wirkkomponente
des Erdschlußstromes ohne Verwendung eines wattmetrischen Relais erfassen.
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F i @@. 2 zei-t die Schaltung einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung. Das N-2tz N ist über einen Blocktransformator und die Leitungen R,
S, T mit dem Generator G verbunden. Die gesamte Erdkapazität der galvanisch
mit dem Generator G verbundenen Icitenclen Teile ist mit Cr: bezeichnet. An die
Leiter R, S, T sind wie üblich eine Erdungsdrossel ED, die Primärwicklung
eines Spannungswandlers .S11 und Zusatzkondensatoren ZK angeschlossen. Die Erdungsdrossel
enthält eine in offener Dreieckschaltung geschaltete Sekundärwickhin g
mit einem Belastungswidefstand Rb, und einem Erdschlußrelais ERvo.". Der
Index 800/0 deutet an, daß etwa 800/0 der Generatorwicklungen finit diesem Relais
geschützt sind. Die Sekundärwicklung der ErdtuiLsdrossel mit dem Relais ER",." stellt
einen mit der normalen Verlagerungsspannung arbeitenden Erdschlußschutz dar, der
zur Erhöhung der Ansprechsicherheit beiträgt. Die Sternpunkte der Erdungsdrossel,
des Spannungswandlers und der Zusatzkondensatoren sind miteinander verbunden und
über einen Kondensator C an Erde gelegt. Dieser Kondensator C besitzt schon eine
gewisse Filterwirkung, wenn die Zusatzspannungsquelle eine kleinere Frequenz als
50 Hz hat. Parallel zum Kondensator C liegt die Primärwicklun z; eines Transformators
Tr, in der die Zusatzwechselspannung induziert wird. Es wäre auch denkbar, die Wicklung
des Transformators TR in Reihe zu der Sekundärwicklung der Erdungsdrossel ED zu
schalten. Diese Maßnahme hätte den Vorteil, daß nur eine Isolierung für Niederspannung
erforderlich ist. Dzr Transformator Ti- ist Teil eines NVechselrichters, der die
steuerbaren Stromtore T, und T.@ in Mittelpunktschaltung, den Multivibrator AIV
die dlättungsdrossel GD, die Blindstronidioden D, und D.z, die antiparallel zti
den gesteuerten Stromtoren T, und 7:, geschaltet sind, und eine zwischen eine Mittelpunktanzapfung
der Primärwicklung des Transformators Ar und die Glättungsdrossel einbeschaltete
Gleichstromquelle B umfaßt. Die Schaltungselemente zur Koniniutierung sind nicht
eingezeichnet.
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Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen mit wattinetrisclien Relais
ist hier nur ein Stromrelais als Erdschlußrelais ER""", vorgesehen, welches aber
nicht in die Verbindungsleitung zwischen Nullpunkt und Erde eingeschaltet ist, sondern
in Reihe zu der Gleichstromquelle B im Gleichstromkreis des Wechselrichters liegt.
Da der Mittelwert des Stromes im Gleichstromkreis dein im Wechselstromkreis fließenden
Wirkstrom proportional ist, erfüllt das Stromrelais im Gleichstromkreis die gleiche
Aufgabe wie ein wesentlich nufwendi-eres Leistungsrelais im Wechselstromkreis. Außerdem
ist parallel zti der Gleichstromquelle B und zu dein Erdschlußrelais ER",.. noch
ein Glättungskondensator GK geschaltet, der den Wechselstroinanteil ini Gleichstromkreis
aufnimmt und so das Erdschlußrelais ER,00,, thermisch entlastet. Der Wechselrichter
wirkt gleichzeitig als Filter für vom Netz kointnende Störspannungen mit von der
Frequenz der Zusatzspannung abweichender Frequenz, da diese Störspannungen auf der
Gleichstromseite des Wechselrichters eine Wechselkomponente hervorrufen, die keinen
Einfiuß auf das Erdschlußrelais hat. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, parallel
zur Gleichstromquelle B und zum Erdschlußrelais ER"",. eine Rückstromdiode
RD einzuschalten. Diese schließt eine eventuell von außen kommende, durch
die Stromtore T, und 7. gleichgerichtete, sich zu der Spannung der Gleichstromquelle
B addierende Spannung kurz und wirkt dabei ähnlich wie der Kondensator C. Ein ähnlicherEffektzurVerminderung
von Störspannungen läßt sich erreichen, wenn inan (wie gestrichelt eingezeichnet)
für das Erdschlußrelais ER,oo" eine zweite Wicklung vorsieht und diese parallel
zur Gleichstromquelle B schaltet. Eine Störspannung, die über die Gleichstromquelle
einen zusätzlichen Gleichstrom treibt, läßt diesen dann zum Teil auch über die zweite
Wicklung des Erdschlußrelais ER"".. fließen. Dieser »Störgleichstrom« wirkt dann
in der ersten Wicklung des Erdschlußrelais ER,o0@% im auslösenden Sinne und in der
zweiten zusätzlichen Wicklung im sperrenden Sinne bzw. vermindert den im auslösenden
Sinne wirkenden Strom in der zusätzlichen Wicldung.
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Die Zusammenschaltung der Sternpunkte von Erdungsdrossel, Spannungswandler
usw. bewirkt eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Schutzes und vermindert vor allein
die am Spannungswandler SW
abfallende Verlagerungsspannung. Im fehlerfreien
Zustand sind also nur noch die Erdkapazitäten CL gegen Erde geschaltet. Dadurch
wird der Betrag des normalerweise fließenden Blindstromes vermindert und der Unterschied
zu dem sich bei einem vorhandenen Erdschluß einstellenden Erdschlußstrom vergrößert.
Auf die Zusammenschaltung kann insbesondere dann verzichtet werden, wenn die Verspannungsfrequenz
kleiner als die Betriebsfrequenz gewählt wird.
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Die Frequenz der Verlagerungsspannung kann größer oder kleiner sein
als die der Netzfrequenz. D--r Unterschied muß mindestens so groß s(-in, daß durch
Filter, Wechselrichter od. dgl. der Einfiuß der Störspannung auf das Erdschlußrelais
auf einen genügend kleinen Wert begrenzt wird.