DE2115807A1 - Erdschlußschutzeinrichtung fur elektrische Gerate mit in Stern ge schalteten Wicklungen - Google Patents

Description

iürdßchlußsclmtzeinricntung für elektrische Geräte mit in

Pur den Erdschlußscfruts elektrischer Geräte, die in Stern geschaltete Y/icklungen besitzen, werden die verschiedenaten Anordnungen angewendet, um auch einen Erdschluß im Sternpunkt der Maschine oder in der Nahe desselben erfassen zu können.

Allen Erdschlußschutzeinriehtimger» für den Schutz elektrischer Geräte mit in Stern geschalteten Wicklungen ist gemeinsam, daß sie eine Verspannung des Sternpunktes der dem elektrischen Gerät zugehörigen V/icklungen gegen Erde ausnützen", um eine Erdschlußanzeige zu erhalten.

Diese Sternpunktverspannung kann bei einem Synchrongenerator durch die von ihm erzeugte dritte 0"berschwingung ohnehin vorhanden sein. In vielen Fällen ist aber nicht sichergestellt, daß diese dritte Oberschwingung bei jedem Belastungszustand einen Gerätes vorhanden ist, so daß man zur Sicherstellung einer Spannungsdifferenz zwischen dem Sternpunkt der Wicklungen und Erde eine Spannungsquelle einschalten muß. Als solche Spannungsquelle ka.nn eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle mit Netzfrequenz oder mit netzfremder Frequenz verwendet werden. Hierdurch ergeben sich sowohl Vorais auch Nachteile der einzelnen Erdschlußschutzeinrichtungen. Die Schwierigkeit bei der Erfassung eines Erdschlusses in Sternpunktnähe oder im Sternpunkt liegt hauptsächlich darin, daß jedes elektrische Gerät mit einem Netz verbunden ist, während sich der Erdschlußschutz nur auf die Teile erstrecken soll, die galvanisch mit den in Stern geschalteten Wicklungen verbunden sind. Bei einer Synchronmaschine heißt das, daß die

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Synchronmaschinenwicklung und die Wicklungen eines angeschlossenen Transformators den gegen Erdschluß zu schützenden Bereich darstellen. Diese Wicklungen des Transformators haben gegenüber den übrigen Wicklungen Koppelkapazitäten, über die Störspannungen aus dem Netz auf die Wicklungen des elektrischen Gerätes gelangen können. Diese StUrspannungen haben entweder Netzfrequenz oder Frequenzen bestimmter Oberschwingungen des Netzes. Verwendet man daher zur Verspannung des Sternpunktes gegenüber Erde eine Wechselspannung mit Netzfrequens, so muß diese, um sie eindeutig gegenüber den vom Netz eingestreuten Storspannungen unterscheiden zu können, größer als diese Störspannungen gewählt werden. Die Höhe der Störspannungen läßt sich grundsätzlich begrenzen durch einen zwischen Sternpunkt und Erde geschalteten Belastungswiderstand, wenn dieser genügend niederohmig gewählt wird, allerdings hat oiny derartige Auslegung eines Belastungsv/iderstandes wiederum die Folge, daß im Erdschlußfslle der Erdschlußstrom erhöht wird.

Will man sowohl eine hohe Verlagerungßspannung, als auch einen hohen Erdschlußstrom vermeiden, so kann man als Verlagerungsspannung für den Sternpunkt eine Spannung netzfremder Frequenz wählen. Hierfür sind hohe Frequenzen schlecht geeignet, da sie hohe Ströme über die Erdkapazitäten der in Stern geschalteten Wicklungen und der daran angeschlossenen Leitungen

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treiben wurden. Niedrige Frequenzen sind da trotz eines höheren Aufwandes für Filteranlagen zur Aussiebung des Stromes mit der Frequenz der Spannungsquelle zwischen Sternpunkt und Erde vorteilhafter, man benötigt aber in jedem Falle eine Spannungsquelle netzfremder Frequenz, im allgemeinen also einen aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten, selbstgeführten Wechselrichter.

Niedrige Frequenzen sind wegen des hohen Widerstandes der Eigenkapazität des zu schützenden elektrischen Gerätes wesentlich besser geeignet, sie bedingen aber einen sehr großen Aufwand für Filteranlagen zur Aussiobimg des Stromes mit der Frequenz der Spannungsquelle zwischen Sternpunkt und Erde. Außerdem werden hohe Anforderungen an die Ober-

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wellenfreiheit der YerlagerungsSpannungsquelle gestellt, um die Filterwirkung zu verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer ErdSchlußSchutz einrichtung zur Erfassung von Erdschlüssen, insbesonders Erdschlüsse im Sternpunkt oder in der Nähe desselben, ohne daß Feblauslösungen durch Erdschlüsse außerhalb des elektrischen Gerätes - z.B. in Netzteilen, die mit diesen über einen' Trans formator verbunden sind - aiiftreten können.

Die Erfindung betrifft damit eine ErdSchlußschutzeinrichtung, vn.e sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist. Das lieue besteht erfindungsgemäß in der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 enthaltenen technischen Lehre. Besonders vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Aupführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Punktionsweise bei fehlerfreiem Gerät zeigen die Kurven nach Pig. 2, während in den Pig. 3und 4 die Zählerstände bei einem Erdschlußfehler mit und ohne Störspannung eingezeichnet sind.

Als zu schützendes Gerät ist in Fig. 1 3in Generator 1 mit den Wicklungen2 vorgesehen, die auf einer Seite zu einem Sternpunkt 3 zusammengeschaltet sind. Die Eigenkapazität 4 und der Isolationsv/iderstand 5 eines Phasenleiters sind angedeutet. Zwischen Sternpunkt 3 und Erde 6 befindet sich eine Y/ieklung eines Transformators 7, dessen zväte Wicklung an eiren Belastungswiderstand 8 angeschlossen ist. Der Belartungswidcrstand 8 ist mit den Widerständen 9, 10 und 11 zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet. In einer Diagonale der Brückenschaltung liegt eine Verlagerungsapannungs-CLuelle 12, die beispielsweise eine Spannung mit einer Frequenz erzeugt, die unterhalb der Netzfrequenz liegt. In die zweite Brückendiagonale der Brückenschaltung aus den genannten Y/iderständen ist ein Potentiometer 13 eingeschaltet, dessen Abgriff und unterer Anschluß an die Wechselstroni-

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anschlüsse eines Gleichrichters 14 angeschlossen sind. Außerdem liegen parallel zu den Wechselstromanschlüssen des Gleichrichters 14 zwei antiparallel geschaltete Dioden 15 und 16, die in Reihe zu je einem Widerstand 17 und 18 geschaltet sind. Parallel zum Widerstand 17 liegt eine Grenzwertstufe 19 und parallel zum Widerstand 18 eine Grenzwertstufe 20, deren Ausgänge an die Richtungseingänge 21 und 22 für Vor- und Rückwärtszählung eines Zählers 23 angeschlossen sind. An den Ausgang der Grenzwertstufe 19 ist außerdem ein Eingang einer Kippstufe 24 so angeschlossen, daß die Kippstufe bei jedem neu eintreffenden Signal in die jeweils andere Sehaltstellung umschaltet. Ausgangsseitig ist die Kippstufe 24 über eine Zeitstufe 24a an den Löscheingang 25· des Zählers 23 angeschlossen und weiterhin mit einem Eingang eines dem Zähler nachgeschalteten Und-Gliedes 31 verbunden.

An die Gleichstromanschlüsse des Gleichrichters 14 ist über einen Begrenzungswiderstand 26 eine Grenzwertstufe 27 angeschlossen, die auf einen etwas größeren Wert eingestellt ist als die Grenzwertstufen 19 und 20. An den Ausgang dieser Grenzwertstufe 27 ist der Eingang eines Taktgebers 28 geschaltet, der auf den Zähleingang 29 des Zählers 23 wirkt. Dieser Taktgeber 28 ist. also immer dann eingeschaltet, wenn die Grenzwertstufe 27 angesprochen hat. Ein Ausgang 30 des Zählers 23 ist an den zweiten Eingang des Und-Gliedes 31 ge» führt. Die Schaltung im Innern des Zählers ist dabei so zu treffen, daß am Ausgang 30 des Zählers 23 immer dann ein Signal vorhanden ist, wenn ein bestimmter, nur durch Toleranzgrenzen der verwendeten Schaltung gegebener, von Null verschiedener Wert im Zähler 23 gespeichert ist. Der Ausgang des Und-Gliedes 31 ist an einen Eingang eines Oder-Gliedes 32 angeschlossen-, dessen zweiter Eingang an den Ausgang 33 des Zählers 23 geführt ist. Der Ausgang 33 des Zählers 23 soll bei unterhalb der ITetzfrequenz liegender Frequenz der Verlagerungsspannungsquelle 12 nur dann Signal führen, wenn der Zählerstand einen Y/ert überschreitet, .der höher liegt als der Wert, der vom Taktgeber während einer Periode der Netzspannung (Störspannung) erreicht wird. Das Augangs-

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signal am Oder-Glied 32 kann dann z.B. an ein Erdschlußerfassungsrelais geführt sein oder auf andere Art und Weise eine Anzeige des Erdschlusses oder eine Auslösung von Schaltern bewirken.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Mg. 1 soll nun anhand von Pig. 2 beschrieben werden. In Fig. 2a ist als Kurve U13 die Spannung am Potentiometer 13 dargestellt. Die positiven Halbwellen dieser Spannung steuern über die Diode 15 die Grenzwertstufe 19 aus, so daß das Ausgangssignal der Grenzwertstufe 19 der Kurve GM9 in Fig. 1a entspricht. In gleicher Weise entsteht als Ausgangssignal der Grenzwertstufe 20 die ( Kurve G20. Das Auagangssignal der Grenzwertstufe 19 gelangt auf die Kippstufe 24, so daß an dem Löscheingang 25 des Zählers 23 die in Fig. 2b dargestellte Kurve Z24a vorhanden ist. Diese entspricht dem am Ausgang der Zeitstufe 24a auftretenden Signal.

Die an den Gleichstromklemrnen des Gleichrichter 14 auftretende Spannung ist als Kurve VH in Fig. 2c dargestellt. Diese Spannung gelangt auf den Eingang der Grenzwertstufe 27, so daß an deren Ausgang ein der Kurve G27 entsprechendes Signal einstellt. Der Grenzwert der Grenzwertstufe 27 ist auf einen höheren Wert eingestellt als derjenige der Grenzv/ertstufen 19 μ und 20, so daß der Taktgeber 28 erst eingeschaltet wird und nur so lange eingeschaltet bleibt, wie mit Sicherheit ein Signal an einem der Richtungseingänge 21 oder 22 vorhanden ist. Der Zählerstand des Zählers 23 ist als Kurve S23 in Fig. 2d aufgetragen. Dabei ist angenommen,d aß in dem zu schützenden Gerät kein Fehler vorhanden ist, jedoch eine eingestreute, zwischen den Phasenleitern und Erde liegende Störspannung am Belastungswiderstand 8 abfällt.. Eine dazu proportionale Spannung liegt dann am Potentiometer 13. Diese Spannung hat eine Frequenz von z.B. 50 Hz, die über der Frequenz der Zusatzspannungsquelle 12 liegt. Hierdurch bleibt die Grenzwertstufe 27 nur eine so kurze Zeit angesprochen, daß die in dieser Zeit vom Taktgeber 28 in den Zähler 23 eingezahlten Impulse nicht ausreichen, um ein Ausgangssignal

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am Ausgang 33 des Zählers 23 zu erzeugen. Der hierzu notwendige Zählerstand ist in Pig. 2d durch den Grenzwert Z33 "bezeichnet. Der notwendige Zählerstand, um ein Signal am Ausgang 30 des Zählers 23 zu erzeugen, ist ebenfalls als Grenzwert Z30 in Mg.. 2d eingetragen. Man sieht, daß der Zählerstand nach der Kurve S23 diesen letzteren Wert schon "bald überschreitet, so daß eine Bedingung zur Einschaltung des Und-Gliedes 31 gegeben ist. Der zweite Eingang des Und-Gliedes 31 ist an den Ausgang der Kippstufe 24 angeschlossen, der während einer Meßperiode jedoch kein Signal führt. Infolgedessen ist die Bedingung für das Und-Glied 31 nicht erfüllt, so daß auch am Ausgang des Oder-Gliedes 32 kein Signal vorhanden ist.

In Pig. 2d ist außerdem noch die Kurve K24 eingezeichnet, aus der ersichtlich ist, daß beim nächsten Ansprechen der Grenswertstufe 19 der an den Ausgang der Kippstufe 24 angeschlossene Eingang des Und-Gliedes 31 Signal führt. Da der Löscheingang 25 des Zählers 23 über die Zeitstufe 24a vom Ausgang der Kippstufe 24 angesteuert wird, wird während der Verzögerungszeit der Zeitstufe 24a geprüft, ob nach Beendigung einer Meßperiode, die gleich einer Periode der Spannung am Potentiometer 13 (Kurve U13) ist, der Zählerstand nach der Kurve S23 den durch die Ansprechgrense Z30 gegebenen Wert noch überschreitet.

Da die aus den Widerständen 8, 9, 10 und 11 bestehende Brückenschaltung abgeglichen ist, verursacht die Spannung der Verlag erungsspannungs quelle 12 keinen Spannungsabfall an dem Potentiometer 13, so daß die positive und negative Halbwelle der Spannung am Potentiometer 13 gleich groß sind. Infolgedessen wird der Zählerstand am Ende der Meßperiode etwa auf dem Wert Null wieder angelangt sein, so daß auch nach Beendigung der Meßperiode kein Signal am Ausgang des Oder-Gliedes 32 vorhanden ist.

In Pig. 2a ist zusätzlich als Kurve ΤΠ2 die Spannung der VerlagerungsspanmingsQuelle 12 gestrichelt eingetragen. Eine dieser Spannung proportionale Größe liegt dann am Potentio-

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meter 13, wenn ζ,.B. durch einen Erdschluß im Sternpunkt 3 oder in der Nähe desselben der Belastungswiderstand 8 ganz oder teilweise kurzgeschlossen ist und damit die Brückenschaltung nicht mehr abgestimmt ist. Liegt also ein Erdschluß im Sternpunkt oder in der Nähe desselben vor, so werden sich am Potentiometer 13 die Spannungennach den Kurven U12 und U13 addieren. Das hat für den Zählerstand im Zähler 23 zur Folge, daß er sich entsprechend der Kurve K23 in Fig. 3 entwickelt. Der Grenzwert Z33 wird hierbei nicht erreicht, allerdings ist durch die Verschiebung des Nulldurchganges die Zeitdauer, in der die Grenzwertstufe 20 ein Ausgangssignal abgibt, kürzer und die Ansprechdauer der Grenzwertstufe 19 langer als bei fehlerfreiem Betrieb. Infolgedessen wird am Ende der Meßperiode, wenn die Kippstufe 24 ein Ausgangssignal abgibt, der Zählerstand über dem Grenzwert Z30 liegen. Infolgedessen ist ein Ausgangssignal am Ausgang 30 des Zählers 23 vorhanden, so daß mit Auftreten eines Signals am Ausgang der Kippstufe 24 die Bedingung für das Und-Glied 31 erfüllt ist, so daß das Oder-Glied 32 ein Signal an eine nachgeschaltete Erdschlußerfassungseinrichtung abgibt.

Pur den Pail, daß keine Störspannung vorliegt und nur die Spannung der Verlagerungsspannungsquelle nach der Kurve U12 - bedingt durch einen Erdschluß im zu schützenden Gerät vorhanden ic't, wird der' Zählerstand über den Grenzwert Z33 ansteigen, wie in Pig. 4 dargestellt ist. Der Schnittpunkt für den Zählerstand nach der Kurve Z23 in Pig. 4 mit dem Grenzwert Z33 gibt den Zeitpunkt an, von dem ab ein Signal am Ausgang 33 des Zählers 23 vorhanden ist. Da dieser Ausgang unmittelbar an die OderrStufe 32 angeschlossen ist, wird diese ein Ausgangssignal liefern und damit den vorhandenen Erdschluß anzeigen.

Im Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die Frequenz der Verlagerungsspannungsquelle 12 unterhalb der Netzfrequenz liegt, mit der die Störspannungen am Belastungswiderstand 8 auftreten. Diese niedrige Frequenz besitzt den Vorteil, daß nur ein geringer Strom über die L'igenkapazität 4 des

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Generators 1 fließt, so daß man mit kleinen Werten für die Verlagerungsspannung und den Verlagerungsstrom auskommt. Grundsätzlich, kann jedoch auch für die Verlageriingsspanrmngs-C[UeIIe 12 eine größere Frequenz als Hetzfrequenz gewählt v/erden. In diesem Fall muß allerdings die Auswerteschaltung des Zählerstandes vom Zähler 23 so geändert werden, daß eine Auslösung nicht bei der Spannung mit der niedrigeren Frequenz sondern bei der Spannung mit höherer Frequenz erfolgt,

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Claims (3)

VPA 71/3068 Patentansprüche.:

1.)) Erdschlußschutzeinrichtung für elektrische Geräte mit in Stern geschalteten Wicklungen und einem zwischen Sternpunkt und Erde geschalteten hochohmigen Belastungswiderstand, der Teil einer Brückenschaltung ist, in deren einer Diagonale eine Verlagerungsspannungsquelle liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Prequenz der Verlagerungsspänmmg«- quelle (12) von der lietzfrequenz abweicht und daß an die zweite Diagonale (Potentiometer 13) der Brückenschaltung (8, 9» 10, 11) eine Zeitmeßeinrichtung angeschlossen ist, die während einer Periode der Wechselspannung in der zweiten Diagonale der Brückenschaltung die zeitlichen Abstände zwischen den Nulldurchgängen erfaßt und zur Bestimmung des Erdschlusses ein Auegangssignal abgibt, wenn entweder der zeitliche Abstand z\veier aufeinanderfolgender Nulldurchgänge etwa so groß ist wie der Kehrwert der Verlagerungsspannungsfrequenz oder wenn die beiden Zeiten zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen sich um mehr als einen Mindestwert unterscheiden.

2.) Erdschlußschutseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Verlagerungsspannungsquelle (12) unterhalb der lietzfrequenz liegt, daß die Zeitmeßeinrichtung aus einem von einem Taktgeber (TG-) beeinflußten Zähler (23) besteht, daß dem Taktgeber (TG) eine an die gleichgerichtete Spannung der zweiten Brückendiagonale angeschlossene Grenzwertstufe (27) vorgeschaltet ist, während die Eingänge (21, 22) für die Zählrichtung abhängig von der Polarität der Spannung in der zweiten Brückendiagonale gesteuert sind,und daß eine dem Zähler (23) nachgescha.ltete Auswerteinrichtung (31, 32) dann ein Signal abgibt, wenn ein vorgegebener maximaler Zählerstand überschritten oder am Ende der Spanmmgsperiode noch ein von Null wesentlich abweichender Zählerstand vorhanden ist.

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3.) Erdschlußschutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zähler eine Oder-Stufe (32) nacligeschaltet. ist, deren einer Eingang ein Signal erhält, wenn der Zählerstand den normalerweise hei Uet^frequenz erreichten Stand wesentlich überschreitet (Ausgang 33) und deren anderer Eingang Signal erhält, wenn gleichzeitig ein von Null wenig verschiedener Zählerstand überschritten (Ausgang 30) und die Spannungspsriode, in der die Messung stattfindet, beendet ist (Kippstufe ?A)

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