DE2115807B2 - Erdschlußschutzeinrichtung für elektrische Geräte mit in Stern geschalteten Wicklungen - Google Patents

Description

Für den Erdschlußschutz elektrischer Geräte, die in Stern geschaltete Wicklungen haben, werden die verschiedensten Anordnungen angewendet, um auch einen Erdschluß im Sternpunkt der Maschine oder in der Nähe desselben erfassen zu können.

Allen Erdschlußschutzeinrichtungen für den Schutz elektrischer Geräte mit in Stern geschalteten Wicklungen ist gemeinsam, daß sie eine Verspannung des Stempunktes der dem elektrischen Gerät zugehörigen Wicklungen gegen Erde ausnützen, um eine Erdschlußaiizeige zu erhalten.

Diese Stcrnpunkiverspannung kann bei einem Synchrongenerator durch die von ihm erzeugte dritte Oberschwingung ohnehin vorhanden sein. In vielen Fällen ist aber nicht sichergestellt, daß diese dritte

ίο Oberschwingung bei jedem Belastungszustand tines Gerätes vorhanden ist, so daß man zur Sicherstellung einer Spannungsdifferenz zwischen dem Sternpunkt der Wicklungen und Erde eine Spannungsquelle einschalten muß. Als solche Spannungsquelle kann eine Gleirhspannungsquelle (deutsche Offenlegungsschrift 1 803 858) oder eine Wechselspannungsquelle mit Netzfrequenz (deutsche Offenlegungsschrift 1 463 729) oder mit netzfremder Frequenz (deutsche Auslegeschrift 1 463 574) verwendet werden. Hierdurch ergeben sich sowohl Vor- als 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 gerschalteten Wicklungen verbunden sind. Bei einer Synchronmaschine heißt das, daß die Synchronmaschinenwicklungen 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 Störspannungen haben entweder Netzfrequenz oder Frequenzen bestimmter Oberschwingungen des Neues. Verwendet man daher zur Verspannung des Stempunktes gegenüber Erde eine Wechselspannung mit Netzfrequenz, so muß diese, um sie eindeutig gegenüber den vom Netz eingestreuten Störspannungen 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 eine derartige Auslegung eines Belastungswiderstandes wiederum die Folge, daß im Erdschlußfalle der Erdschlußstrom erhöht wird.

Wi¹I man sowohl eine hohe Verlagerungsspannung als auch einen hohen Erdschlußstrom vermeiden, so kann, man als Verlagerungsspannung für den Sternpunkt eine Spannung netzfrernder 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 treiben würden. Niedrige Frequenzen sind ('a trotz eines höheren Aufwandes für Filteranlagen .ur Aussiebung des Stromes mit der Frequenz der S annungsquelle 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 (deutsche Auslegeschrift 1 463 574).

Niedrige Frequenzen sind wegen des hohen Widerstandes der Eigenkapazität des zu schützenden elek-

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irischen Gerätes wesentlich besser geeignet, sie be- größeren Wert eingestellt iit als die Grenzwertstufen

dingen aber einen sehr großen Aufwand für Filteran- 19 und 20. An den Ausgang dieser Grenzwertstufe

lagen zur Aussiebung des Stromes mit der Frequenz 27 ist der Eingang eines Taktgebers 28 geschaltet,

der SpaniHingsquellc zwischen Sternpunkt und Erde. der auf den Zähieingang 29 des Zählers 23 wirkt.

Außerdem werden hohe Anforderungen an die Ober- 5 Dieser Taktgeber 28 ist also immer dann eingeschal-

wellenfreiheit der Verlagerungsspannungsquelie ge- tel, wenn die Grenzwertstufc 27 angesprochen hat.

stellt, um die Filterwirkung zu verbessern. Ein Ausgang 30 des Zählers 23 ist an den zweiten

Die Erfindung betrifft damit eine Erdschlußschutz- Eingang des Und-Gliedes 31 geführt. Die Schaltung

einrichtung, wie sie im Oberbegriff des Paientan- im Inneren des Zählers ist dabei so zu treffen, daß

Spruchs 1 beschrieben und aus der deutscnen Ausle- io am Ausgang 30 des Zählers 23 immer dann ein Si-

geschrift 1 148 653 bekannt ist. gnal vorhanden ist, wenn ein vorbestiminter, nur

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer durch Toleranzgrenzen der verwendeten Schaltung

Erdschlußschutzeinrichtung zur Erfassung von Erd- gegebener, von Null verschiedener Wert im Zähler

Schlüssen, insbesondere Erdschlüsse im Sternpunkt 23 gespeichert ist. Der Ausgang des Und-Gliedes 31

oder in der Nähe desselben, ohne daß Fehlauslösun- 15 ist an einen Eingang eines Oder-Gliedes 32 ange-

gen durch Erdschlüsse außerhalb des elektrischen schlossen, dessen zweiter Eingang an den Ausgang

Gerätes — z. B. in Netzteilen, die mit diesen über 33 des Zählers 23 geführt ist. Der Ausgang 33 des

einen Transformator verbunden sind — auftreten Zählers 23 soll bei unterhalb der Netzfrequenz lie-

können. gender Frequenz der Verlagerungsspannungsque'le

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden 20 12 nur dann Signal führen, wenn der Zählerstand

Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteil- einen Wert überschreitet, der höher liegt als der

hafte Ausbildungen des Erfindungsgeger.-tandes sind Wert, der vom Taktgeber währena einer Periode der

in den Unteransprüchen beschrieben. Netzspannung (Störspannung) erreicht wird. Das

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Ausgangssignal am Oder-Glied 32 kann dann z. B.

F i g. 1 dargestellt. Die Funktionsweise bei fehler- 25 an ein Erdschlußerfassungsrelais geführt sein oder

freiem Gerät zeigen die Kurven nach F i g. 2, wäh- auf andere Art und Weise eine Anzeige des Erd-

rend in den Fig. 3 und 4 die Zählerstände bei Schlusses oder eine Auslösung von Schaltern bcwir-

einem Erdschlußfehler mit und ohne Störspannung ken.

eingezeichnet sind. Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 soll

Als zu schützendes Gerät ist in F i g. 1 ein Genera- 30 nun an Hand von F i g. 2 beschrieben werden. In tor 1 mit den Wicklungen 2 vorgesehen, die auf einer F i g. 2 a ist als Kurve U13 die Spannung am Poten-Seite zu einem Sternpunkt 3 zusammengeschaltet tiometer 13 dargestellt. Die positiven Halbwellen sind. Die Eigenkapazität 4 und der Isolationswider- dieser Spannung steuern über die Diode 15 die stand 5 eines Phasenleiters sind angedeutet. Zwi- Grenzwertstufe 19 aus, so daß das Ausgangssignal sehen Sternpunkt 3 und Erde 6 befindet sich eine 35 der Grenzwertstufe 19 der Kurve G19 in Fig. la Wicklung eines Transformators 7, dessen zweite entspricht. In gleicher Weise entsteht als Ausgangs-Wicklung an einen Belastungswiderstand 8 ange- signal der Grenzwertstufe 20 die Kurve G 20. Das schlossen ist. Der Belastungswiderstand 8 ist mit den Ausgangssignal de- Grenzwertstufe 19 gelangt auf Widerständen 9, 10 und 11 zu einer Brückenschal- die Kippstufe 24, so daß an dem Löscheingang 25 tung zusammengeschaltet. In einer Diagonale der 40 des Zählers 23 die in Fig. 2b dargestellte Kurve Brückenschaltung liegt eine Verlagerungsspannungs- Z 24 η vorhanden ist. Diese entspricht dem am Ausquelle 12, die beispielsweise eine Spannung mit einer gang der Zeitstufe 24 α auftretenden Signal.
Frequenz erzeugt, die unterhalb der Netzfrequenz Die an den Gleichstromklemmen des Gleichrichters liegt. In die zweite Brückendiagonale der Brücken- 14 auftretende Spannung ist als Kurve t/14 in schaltung aus den genannten Widerständen ist ein 45 Fig. 2c dargestellt. Diese Spannung gelangt auf Potentiometer 13 eingeschaltet, dessen Abgriff und den Eingang der Grenzwertstufe 27, so daß an deren unterer Anschluß an die Wechselstromanschlüsse Ausgang ein der Kurve G 27 entsprechendes Signal eines Gleichrichters 14 angeschlossen sind. Außer- einstellt. Der Grenzwert der Grenzwertstufe 27 ist dem liegen parallel zu den Wechselstromanschlüssen auf einen höheren Wert eingestellt als derjenige der des Gleichrichters 14 zwei antiparallel geschaltete 50 Grenzwertstufen 19 und 20, so daß der Taktgeber 28 Dioden Ϊ5 und 16, die in Reihe zu je einem Wi- erst eingeschaltet wird und nur so lange eingeschaltet derstand 17 und 18 geschaltet sind. Parallel zum bleibt, wie mit Sicherheit ein Signal an einem der Widerstand 17 Hegt eine Grenzwertstufe 19 und par- Richtungseinp.änge 21 oder 22 vorhanden ist. Der allel zum Widerstand 18 eine Grenzwertstufe 20, de- Zählerstand des Zählers 23 ist als Kurve 523 in ren Ausgänge an die Richtungseingänge 21 und 22 55 Fig. 2d aufgetragen. Dabei ist angenommen, daß in für Vor- und Rückwärtszählung eines Zählers 23 an- dem zu schützenden Gerät kein Fehler vorhanden ist, geschlossen sind. An den Ausgang der Grenzwert- jedoch eine eingestreute, zwischen den Phasenleitern stufe 19 ist außerdem ein Eingang einer Kippstufe 24 und Erde liegende Störspannung am Belastungsso angeschlossen, daß die Kippstufe bei jedem neu widerstand 8 abfällt. Eine dazu proportionale Spaneintreffenden Signal in die jeweils andere Schaltstel- 60 nung liegt dann am Potentiometer 13. Diese Spanlung umschaltet. Ausgangsseitig ist die Kippstufe 24 nung hat eine Frequenz von z.B. 5UHz, die über der über eine Zeitstufe 24a an den Löscheingang 25 des Frequenz der Zusatzspannungsquelle 12 liegt. Hier-Zählers 23 angeschlossen und weiterhin mit einem durch bleibt die Grenzwertstufc 27 nur eine so kurze Eingang eines dem Zähler 23 nachgeschalteten Zeit angesprochen, daß die in dieser Zeit vom Takt-Und-Gliedes 31 verbunden. 65 geber 28 in den Zähler 23 eingezahlten Impu'se nicht

An die Gleichstromanschlüsse des Gleichrichters ausreichen, um ein Ausgangssignal am Ausgang 33

14 ist über einen Begrenzungswiderstand 26 eine des Zählers 23 zu erzeugen. Der hierzu notwendige

Grenzwertstufe 27 angeschlossen, die auf einen etwas Zählerstand ist in Fig. 2d durch den Grenzwert

Z 33 bezeichnet. Der notwendige Zählerstand, um ein Signal am Ausgang 30 des Zählers 23 zu erzeugen, ist ebenfalls als Grenzwert Z 39 in Fig. 2d eingetragen. Man sieht, daß der Zählerstand nach der Kurve .V 23 diesen letzteren Wert schon bald überschreitet, so daß eine Bedingung zur Einschaltung des Und-Glicdcs 31 gegeben ist. Der zweite Eingang des Und-Gliedes 31 ist an den Ausgang tier 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 F i g. 2 d ist außerdem noch die Kurve Λ' 24 eingezeichnet, aus der ersichtlich ist, daß beim nächsten Ansprechen der Grenzwertstufc 19 der an den Ausgang der Kippstufe 24 angeschlossene Eingang des Und-Gliedes 31 Signal führt. Da der Löscheingang 25 des Zahlers 23 über die Zeitstufe 24a vom Ausgang der Kippstufe 24 angesteuert wird, wird während der Verzögerungszeit der Zeitstufe 24« geprüft, ob nach Beendigung einer Meßperiode, die gleich einer Periode der Spannung am Potentiometer 13 (Kurve i/13) ist, der Zählerstand nach der Kurvc.S'23 den durch die Ansprechgrenze Z 30 gegebenen Wert noch überschreitet.

Da die aus den Widerständen 8, 9, 10 und M bestehende Brückcnschaltung abgeglichen ist. verursacht die Spannung der Veriagerungsspannungsqiidle 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 F i g. 2 a ist zusätzlich als Kurve U 12 die Spannung der Verlagerungsspannungsquelle 12 gestrichelt eingetragen. Eine dieser Spannung proportionale Größe liegt dann am Potentiometer 13. wenn z. 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 Spannungen nach den Kurven U 12 und U 13 ad liieren. Das hat für den Zählerstand im Zähler 23 zu Folge, daß er sich entsprechend der Kurve K 23 ii F i g. 3 entwickelt.

.; Der Grenzwert Z 33 wird hierbei nicht erreicht, a lerdings ist durch die Verschiebung des Nulldurch «anges die Zeitdauer, in der die Grenzv/ertstufe 2( ein Ausgangssignal abgibt, kürzer und die Ansprech dauer der Grenzwertstufe 19 länger als bei fehler

in freiem Betrieb. Infolgedessen wird am Ende dei Meßpcriocle. wenn die Kippstufe 24 ein Ausgangssi gnal abgibt, der Zählerstand über dem Grenzwer Z30 liegen. Infolgedessen ist ein Ausgangssignal air Ausgang 30 des Zählers 23 vorhanden, so daß mil

;;, Auftreten eines Signals am Ausgang der Kippstuft 24 die Bedingung für das Und-Glied 31 erfüllt ist, se daß das Oder-Glied 32 ein Signal an eine nachgeschaltete Erdschlußerfassungseinrichtun.s abgibt. Für den Fall, daß keine Störspannung vorliegt und

?■< nur die Spannung der Verlagerungsspannungsquelle nach der Kurve f/ 12 — bedingt durch einen Erdschluß im zu schützenden Gerät — vorhanden ist. wird der Zählerstand über den Grenzwert Z 33 ansteigen, -wie in Fig.4 dargestellt ist. Der Schnittpunkt für -'en Zählerstand nach der Kurve Z 23 in Fig. 4 mit dem Grenzwert Z 33 gibt den Zeitpunkt an, von dem ab ein Signal am Ausgang 33 des Zählers 23 vorhanden ist. Da dieser Ausgang unmittelbar an das Oder-Glied 32 angeschlossen ist, wird dieses

3'i 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 hat den Vorteil, daß nur ein geringer Strom über die Eig.enkapazität 4 des Generators I fließt, so daß man mit kleinen Werten für die Verlageningsspannung und den Verlagerungsstrom auskommt. Grundsätzlich kann jedoch auch für die Verlagerungsspannungsquelle 12 eine größere Frequenz als Netzfrequenz gewählt werden. In diesem Fall muß allerdings die Auswerteschaltuiijg 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Erdschlußschutzeinrichtung für elektrische Geräte mit in Stern geschalteten Wicklungen und einem zwischen Sternpunkt und Erde geschalteten hochohmigen Belastungswiderstand, der Teil einer Brückenschahung ist, in deren einer Diagonale eine Verlagerungsspannungsquelle liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Verlagerungsspannungsquelle (12) von der Netzfrequenz abweicht und daß an die zweite Diagonale (Potentiometer 13) der Brükkenschaltung (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 Ausgangssignal abgibt, wenn entweder der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Nulldurchgänge etwa so groß ist wie der Kehrwert der Verlagerungsspannungsfrequenz oder wenn die beiden Zeiten i-.vischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen sich um mehr . '<; einen Mindestwert unterscheiden.

2. Erdschlußschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freouenz der Verlagerungsspannungsquelle (12) unlerhalb der Netzfrequenz liegt, daß die Zeitmeßeinrichtung aus jinem von einem Taktgeber (28) beeinflußten Zähler (23) besteht, daß dem Taktgeber (28) eine an die gleichgerichtete Spannung der zweiten Brückendiagona': angeschlossene Grenzwertstufe (27) vorgeschaltet ist, daß. die Eingänge (21, 22) des Zählers (23) abhängig von der Polarität der Spannung in der zweiter. Brückendiagonale gesteuert sind und daß eine dem Zähler (23) nachgeschaltete Auswerteinrichtung (Und-Glied 31, Oder-Glied 32) dann ein Signal abgibt, wenn ein vorgegebener maximaler Zählerstand überschritten oder am Ende der Spannungsperiode noch ein von Null wesentlich abweichender Zählerstand vorhanden ist.

3. Erdschlußschutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Zähler nachgeschaltete Auswerteinrichtung ein Oder-Glied (32) enthält, dessen einer Eingang ein Signal erhält, wenn der Zählerstand den normalerweise bei Netzfrequenz erreichten Stand wesentlich überschreitet (Zählerausgang 33), und deren anderer Eingang ein Signal erhält, wenn gleichzeitig ein von Null wenig verschiedener Zählerstand überschritten (Zählerausgang 30) und di.e Spannungsperiode, in der die Messung stattfindet, beendet ist (Kippstufe 24).