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Schutzanordnung für Drehstromübertragungssysteme Die Erfindung bezieht
sich auf eine Schutzanordnung für Drehstromabertragungssysteme mit drei Anregeeinrichtungen,
die über Stromwandler mit jeweils einem von dem Strom im zugeordneten Phasenleiter
des Drehstromübertra.gungssystems abhängigen Strom gespeist und auf einen bestimmten
Ansprechwert eingestellt sind, und mit einer Anwurfeinrichtung, die über einen weiteren
Stromwandler mit dem Erdstrom gespeist und auf einen im Vergleich zu den Anregeeinrichtungen
niedrigeren Ansprechwert eingestellt ist, sowie mit jeweils den Anregeeinrichtungen
und der Anwurfeinrichtung zugeordneten Hilfsanordnungen, die an das Meßsystem der
Schutzanordnung nur die der jeweiligen Fehlerart entsprechenden Meßgrößen des irehstromübertragungssystems
anlegen. Bei den Hilfsanordnungen handelt es sich um Relais oder statische Schalter,
die, von den Anregeeinrichtungen und der Anwurfeinrichtung gesteuert, die ausgewählten,
der jeweiligen Fehlerart entsprechenden Meßgrößen an das Meßsystem der jeweiligen
Schutzanordnung anlegen (vgl. beispielsweise den Siemens-Prospekt "Vielzweck-Distanzschutz
RIZ 23bei aus dem Jahre 1971, Bild 13 auf Seite 15).
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In einem Drehstromabertragungssystem sind Kurzschlüsse der Phasenleiter
gegeneinander und gegen Erde möglich. Der jeweiligen Schutzanordnung, beispielsweise
für die Messung
der Fehlerstellenentfernung ein Dista.nzschutz,
ein Fehlerorter, usw. sowie Vergleichsschutzeinrichtung zur Bett im mung der Richtung
des Energieflusses im Kurzschlußfall, werden im allgemeinen als Meßgrößen Ströme
und Spannungen der vom Kurzschluß betroffenen Phasen zugefahrt. Bei einem zweipoligen
Fehler ohne Erdberührung sind das die sogenannten verketteten Meßgrößen. Infolge
Stromwandlersättigung können Differenzströme auftreten, ohne daß es zu einem Fehler
mit Erdberührung gekommen ist. Es wird dann ein Fehler mit Erdberührung vorgetäuscht,
und die Schutzanordnung mißt eine falsche leiterschleife aus und kann sich unselektit
verhalten.
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Zur näheren Erläuterung dieser Zusammenhänge soll zunächst anhand
der Figur 1 die Schaltung eines Stromwandler-Drehstromsatzes erläutert werden. In
dieser Figur ist ein von einem Generator 1 gespeistes Drehstromübertragungssystem
dargestellt, das aus den Phasenleitern R, S und T besteht.
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An der Einbaustelle 2 einer Schutzanordnung sind neben in der Figur
1 nicht dargestellten Spannungswandlern Stromwandler 3. 4 und 5 in jeden Phasenleiter
R, S und g eingeschaltet, um den Strömen JRs JS und Jw proportionale Ströme J'R'
J'S und J' auf Niederspannung zu gewinnen. Die Stromwandler 3, 4 und 5 sind über
Anregeeinrichtungen 6, 7 und 8 mit ihrem jeweils einen Anschlußende in einem Schaltungspunkt
9 zusammengeschlossen; zwischen diesem Schaltungspunkt 9 und dem gemeinsamen Schaltungspunkt
10 der anderen Sekundärausgänge der Stromwandler 3, 4 und 5 ist eine Anwurfeinrichtung
11 angeordnet, die die Summe der Ströme J'R, J'S und J' erfaßt; im Normalfall ist
dieser Summenstrom 5 JNull.
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Bei einem Kurzschluß mit Erdberührung dagegen ist der Summenstrom
E J ungleich Null. Die Anwurfeinrichtung 11 ist auf einem Ansprechwert eingestellt,
der niedriger oder höchstens genau so groß ist wie der der Anregeeinrichtungen 6
bis 8.
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An dem Signalausgang 12 der Anwurfeinrichtung 11 entsteht
daher
schon bei einem vergleichweise kleinen Strom (in der Größe des Nennstromes) ein
Signal, während an den Signalausgängen 13, 14 und 15 der Anregeeinrichtungen 6 bis
8 nur bei einem i.a. dem Mehrfachen des Nennstromes proportiona.len Strömen Signale
auftreten.
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Zur weiteren Erläuterung der Zusammenhänge wird auf Figur 2 Bezug
genommen, in der wiederum ein von einem Generator 20 -einseitig gespeistes Drehstromübertra.gungssystem
dargestellt ist, das an einer Station 21 mit einer Schutzanordnung versehen ist.
Es ist angenommen, daß an einer Stelle 22 ein Fehler zwischen den Phasenleitern
R und S aufgetreten ist.
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Es fließen dann die Ströme JR J5 und an der Station 21 tritt eine
Spannung URS auf. Der Schutzanordnung an der Station 21, die zur Bestimmung der
Richtung des Energieflusses bestimmt ist und/oder die Entfernung zwischen der Station
21 und der Fehlerstelle 22 messen soll, werden dann den Strömen JR und J5 proportionale
Meßgrößen sowie eine der Spannung URs proportionale weitere Meßgröße zugeführt.
Diese Meßgrößen liefern Amplituden- und/oder Phasenvergleich- oder Phasenfolgekriterien
für die Richtung und die Entfernung des Fehlers 22. Dabei verhält sich die. Schutzanordnung
an der Station 21 selektiv im gewünschten Sinne, solange die in Figur 1 dargestellten
Stromwandler die Meßgrößen unverzerrt übertragen.
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In Figur 3 ist wiederum ein von einem Generator 30 einseitig gespeiste
Drehstromübertragungssystem mit den Phasenleitern R, S und T dargestellt, da.s wiederum
an einer Station 31 eine Schutzanordnung enthält. Es ist jetzt angenommen, daß von
der Station 31 aus gesehen in-beiden Richtungen Kurzschlüsse mit Erdberührung aufgetreten
sind. In diesem Falle fließt ein Strom JE -über die Erdrückleitung zwischen den-Fußpunkten
32 und 33 der Kurzschlüsse. Die Schutzanordnung i.
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an der Station 3.1 darf in diesem Falle nicht die Weitere
schleife
R - S ausmessen, sondern muß je nach Doppelerdschlußbevorzugung bei einem einsystemigen
Schutz die Schleife R - E bzw. S - E auswerteh; bei einem mehrsystemigen Schutz
sind nicht die "verketteten" leiterschleifen R - S, S - E und T - R, sondern nur
die Beiterschleifen R - E und S - E zu berücksichtigen. Schwierigkeiten bei der
Auswahl der richtigen Beiterschleifen ergeben sich dadurch, daß insbesondere bei
hohen Kurzschlußströmen infolge Sättigung der verwendeten Stromwandler die Meßgrößen
JR und J5 mit großen Übertragungsfehlern auf der Sekundärseite abgebildet werden.
Es kann dann (vgl. die Schaltung des Stromwandler-Satzes nach Figur 1) ein Summenstrom
> J entstehen, der einen Erdstrom und damit einen Doppelerdschluß vortäuscht.
Die Schutzanordnung an der Station 31 führt dann unter Umständen eine Fehlumschaltung
auf diese Fehlerart mit der Bolge-durch, daß sich die Schutzanordnung unselektiv
verhält. Dies gilt zumindest dann, wenn Schutzanordnungen mit Kommandozeiten unter
einer Periode der Netzfrequenz verwendet werden.
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Aufgabe der vorliegenden. Erfindung ist es daher, mit Hilfe der aus
den Phasenströmen abgeleiteten Ströme und eines aus einem möglichen Erdstrom bzw.
Summenstrom abgeleiteten Stromes Kriterien zu gewinnen, die- eine zuverlässige Unterscheidung
zwischen Fehlern mit und ohne Erdberührung zulassen, und zwar auch dann, wenn die
genannten Meßgrößen infolge Sättigung der Stromwandler mit großen und unterschiedlichen
Übertragungsfehlern abgebildet werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Schutzanordnung der eingangs
beschriebenen Art die Anregeeinrichtungen und die Anwurfeinrichtung Schaltungsbausteine,
die beim Überschreiten der Ansprechwerte binäre Steuersignale abgeben; an die Anregeeinrichtungen
und an die Anwurfeinrichtung ist eine Logik-Schaltung angeschlossen, die dîe binären
Steuersignale
auf die zeitliche Folge ihres Auftretens untersucht und bei einem im Vergleich zu
den Steuersignalen der Anregeeinrichtungen später auftretenden Steuersignal der
Anwurfeinrichtung ein Signal abgibt, auf das hin von den Hilfsanordnungen von den
Strömen in den Fhasenleitern abhängige Meßgrößen an das Meßsystem der Schutzanordnung
angelegt werden,während bei einem früher oder höchstens gleichzeitig mit den Steuersignalen
der Anregeeinrichtungen auftretenden Steuersignal der Anwurfeinrichtung von der
Logik-Schaltung ein anderes Signal erzeugt wird, auf das hin von den Hilfsanordnungen
ein von dem Strom im Erdrückleiter abhängiger Strom und mindestens ein von den Strömen
in den Phasenleitern abhängiger Strom an das Meßsystem der Schutzanordnung angelegt
wird.
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Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß zu Beginn
eines Kurzschlusses mit großen Kurzschlußströmen auch bei überlagerter Gleichstromkomponente
die Stromwandler die Meßgrößen noch für mindestens einige Millisekunden unverzerrt
übertragen. Dies reicht aus, um mittels der Anregeeinrichtungen mit geeignet eingestelltem
hnsprechwert und der Anwurfeinrichtung mit vergleichswe..se niedrigem oder höchstens
gleich großem Ansprechwert während dieser Zeit richtige, binäre Steuersignale zu
gewinnen. Tritt nun, wie in Figur 3 angenommen, ein Doppelerdschluß auf, dann fließt
über die Erdrückleitung E sofort ein Strom JE, der mindestens so groß wie einer
der beiden Phasenströme JR oder JS ist. Dieser Strom J fließt von Beginn des Kurzschlusses
an, also bereits bei Erdschluß in nur einer Phase. Deshalb ergibt sich auch sofort
ein Summenstrom EiJ J über die Anwurfeinrichtung 11 (vgl. Fig.2). Da die Ansprechwerte
der Anregeeinrichtungen gleich hoch oder höher eingestellt sind als der der Anwurfeinrichtung,
werden bei einem Erdschluß die Steuersignale der Anregeeinrichtungen stets auf das
Steuersignal der Anwurfeinrichtungen folgen, was ein Kriterium für einen Erdschluß
darstellt.
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Tritt dagegen - wie in Figur 2 dargestellt - ein zweipoliger Kurzschluß
ohne Erdberührung auf, dann übertragen die jeweiligen Stromwandler zunächst beide
Ströme nahezu verzerrungsfrei auf die Sekundärseite. Als Folge davon treten an den
Ausgängen 13 und 14 4 der Anregeeinrichtungen 6 und 7 Steuersignale auf. Na.ch elnigen
Millisekunden entsteht infolge unterschiedlichen Übertragungsverhaltens der Stromwandler
ein Summenstrom und täuscht einen Erdstrom JE vor. Erst jetzt wird von der Anwurfeinrichtung
und damit später als von der Anregeeinrichtung ein binäres Steuersignal abgegeben,
wodurch ein zweipoliger Kurzschluß ohne Erdberührung signalisiert wird.
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Es ergibt sich demzufolge, daß aus dem Auftreten von Strömen und daraus
abgeleiteten binären Signalen allein nicht, wohl aber aus der Reihenfolge der Steuersignale
der Anregeeinrichtungen einerseits und der Anwurfeinrichtung andererseits darauf
eindeutig geschlossen werden kann, ob ein mehrpoliger Kurzschluß mit oder ohne Erdberuhrung
vorliegt. Geben also die Anregeeinrichtungen beispielsweise zwei Steuersignale ab
(Anregung in zwei Phasen), und wird von der Anwurfeinrichtung spater ein weiteres
Steuersignal abgegeben, dann liegt ein mehrpoliger Kurzschluß ohne Erdberührung
vor. Ist dagegen im anderen Falle ein Anregesignal später oder frühestens gleichzeitig
mit einem Steuersignal der hnwurfeinrichtung aufgetreten, dann entscheidet die Logik-Schaltung
sofort auf einen Erdschluß; evtl. vorhandene Meßsysteme für die Beiterschleifen
R - S, S - T und T - R (bei einem mehrsystemigen Schutz) werden blockert.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in Figur 4 ein Ausführungsbeispiel
einer Logik-Schaltung dargestellt.
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Die Logik-Schaltung ist mit ihren Eingängen 40 bis 42 mit den Ausgängen
13 bis 15 der Anregeeinrichtungen 6 bis 8 (vgl. Pigur 1) verbunden sowie mit ihrem
Eingang 43 an den Ausgang 12 der Anwurfeinrichtung 11 angeschlossen.
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Die Steuersignale der Anregeeinrichtungen 6 bis 8 werden über invertierende
Glieder 44, 45 und 46 jeweils NAND-Gliedern 47, 48 und 49 zugeführt, wobei jeweils
die Steuersignale zweier Anregeeinrichtungen einem NAND-Glied 47 bis 49 zugeführt
werden. Die Ausgänge der NAND-Glieder 47 bis 49 sind einerseits mit den Eingängen
eines weiteren NAND-Gliedes 50 verbunden und stehen andererseits auch mit einem
zusätzlichen NAND-Glied 51 in Verbindung.
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Der Ausgang des weiteren NAND-Gliedes 50 ist mit einer Anordnung 52
aus mehreren NAND-Gliedern und invertierenden Gliedern verbunden, in der die Reihenfolge
der Steuersignale der Anregeeinrichtungen und der der Anwurfeinrichtung überprüft
wird. Die Anordnung 52 ist nämlich auch über ein weiteres invertierendes Glied 53
mit dem Eingang 43 verbunden, über den ihr gegebenenfalls ein Steuersigna.l der
Anwurfeinrichtung zugeführt wird. Den Ausgängen 54 und 55 der Anordnung 52 aus NAND--Gliedern
und invertierenden Gliedern ist einerseits über ein zusätzliches invertierendes
Glied 56 und andererseits direkt ein Ausgangs-NAND-Glied 57 nachgeordnet, an das
eingangsseitig seitere NAND-Glieder 58 und 59 angeschlossen sind, die an ihren Ausgängen
eine Potentialänderung erfahren, wenn ein dreipoliger Kurzschluß aufgetreten ist.
In diesem Falle wird übrigens über eine dem NAND-Glied 58 nachgeordneten Transistorschaltung
mit den Transistoren 60 sofort an den Ausgang 61 der Logik-Schaltung ein Signal
für eine der nicht dargestellten Hilfsanordnungen abgegeben, die dann die entsprechenden
Meßgrößen an das Meßsystem der Schutzanordnung schalten. Am Ausgang 62 der Logik-Schaltung
entsteht dagegen nur dann ein Signal, wenn ein Kurzschluß mit Erdberührung aufgetreten
ist, wobei dann eine weitere Transistorschaltung mit den Transistoren 63 und 64
betätigt wird.
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Die dargestellte Logik-Schaltung arbeitet in folgender Weise: Im Ruhezustand
steht an allen Eingängen 40 bis 43 "K" (high)-Signal an. Tritt beispielsweise ein
zweipoliger Kurzschluß
in den Phasenleitern S und T auf, dann verändert
sich das Signal an den Eingängen 40 und 41 der logik-Schaltung von "H"- auf "L"
(low)-Signal. Dies hat zur Folge, daß am Ausgang der invertierenden Glieder 44 und
45 jeweils "H"-Signal ansteht, was wiederum dazu führt, daß sich an dem NAND-Glied
48 ein "L"-Signal ergibt, während an den NAND-Gliedern 47 und 49 "H"-Signa.le bestehen
bleiben. Am Ausgang des weiteren NAND Gliedes 50 ergibt sich eine Änderung des bis
dahin vorhandenen "B"-Signals in ein "H"-Signal, wodurch dann auch an den NAND-Gliedern
65 und 66 der Anordnung 52 "H"-Signale anstehen. Da an dem einen Eingang des NAND-Gliedes
67 der Anordnung 52 nach wie vor ein "L"-Signal vorhanden ist, ergibt sich auch
an dessen Ausgang ein "H"-Signal und am Aus gang des nachgeordneten invertierenden
Gliedes 68 ein "B"-Signal. Dieses "L"-Signal wird in dem NAND-Glied 66 zusammen
mit dem dort auch anstehenden "H"-Signal verarbeitet und führt zu einem "K"-Signal
am Ausgang 54 der Anordnung 52, wodurch dann infolge des NAND-Gliedes 56 an dem
einen Eingang 69 des Ausgangs-NAND-Gliedes 56 ein "L"-Signal ansteht.
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An dem mit dem Ausga.ng 55 der Anordnung 52 verbundenen Eingang 70
des Ausga.ngs-NAND-Gliedes 57 steht dagegen ein "H"-Signal an; entsprechendes gilt
für den Eingang 71, der mit dem Ausgang des NAND-Gliedes 58 verbunden ist. Auch
am Eingang 72 des Ausgangs-NAND-Gliedes 57 ist ein "H-Signal vorhanden. Dies alles
führt dazu, daß am Ausgang des Ausgangs-NAND-Gliedes 57 ein "H"-Signal ansteht;
am Ausgang 62 der Logik-Schaltung ergibt sich daher kein Signal, und es wird daher
die Hilfsanordnung, die der Anwurfeinrichtung zugeordnet ist, nicht freigegeben
(aktiver Signalzustand = "L").
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Ergibt sich infolge Stromwandlersättigung nach Änderung der "K"-Signale
in "L"-Signale an den Eingängen 40 und 41 am Eingang 43 der Logik-Schaltung eine
Änderung des "H"-Signals in ein "L"-Signal, dann entsteht an dem einen Eingang des
NAND-Gliedes 67 der Anordnung 52 ein "B-Signa.l, das infolge einer schon vorangegangenen
Änderung des ursprünglich anstehenden
"H"-Signals an dem anderen
Eingang des NAND-Gliedes 67 in ein "L"-Signal keine jnderung am Ausgang dieses NAND-gliedes
zur Folge hat; das Signal am Ausgangs-NAND-Glied 57 und damit das Potential am Ausgang
62 der Logik--Schaltung wird nicht beeinflußt. Durch Stromwandlersättigung führt
also ein vcrgetäuschter Erdschluß nicht zu einer Beeinflussung der Hilfsanordnungen;
es bleibt bei der zuvor getroffenen richtigen Entscheidung "mehrpoliger Fehler ohne
Erdberührung".
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Tritt dagegen - wie in Figur 5 dargestellt ist - eine Änderung des
Steuersignals von K" auf "L" am Eingang 43 vor einer entsprechenden Anderung an
den Eingängen 40 und 41 der Logik-Schaltung auf, dann hat dies einen Einfluß auf
die Signale an den Ausgängen 54 und 55 der Anordnung 52, was anhand der dargestellten
Symbole in der Figur 5 deutlich zu erkennen ist. In diesem Falle ergibt sich am
Ausgang des NAND-Gliedes 56 ein "H"-Signal; gleiches gilt für den Ausgang 55 der
Anordnung 52, so daß dann an allen Eingängen des Ausgangs-NAND-Gliedes 57 "H"-Signal
ansteht. Demzufolge ändert sich das Signal am Ausgang des NAND-Gliedes 57 von t'H"-
in "L"-Signal, wodurch die Transistorschaltung mit den Transistoren 63 und 64 anspricht
und eine lotentialänderung am Ausgang 62 hervorruft. Dies ist ein Signal für einen
Fehler mit Erdberührung, so daß dann die der Anwurfeinrichtung zugeordnete Hilfsanordnung
freigegeben wird und die entsprechende Beiter-Erdschleife an das zugeordnete Meßsystem
der Schutzanordnung angeschlossen wird. Mit der Anordnung 52 wird also die Reihenfolge
der Änderungen der Signale an den Eingängen 40 bis 42 hinsichtlich einer Änderung
des Signals am Eingang 43 bestimmt und daraus geschlossen, ob es sich um einen Fehler
mit oder ohne Erdberührung handelt.
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Bei einem dreipligen Kurzschluß ändert sich das Ausgangssignal am
NAND-Glied 58 sofort in ein "S"-Signal, wodurch
dann von der Transistorschaltung
mit den Transistoren 60 sofort ein Ausgangssignal am Ausgang 61 erzeugt wird; damit
werden dann die den Anregeeinrichtungen zugeordneten Hilfsanordnungen betätigt,
der Ausgang des Gatters 57 bleibt auf "H".
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Mit der Erfindung wird eine Schutzanordnung vorgeschlagen, in der
mittels einer logik-Schaltung die von Anregeeinrichtungen und eine Anwurfeinrichtung
erzeugten Steuersignale auf ihre Reihenfolge untersucht werden, womit ein eindeutiges,
selektives Auswerten der Meßgrößen gesichert ist, weil aus der Reihenfolge der Steuersignale
eindeutig auf das Auetreten eines Kurzschlusses mit und ohne Erdberührung geschlossen
werden kann. Dieses aus den Momentanwerten der Meßgrößen gewonnene Kriterium verursacht
keine Verlängerung der Kommandozeit auch sehr schneller Schutzanordnungen.
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5 Zeichnungen 2 Patentansprüche