DE255818C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltung für elektrische Kabelleitungen und hat den Zweck, beim Auftreten von mechanischen oder elektrischen Durchschlägen des Isolationsmaterials die fehlerhafte Kabelstrecke selbsttätig vom Netz abzuschalten.

Die Anordnung besteht im wesentlichen darin, jeden Hauptleiter außer den üblichen metallischen Schutzhüllen (der Bewehrung)

ίο innerhalb des eigentlichen Isolationsmaterials mit einem besonderen Hüfsleiter zu umgeben, die Hüfsleiter aller Pole bzw. Phasen an beiden Enden der Kabelstrecke miteinander leitend zu verbinden und derart zu einem von einer Hilfsspannung erregten Stromkreis zu benutzen, daß dieser beim Auftreten eines Isolationsfehlers eine Änderung erfährt und dadurch die selbsttätige Abschaltung des beschädigten Kabelstückes eingeleitet wird.

Damit die Biegsamkeit des Kabels nicht merklich vermindert wird, wird die Einlage zweckmäßig aus einem Metall von großer Dehnbarkeit hergestellt. Die Forderung großer Biegsamkeit beeinflußt im allgemeinen auch die Wahl des Isoliermaterials insofern, als der Durchmesser der Kabeltrommeln noch größer als sonst üblich gewählt werden muß, wenn die Isolation nicht durchweg aus widerstandsfähigem Material, sondern zum Teil aus einem Stoff besteht, der bei stärkeren mechanischen Beanspruchungen teilweise verdrängt oder zerstört wird. Eine derartige Konstruktion ist z. B. dazu benutzt worden, ein Kabel, das durch mechanische Kräfte (Drehung, Schlag, Quetschung) beansprucht wird, selbsttätig abzuschalten, ehe die Zerstörung bis zum Hauptleiter vorgedrungen ist. Es ist ein Vorzug der vorliegenden Erfindung, daß ein Kabel mit durchweg widerstandsfähigem Isoliermaterial verwendet werden kann.

Der jeden Hauptleiter umgebende Hüfsleiter wird im Kabel derart angeordnet, daß er beim Auftreten von Isolationsfehlern von einem Funkenstrom (Lichtbogen) sicher getroffen wird. Demgemäß wird man ihn zweckmäßig als dünne metallische Zwischenschicht ausführen, die in das Isolationsmaterial eingebettet die Hauptleitung konzentrisch zu deren Leitungsachse umhüllt. Tritt nun zwischen Hauptleiter und Bewehrung ein Funkenstrom auf, so wird dadurch die leitende Einlage in stromleitende Verbindung mit der Bewehrung gebracht. Die Hüfsleiter werden an den Verbindungsstellen der einzelnen Kabelstrecken mit den Auslösespulen verbunden, die dort für die Streckenschalter vorgesehen sind.

Der erwähnte Funkenstrom dient nun zur Einleitung des Auslösevorgangs. Dies geschieht entweder dadurch, daß man durch den Funkenstrom einem Hilfsstrom den Weg bahnt, der in bekannter Weise als Arbeitsstrom wirkend, die Auslösespule des Schalters der beschädigten Leitung erregt. Oder aber man benutzt den Funkenstrom dazu, einen besonderen Hilfsstromkreis kurzzuschließen und dadurch den in ihm fließenden Ruhestrom zum Verschwinden zu bringen. In beiden Fällen ergibt sich der Vorteü, daß die Einleitung des Auslösevorgangs dem Zufall entzogen ist, da bei jedem Durchschlag unbedingt eine Funkenbrücke zustande kommt, zumeist zwischen Hauptleiter und Außen-

mantel und damit zwischen Hilfsleiter und Außenmantel. Der Funkenstrom, der sich an der Fehlerstelle bildet, stellt die leitende Verbindung zum Schließen oder Kurzschließen des Hilfsstromkreises her. Eine Beeinflussung der Größe dieses Funkenstromes wird bei der vorliegenden Anordnung nicht versucht. Sie wäre auch zwecklos, da die Einleitung des Auslösevorgangs unabhängig ist von Art und

ίο Umfang der Zerstörung des Kabels an der Fehlerstelle; allerdings werden die Auslöserelais um so leichter und schneller ansprechen, je besser die vom Funkenstrom zwischen der leitenden Einlage und dem metallischen Außenmantel gebildete Lichtbogenbrücke ausfällt. Bei geschickter. Anordnung der leitenden Einlagen kommt es beim Durchschlag zur Verschmelzung des Hilfsleiters mit dem metallischen Außenmantel.

Diese Hauptmerkmale der Erfindung lassen ersichtlich große Freiheit in der Wahl der Auslösevorrichtung und der sonstigen Ausbildung der Auslösekreise. In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele dargestellt, und zwar zeigen die Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele für Ruhestrom und die Fig. 3 und 4 zwei Ausführungsbeispiele für Arbeitsstrom. Es ist jeweils ein Unterteilungs- bzw. Abzweigspunkt dargestellt, von denen je zwei eine Kabelteilstrecke begrenzen, deren im übrigen beliebig viele in Reihen- oder Parallelschaltung über das Netz verteilt liegend zu denken sind. Fig. 5 zeigt andeutungsweise eine geschlossene Ringleitung mit fünf solchen Unterteilungspunkten (Ziffern 1 bis 5). C bedeutet den Anschlußpunkt der Kraft erzeugungssteile, der ebenso geschaltet ist, wie jeder Unterteilungs- bzw. Anschlußpunkt einer Verbrauchsstelle. Die in C erzeugte Energie fließt nach zwei Seiten in die Ringleitung, wie durch Pfeile angegeben. Die Richtung der zwischen den Verbrauchsstellen strömenden Energie ist bei geschlossenem Ring ohne Kenntnis der Leitungswiderstände und der einzelnen Werte der Energieentnahme unbekannt.

In allen vier Beispielen ist Drehstrom als Stromart angenommen. Die Dreh stromleitung besteht in den Fig. 1 und 3 aus drei einfachen nichtarmierten Bleikabeln und in den Fig. 2 und 4 aus dreifach verseilten, eisenbandarmierten Kabeln. Die beschriebenen Anordnungen lassen sich ohne weiteres für Wechselstrom beliebiger Phasenzahl verwenden, die in den Fig. 3 und 4 gegebene Anordnung ist auch für Gleichstrom brauchbar. Die benutzten Kabelleitungen unterscheiden sich von gewöhnlichen Kabeln durch die erfindungsgemäß in die Isolation der einzelnen Leiter eingebettete, gut leitende metallische Einlage, die in jedem Fall von dem Bleimantel, bei verseilten Kabeln sowohl von dem Bleimantel wie von den metallischen Einlagen der übrigen Leiter durch eine Isolationsschicht getrennt ist. Bei Einfachkabeln folgt also auf den eigentlichen energieführenden Leiter O₁, δ₂, b₃ eine Isolationsschicht i_lt i%, i₃, dann die metallische Einlage A₁, A₂, A₃, darüber eine zweite, im allgemeinen schwach gehaltene Isolationsschicht S₁, s_ä, S₃ und schließlich der Bleimantel C₁, c₂ c₃. Bei Mehrfachkabeln werden die einzelnen Leiter, wenn sie wie vorher eine Isolationsschicht, dann die metallische Einlage¹ und eine zweite Isolationsschicht erhalten haben, in der üblichen Weise verseilt, mit einer gemeinsamen Isolationsschicht versehen und erhalten dann noch einen gemeinsamen Bleimantel c, welcher mit weiteren Bespinnungen, einer Eisenbandarmatur und Jutebespinnung umschlossen werden kann.

In den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 sind die leitenden Einlagen A₁, A₂, A₃ der sechs zu verbindenden Kabelenden über je eine der Drosselspulen ^₁ bis d₆ und der Auslösespulen e_x bis e_e an eine gemeinsame Erdleitung α angeschlossen. Die Drosselspulen können hierbei entbehrt werden, sofern die Auslösewicklungen selber eine genügende Drosselung hervorrufen, d. h. die Drosselorgane und die Auslösewicklungen lassen sich miteinander vereinigen. Der Zweck dieser Drosselorgane ist, den Energiestrom von den Auslöseapparaten abzusperren.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungen zeichnen sich im besonderen dadurch aus, daß in ihnen zur Erzeugung des Ruhestroms die Kapazitätsspannung dient, die in den leitenden Einlagen infolge ihrer Isolierung gegen Erde vorhanden ist. Demgemäß eignen sich diese Schaltungen nur für Wechselstromanlagen. In solchen Anlagen erzeugt der unter Spannung stehende Hauptleiter in der Hilfsleitung eine statische Ladung, die von der Stärke der Isolation zwischen Hauptleiter und Hilfsleiter einerseits und zwischen Hilfsleiter und Bewehrung andererseits bestimmt wird. Diese Ladungen gleichen sich über die Drosselorgane d und die Auslösewicklungen e untereinander und nach Erde hin aus und erzeugen so den zum Anziehen der Sperrorgane f in den Auslösespulen e erforderlichen Ruhestrom.

Tritt nun ein Durchschlag gegen Erde ein, so gleichen sich die¹" Kapazitätsspannungen (und bei Erdung der Sternpunkte in der Zentrale auch die Hauptspannungen) auf dem bequemeren Wege über die an der Fehlerstelle entstehende Funkenbrücke und den gutleitenden Außenmantel c zur Erde aus. Dadurch werden die Stromwege über die Drosselspulen d und die Wicklungen e an beiden Enden der fehlerhaften Kabelstrecke kurzgeschlossen, die Wicklungen e werden aberregt, und die

zugehörigen Sperrorgane f werden frei; es erfolgt die Auslösung der nächstliegenden Netzschalter.

Als Sperrorgan kann ein Unterbrechungsschalter dienen, der freigegeben einen elektrischen Hilfsstromkreis schließt und dadurch etwa ein sekundäres Auslöserelais für die Netzschalter zur Wirkung bringt. Dieser Fall ist hier angenommen (Schaltorgane f₁ bis f₆).

ίο Die von den Wicklungen e gesteuerten Sperrorgane f könnten indessen ebensogut mit einer rein mechanischen Vorrichtung zur Ausschaltung der Netzschalter in Verbindung stehen; die Hilfsstromquelle ist also bei dieser Schaltung kein notwendiger Bestandteil der Einrichtung.

Die Wirkung der beschriebenen Anordnung beruht tatsächlich auf dem Vorhandensein der statischen Ladung auf dem Hilfsleiter.

Denn da der metallische Außenmantel des Kabels geerdet ist und der Hilfsleiter bei der praktischen Ausführung dem Außenmantel erheblich näher liegt als dem Hauptleiter, so kann durch dynamische Wirkung (Induktion) eine merkliche Spannung nicht auf den Hilfsleiter Überträgen werden. Der geerdete Außenmantel wirkt hier wie die kurzgeschlossene sekundäre Wicklung eines Transformators, dessen primäre Wicklung durch den Hauptleiter dargestellt wird. Der Hilfsleiter bildet gewissermaßen eine dritte Wicklung, die aber nur von Streülinien erregt wird und darum keine merkliche Induktionswirkung erfährt.

Bei den Anordnungen nach Fig. 3 und 4 ist eine besondere Hilfsstromquelle als wesentlicher Bestandteil der Einrichtung vorgesehen. Das hat gegenüber den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 den Vorteil, daß die Schaltungen dadurch für jede Stromart, also auch für Gleichstrom verwendbar sind. Außerdem wird durch diese Anordnung eine unbedingt sichere Beschränkung der Ausschaltung auf die beiden Enden der fehlerhaften Teilstrecke bewirkt. Die besonderen Merkmale der Schaltungen nach Fig. 3 und 4 bestehen darin, daß die leitenden Einlagen h und ihre Drosselspulen d hinter den Drosselspulen in Sternschaltung verbunden sind, und daß infolge der hierdurch entstandenen Nullpunkte für eine belibiege Phasenzahl zur Verbindung der leitenden Einlagen aller Phasen nur eine einzige Verbindungsleitung / mit zwei Auslösewicklungen m und η notwendig ist. Zwischen den beiden Auslösewicklungen ist die Hilfsstromquelle mit einem Pol angeschlossen, ihr zweiter Pol liegt über α an Erde. Die Schutzmäntel c der Kabel sind ebenfalls geerdet.

Tritt bei den Anordnungen nach Fig. 3 oder 4 ein Durchschlag nach Erde ein, so schließt die entstandene Funkenbrücke den Stromkreis der Hilfsstromquelle an jedem Kabelende. Dadurch werden die entsprechenden Auslösewicklungen m und η erregt und die Netzschalter geöffnet.

. Bei fehlerfreier Kabelleitung ist in Wechselstromanlagen natürlich auch bei dieser Schaltung eine Kapazitätsspannung in den Einlagen h vorhanden; sie gleicht sich aber über die in Sternschaltung miteinander verbundenen Drosselspulen aus, ohne zu den Auslöseorganen oder, zur Hilfsstromquelle zu gelangen. Da der Hilfsstrom bei diesen Schaltungen über die Drosselorgane d fließen muß, sollte die Hilfsstromquelle zweckmäßig nur Gleichstrom oder aber Wechselstrom einer niedrigen Frequenz liefern, die erheblich unterhalb der Frequenz des Hauptnetzes liegt.

Bisher wurde nur von den praktisch wichtigsten Durchschlägen gesprochen, den Durch-Schlägen von Hauptleiter nach Erde. Bei Mehrfachkabeln können' jedoch auch Durchschläge zwischen den miteinander verseilten Kabeln auftreten. ' Dieser Fall ist zwar selten, weil auch ein Durchschlag dieser Art in den meisten Fällen das ganze Kabel zerstört und Erdschluß hervorruft. Es kann aber bei den beschriebenen Schaltungen in einfacher Weise eine Sicherung auch für diesen Fall geschaffen werden, indem ein im Hauptnetz für den Überspannungsschutz meist sowieso vorhandener Verkettungspunkt an Erde gelegt wird. Der geerdete Nullpunkt kann .an allen oder einzelnen Unterteilungsstellen der Kabelleitung vorgesehen werden. Eine solche Erdung ist in Fig. 4 an der Hochspannungswicklung des Stationstransformators bei g. vorgesehen. ,

Unter Voraussetzung eines solchen Verkettungspunkts wird dann bei den Anordnungen gemäß Fig. 3 und 4 nach einem Durchschlag zwischen zwei Einzelleitern der Stromkreis der Hilfsstromquelle über eine Auslösewicklung m oder n, über die zwei den beiden fehlerhaften Leitern zugeordneten Drosselspulen d, die zwei entsprechenden Einlagen h, die beiden Hauptleiter b, die Erdleitung g des Hauptnetzes und die Erdleitung α geschlossen, so daß die Auslösevorrichtung in Wirksamkeit tritt.

Bei den Anordnungen 'nach den Fig. 1 und 2 würde im entsprechenden Fall die Auslösung dadurch erfolgen, daß die Funkenbrücke zwischen den Einzelleitern den Kapazitätsstrom aus den leitenden Einlagen h über die Hauptleiter b der beschädigten Kabelädern zur Erde leitet, so daß die zugehörigen Wicklungen e keinen Strom mehr erhalten und ihre Sperrorgane f fallen lassen müssen. Es könnte hier wohl auch die Erdung fehlen. Denn bei Durchschlag zwischen Leiter und Leiter wird der Kapazitätsstrom von den Wicklungen e dadurch abgeschnitten, daß er

den Weg aus den leitenden Einlagen über die Funkenbrücke und die Hauptleiter ins Netz dem Weg über die Drosselspulen der Hilfsleitung vorzieht.

Bei den erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltungen sind besondere Signal-, Meß- oder Kommandoleitungen ausdrücklich vermieden, da solche Nebenleitungen besonderer Überwachung bedürfen und die Möglichkeit unvorhergesehener und unkontrollierbarer Fehler und Störungen erheblich vermehren.

Claims (5)

1. Patent-An Sprüche:
2. i. Sicherheitsschaltung für Kabelleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hauptleiter von einem isolierten Hilfsleiter umgeben ist und die Hilfsleiter aller Pole bzw. Phasen an beiden Enden einer Kabeistrecke miteinander leitend verbunden und derart zu einem von einer Hilfsspannung (Kapazitätsspannung oder fremde Stromquelle) erregten Stromkreis benutzt sind, daß dieser beim Auftreten eines Isolationsfehlers zwischen Haupt- und Hilfsleiter oder zwischen Hilfsleiter und Erde durch den an der Fehlerstelle sich bildenden Funkenstrom verändert (bei der Kapazitätsspannung) oder (bei der fremden Stromquelle) geschlossen wird und hierdurch die beiderseitige Abschaltung der fehlerhaften Kabelstrecke eingeleitet wird. 2. Ausführungsform nach Anspruch 1 für Wechselstromkabel, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsspannung die Potentialdifferenz zwischen den Hilfsleitern und Erde dient und jedes Ende eines Hilfsleiters die Wicklung einer derartigen Auslösevorrichtung enthält, daß der bei fehlerfreiem Kabel über diese Wicklungen fließende Strom die Auslösung der Schalter verhindert (Ruhestrom, Fig. 1 und 2).
3. 3. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem zu sichernden Unterteilungspunkt dp.r Kabelleitung die leitenden Einlagen jeder Teilstrecke über nur eine Auslösespule mit dem einen Pol einer Hilfsstromquelle verbunden sind, deren anderer Pol an Erde liegt (Arbeitsstrom, Fig. 3 und 4).
4. 4. Ausführungsform nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Einlagen jeder Kabelstrecke an den Unterteilungsstellen der Kabelleitung über Drosselorgane in Sternschaltung verbunden sind, um das Auftreten von Wechselstrom der Netzfrequenz in den Wicklungen der Auslösevorrichtungen zu vermeiden (Fig. 3 und 4).
5. 5. Ausführungsform nach Anspruch 1 oder den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Punkt des Leitungssystems oder der Maschinen oder Transformatoren an einzelnen oder allen Unterteilungsstellen des Kabel netzes direkt oder über ein Drosselorgan in bekannter Weise dauernd an Erde gelegt ist, um bei Durchschlägen zwischen zwei Leitern auch ohne Mitwirkung der metallischen Bewehrung den die Auslösung der Schalter bewirkenden oder hindernden Strom zur Erde abzuleiten.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.