DE2611223C2 - Richtungsrelais für zweiseitig gespeiste Leitungen in Wechselstromnetzen - Google Patents

Description

Im Hauptpatent wird ein neuartiges elektronisches Richtungsrelais beschrieben, bei dem zur Anzeige der Energierichtung die Phasenlage des Stromes relativ zur Spannung, und zwar über das Vorzeichen des Strom-Differentialquotienten bei Nulldurchgang mit elektronischen Bauelementen, ausgewertet wird. Eine Betrachtung der F i g. 1 soll dieses Prinzip verdeutlichen.

Die beiden vollausgezogenen Kurven zeigen den zeitlichen Verlauf der Spannung U und des Stromes I_A für eine Energierichtung A auf der Leitung. Für die umgekehrte Energieflußrichtung B gehört, zur selben Spannungskurve U die strichpunktiert gezeichnete, um 180° gedrehte Stromkurve /» Wird bei der beispielsweisen Richtungsbestimmung in Mittelspannungsnetzen zwecks Umgehung des Einsatzes von separaten Spannungswandlern die Spannung der Unterspannungsseite des Transformators der Ortsnetz-Stationen mit der meist üblichen Schaltgruppe 5 (Dy 5 oder Yz S) entnommen, während der Strom z. B. über Kabelumbauwandler den drei Phasen der Oberspannungsseite entnommen wird, so ergibt sich bei Belastung des Transformators mit cos φ = 1 ein Winkel zwischen Strom und Unterspannung von 5 χ 30° = 150° voreilend:, bei Umpolung an den Stromwandlerklemmen ein um 30° nacheilender Strom, so wie in Fig. 1 dargestellt Die Ströme U und /« müssen elektronisch unterscheidbar sein, um auf die Energierichtung schließen zu können. Man erkennt dazu aus Fig. 1 folgendes Kriterium: in der positiven Spannungshalbwelle ist

positiv.

dl Λ
df

dl Ii
d/

dagegen negativ; in der negativen Spannungshalbwelle ist andererseits

d/ö df

positiv und

df

negativ. Erfaßt man daher die Differentialquotienten

df
sowie

d/ß

df

mit elektronischen Mitteln, z. B. mit WC-Gliedern, beim Strom-Nulldurchgang und setzt sie mit dem Vorzeichen in zeitliche Beziehung zur Spannung, so läßt sich die Energierichtung Λ oder B bestimmen.

Bei der Anwendung als Kurzschlußrichtungsanzeiger wird die Richtungsanzeige nur im Kurzschlußfall vorgenommen. Der Kurzschlußfall läßt sich einmal an der Höhe des Stromes bestimmen. Ein Maß für die Höhe des Stromes ist zum anderen auch der Betrag seines Differentialquotienten im Nulldurchgang. Für diesen Betrag kann man einen Schwellwert vorgeben, bei dessen Überschreiten eine Richtungsanzeige erfolgt.

Das im vorstehenden beschriebene Richtungskriterium kann man auf verschiedene Weise elektronisch auswerten. Im Hinblick auf eine einheitliche Schaltungsauslegung (einheitlicher Transistortyp) ist es z. B. zweckmäßig, nur den positiven Differentialquotienten zu verwenden. Das Grundprinzip ist jedoch darauf nicht beschränkt. In dem Ausführungsbeispiel nach dem Hauptpatent wird zu diesem Zweck durch eine Mittelanzapfung der Stromwandler-Sekundärwicklung der Strom aufgeteilt, nämlich in einen mit dem

Primärstrom gleichphasigen Strom, der dem Anzeigezweig für die Richtung A zugeführt wird und in einen gegenüber dem Primärstrom um 180° gedrehten gegenphasigen Strom Imw, der dem Anzeigezweig für die Richtung B zugeführt wird. Bsi dieser Darstellung hat /biot bei Energierichtung B in der positiven Spannungshalbwelle einen positiven Differentialquotienten. In jedem auf den positiven Differentialquotienten ansprechenden Anzeigezweig A, B ist dabei je ein Transistor vorgesehen, der je einer Richtungsanzeige zugeordnet: ist In Reihe mit diesen beiden Transistoren liegt ein dritter Transistor, der in der positiven Spannungshalbwelle aufgesteuert und in der negativen Halbwelle gesperrt ist' Hat während der positiven Spannungshalbwelle die gleichphasige Stromkurve /_A einen positiven Differentialquotienten, so schaltet der Transistor im Zweig A durch, und es wird die Richtung A angezeigt; hat die gegenphasige Stromkurve /βιβο-einen positiven Differentialquotienten, so schaltet der Transistor im Zweig Bdurch, und es wird die Richtung B angezeigt

Die Erfindung bildet das obengenannte, im Hauptpatent beschriebene Prinzip der Richtungserfassung weiter, und zwar durch eine andere Auswertung des genannten Richtungskriteriums. Gemäß der Erfindung erfolgt die Auswertung ausgehend von einem Richtungsrelais für zweiseitig gespeiste Leitungen in Wechselstromnetzen mit Vergleich der Phasen age des Stromes und der Spannung durch elektronische Erfassung des Stromdifferentialquotienten und elektronischer zeitlicher Zuordnung des Vorzeichens des Stromdifferentialquotienten zum Spannungsverlauf, wobei je nach der zeitlichen Zuordnung die Richtungsanzeige durch Ansteuerung eines von zwei Signalempfängern erfolgt, dadurch, daß jedem der beiden Signalempfänger ein von der Spannung beaufschlagter, jeweils auf eines der beiden Vorzeichen der Spannung ansprechender Spannungssignalpfad zugeordnet ist und daß jeder der beiden Signalpfade in einer UND-Verknüpfung mit einem auf ein bestimmtes Vorzeichen des Stromdifferentialquotienten ansprechenden Strom-Signalpfad liegt

Je nachdem, in welcher Spannup.gshalbweile der erfaßte Stromdifferentialquotient auftritt, wird der eine oder der andere Spannungssignalpfad wirksam und löst die entsprechende Richtungsanzeige aus.

Es wird daher im Fall der Erfindung als Richtungskriterium die Tatsache ausgenutzt, daß die Ströme der beiden Energierichtungen in aufeinanderfolgenden Spannungshalbwellen den gleichen, insbesondere einen positiven Stromanstieg im Nulldurchgang haben. Im Fall der Erfindung erfolgt somit der Richtungsentscheid in den beiden Spannungspfaden, wogegen im Fall des Ausführungsbeispieles nach dem Hauptpatent der Entscheid in den beiden Strompfaden erfolgt.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. 2 die Prinzipschaltung des Richtungsrelais nach der Erfindung, angewendet als Kurzschlußrichtungsanzeiger für eine Phase,

F i g. 3 die Erläuterung der Anwendung der Schaltung nach F i g. 2 im Rahmen eines Ringnetzes.

In F i g. 2 wird an den Klemmen 1 und 3 die Spannung U zugeführt Die daraus abgeleitete Eingangsspannung für zwei Schaltverstärkerbausteine Vi, V2 wird durch antiparallelgeschaltete und in Reihe mit einem Widerstand R 1 liegende Dioden D 1 auf die Durchlaßspannung kleiner als 1 Volt begrenzt An die Ausgänge dieser Schaltverstärkerbausteine, die gegensinnig gepolt sind, sind jeweils Begrenzungswiderstände A4, Λ5, Dioden D 2, D3 und Transistoren Ti, T2 angeschlossen. Der Verstärker Vi erzeugt dabei während der positiven Spannungshalbwelle ein positives rechteckförmiges Ausgangssignal, wogegen der Verstärker V2 während der negativen Spannungshalbwelle ein positives Rechteck-Ausgangssignal erzeugt Beide Transistoren 7*1, 7"2

ίο werden somit ständig aufgesteuert (auch Lm Normalbetrieb), und zwar der Transistor 7*1 in der positiven Halbwelle und der Transistor T2 in der negativen Halbwelle. Im Ausgangskreis des Transitors Ti liegt die Anzugswicklung eines Haftmagnetrelais A, im Ausgangskreis des Transistors T2 liegt die Anzugswicklung eines Haftmagnetrelais B. Die Anzugswicklungen sind durch Freilaufdioden DA, D5 üblicherweise überbrückt. Jedes der Haftmagnetrelais ist einer der beiden möglichen Energierichtungen A, B zugeordnet, wobei prinzipiell auch andere Anzeigemöglichkeilen bestehen. Haftmagnetreiais haben unter anderem den Vorteil der Preiswürdigkeit. Die Haftmagnetrelais können jedoch bei ausgesteuerten Transistoren Ti, T2 erst dann anziehen, wenn die weiteren in Reihe mit den Transistoren 7Ί bzw. T2 liegenden Transistoren 7"3 und TA angesprochen haben. Diese Transistoren werden abhängig von dem Strom 1_Λ bzw. /«betätigt. Der an die Klemmen 2 und 3 angeschlossene Stromwandler, der den Strom I_A bzw. 1_B liefert, wird abgeschlossen über

ίο einen Widerstand R10 und antiparallelgeschaltete Dioden D 6, sowie einen dazu parallelgeschalteten Tiefpaß RS-C2. An D6 entsteht eine mit dem Strom phasengleiche abgekappte trapezförmige Spannung, die über ein ÄC-Glied R 6— Ci differenziert wird. Bei der ansteigenden Flanke (positiver Differentialquotient) fließt Strom über die Basis-Emitterstrecke eines Transistors 7"3 und steuert diesen durch. Da der Tiefpaß RS bis C2 sehr hochohmig, R 10 aber niederohmig ist, wird die Bürde des Stromwandlers erst niederohmig, wenn die Durchlaßspannung der Dioden D6 erreicht ist. Durch die anfangs hohe Bürde wird auch bei niedrigen Primärströmen des Stromwandlers an D6 bereits die Durchlaßspannung erreicht, Ti also auch beim Nulldurchgang kleiner Wandler-Primärströme voll durchgesteuert. Somit kann man, wenn man den Transistor TA außer acht läßt, schon bei niedriger Streckenbelastung die Energieflußrichtung bestimmen. Der Transistor 7"3 wird somit bei jeder positiven Steigung des Laststromes aufgesteuert, auch im Nichtkurzschlußfall. Das Kriterium des Kurzschlusses wird zusätzlich durch den Transistor TA vorgegeben. Soll daher die Richtungsanzeige nur bei Kurzschluß erfolgen, dann darf der in Reihe mit T3 und Ti bzw. T2 geschaltete Transistor TA erst beim Oberschreiten des an einem Spannungsteiler-Potentiometers R14 eingestellten Stromschwellwertes durchgesteuert werden.

Der bereits erwähnte Tiefpaß RS-C2 soll die bei Lichtbogenkurzschlüssen im Strom enthaltenen Oberschwingungen dritter und höherer Ordnung so weit ausfiltern, daß diese das Schwell wertkriterium nicht wesentlich beeinflussen. Ein nachgeschalteter Schaltverstärker V3 wird dann durchgesteuert, wenn der Scheitelwert der negativen Stromhalbwelle bzw. deren strcTiproportionale Teilspannung an C2, den Betrag der an R14 eingestellten negativen stabilisierten Teilspannung überschreitet. Die negative Stromhalbwelle wird deshalb für das Schwellwertkriterium ausgewertet, da sie dem Strom-Nulldurchgang mit

positivem Differentialquotienten, bei dem TZ durchgesteuert wird, unmittelbar vorangeht, d. h. die Richtungserfassung erfolgt zeitlich sehr kurz hinter dem Auftreten des Kurzschlusses. Falls nun der Scheitelwert der negativen Stromhalbwelle den an R 14 eingestellten Schwellwert, z. B. bei Kurzschluß, überschreitet, erscheint an V3 ein positives Ausgangssignal, das über eine Entkoppeldiode D 8 in dem Kondensator C 3 mindestens bis zum nächsten Strom-Nulldurchgang gespeichert wird (damit die Signale an TZ und T4 zeitlich zusammenfallen). Zur Entladung dient ein hochohmiger Widerstand R13.

Beim Nulldurchgang von negativer zu positiver Stromhalbwelle wechselt entsprechend die an den antiparallelgeschalteten Dioden D 6 entstehende Spannung ebenfalls ihr Vorzeichen. Dabei fließt ein Ladestrom über das Differenzierglied /?6—CI, der den Transistor TZ durchsteuert. Erfolgt der vorgenannte Strom-Nulldurchgang mit positivem Differentialquotienten w.ährend der positiven an DX anstehenden Spannungshalbwelle, dann erscheint am Differenzschaltverstärker Vl ein positives Ausgangsspannungssignal, das den Transistor Tl durchsteuert, wodurch der Signalempfänger für die Richtung A, z. B. die Anzugswicklung eines Haftmagnetrelais, einen Impuls erhält. Fällt dagegen der Strom-Nulldurchgang mit positivem Differenzialquotienten in die negative Spannungshalbwelle, so lange also der Differenzschaltverstärker V2 den Transistor T2 durchsteuert, dann erhält der Signalempfänger Seinen Impuls.

Liegt somit der Kurzschlußfall vor — TA ist aufgesteuert — und liegt der positive Stromdifferentialquotient — TZ aufgesteuert — in der positiven Spannungs-Halbwelle (Tl aufgesteuert), so spricht das Relais A an und zeigt den Fall mit dem Strom Ia gemäß F i g. 1 an. Liegt dagegen der positive Stromdifferentialquotient (von /ein Fig. 1) in der negativen Spannungs-Halbwelle, so spricht über 7"2 das Relais B an, entsprechend der anderen Energierichtung.

Bei 3phasiger Auswertung der Energieflußrichtung arbeiten alle drei Auswerteschaltungen in einer »ODER-Verknüpfung« auf die Signaiempfänger. Im Falle eines 3poligen Kurzschlusses wird also bereits nach der ersten negativen Kurzschlußstromhalbwelle einer Phase beim darauffolgenden Nulldurchgang die Richtung erfaßt und angezeigt.

Das Richtungsrelais nach der Erfindung ermöglicht mit relativ geringem Aufwand eine sichere Richtungsbestimmung mit vielerlei Anwendungsmöglichkeiten, z. B. in richtungsabhängigen Schutzrelais, in Maschennetzrelais und in Schnellentkupplungsrelais.

Anhand der Fig.3 soll erläutert werden, wie das Richtungsrelais als Kurzschlußrichtungsanzeiger zur Kurzschlußsuche an einer Leitung angewendet werden kann. Die Fig.3 zeigt ein zweiseitig gespeistes Ringnetz mit den Netzstationen JV1 bis Nm. In jeder dieser Netzstationen befindet sich ein Kurzschlußrichtungsanzeiger nach der Erfindung. Es sei angenommen, ein Kurzschluß befinde sich zwischen den Netzstationen JV 2, JV3. Dann haben in den Netzstationen JVl und JV2 z. B. die Relais A angesprochen, in der Netzstation JV3 dagegen das Relais B. Ordnet man dem Relais A z. B. einen Richtungspfeil »links« zu und dem Relais B den Richtungspfeil »rechts«, dann liegt der Kurzschluß in der Strecke zwischen zwei aufeinander zu gerichteten Pfeilen. Macht man die Richtungspfeile äußerlich sichtbar, z. B. durch eine Blinkschaltung, die beim Einschalten der Kontakte a 1 oder b 1 (F i g. 2) angeregt wird, so kann sehr schnell durch Abfahren des Ringnetzes die Kurzschlußstelle ermittelt werden. Bei vorhandenen Meldeadern erscheint auch eine Fernanzeige möglich. Bei einer einfacheren Ausführung (ohne Blinkschaltung und interne Stromversorgung) kann auch in oder an der Netzstation durch Tastendruck kurzzeitig der Richtungspfeil angeschaltet werden.

ίο Die Relais-Schaltspannung von +55V wird aus einem Netzgerät gewonnen, das an der jeweiligen Netzstation mit der Netzspannung gespeist wird. Kommt die Netzspannung nach einem Kurzschluß wieder, so soll die Richtungsanzeige, d h. die Relais, zurückgestellt werden. Zu diesem Zweck dient die Schaltung um den Transistor TS nach Fig.2, der die Rückstellwicklungen der Relais A, B, geschützt durch eine Freilaufdiode D13, ansteuert und zwar in Abhängigkeit von einem Zeitkreis Λ 28, CS einschließlieh des Entladewiderstandes R 27. Der Kondensator C6 wird beim Ansprechen eines der Relais entweder über den Kontakt a 1 und die Diode D16 oder über b 1 und D17 mit der Spannung am Anschluß +55V aufgeladen. Der Zeitkreis mit dem Kondensator

2s verhindert, daß die Rückstellung noch während der Kurzschlußdauer mit einer hohen stehenbleibenden Kurzschlußspannung, z. B. 80% L/m™, erfolgt. Erst nach einer Zeit größer als 3 Sekunden, z. B. 5 Sekunden, d. h nach Abschalten des Kurzschlusses, und Rückkehr der

ίο Netzspannung wird der Kondensator so weit aufgeladen, daß der Transistor T% anspricht Daher kann nui eine »gesunde« wiederkehrende Netzspannung die Rückstellung veranlassen. Die selbsttätige verzögerte Rückstellung der Richtungsanzeige ist an sich bereit« auch in dem Hauptpatent beschrieben. So wird auch nach jeder erfolgreichen Lichtbogenkurzschlußfort schaltung die Kurzschlußrichtungsanzeige jeweil: selbsttätig wieder zurückgestellt damit im Falle einei nachfolgenden erfolglosen Kurzunterbrechung mi endgültiger Abschaltung der fehlerbehafteten Streckt der Fehlerort von beiden Seiten her richtig angezeig wird.

In dem Hauptpatent ist auch die Funktion dei Richtungsimpulszähler beschrieben (Zählen von Kurz Schlüssen). In F i g. 2 der vorliegenden Zeichnung ist nui die Entkopplungsdiode D9 am Ausgang des Schaltver stärkers Baustein V3, dargestellt, über die die Zählei angeschlossen werden. Lichtbogen in Löschrohrablei tern, die ordnungsgemäß binnen längstens 70 Millise künden gelöscht sind, werden von den Richtungsimpuls zählern nicht gezählt, da ein Verzögerungsglied di< Zählung erst nach beispielsweise mindestens 8( Millisekunden freigibt.

Da T3 bereits bei kleinen Wandlerströmen, wi< bereits vorstehend dargelegt während des Nulldurch ganges durchgesteuert wird, können bei bekannte Lastflußrichtung, z. B. bei vorübergehender einseitige Einspeisung der Mittelspannungsleitung, durch Nieder drücken einer Taste Ta, mit welcher die Schwellwert vorgabe am Eingang (+) des Schaltverstärkers VZ ai Mp gelegt wird, folgende Funktionen des Relai kontrolliert werden: Richtungsanzeige, Richtungsim pulszählschritt selbsttätige Rückstellung der Richtungs anzeige nach vorgegebener Rückstellverzögerung voi

6s beispielsweise 5 Sekunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

26 223 Patentansprüche:

1. Richtungsrelais für zweiseitig gespeis.e Leitungen in Wechselstrommnetzen mit Vergleich der Phasenlage des Stromes und der Spannung durch elektronische Erfassung des Strom-Differentialquotienten und elektronischer zeitlicher Zuordnung des Vorzeichens des Strom-Differentialquotienten zum Spannungsverlauf, wobei je nach der zeitlichen Zuordnung die Richtungsanzeige durch Ansteuerung eines von zwei Signalempfängern erfolgt, nach Patent24 12792, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Signalempfänger (A. B) ein von der Spannung (U) beaufschlagter, jeweils auf eines der beiden Vorzeichen der Spannung ansprechender Spannungssignalpfad (Vi, Ti; V2, Tl) zugeordnet ist und daß jeder der beiden Signaipfade

in einer UND-Verknüpfung mit einem auf ein bestimmtes Vorzeichen des Stromdifferentialquotienten ansprechenden Stromsignalpfad (V 3, TZ, T4) liegt.

2. Richtungsrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompfad aus zwei in einer UND-Verknüpfung verbundenen Teilpfaden besteht, von denen der eine (T3) mittels eines Differenziergliedes (R6, Ci) den Strom-Differentialquotienten erfaßt und von denen der andere (T4) mittels eines speichernden Schwellwertgliedes ( CX) das Auftreten eines Kurzschlußstromes erfaßt.

3. Richtungsrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzierglied so ausgelegt ist, daß es auf den positiven Strom-Differentialquotienten anspricht.

4. Richtungsrelais nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spannungssignalpfad einen Schaltverstärker (V 1; Vl) mit einem nachgeschalteten Transistor (Ti-, T2) aufweist, daß beide Schaltverstärker gegensinnig gepolt sind, wodurch der eine Schaltverstärker in der positiven Halbwelle und der andere Schaltverstärker in der negativen Halbwelle ein den nachgeschalteten Transistor aufsteuerndes Rechtecksignal erzeugt.

5. Richtungsrelais nach einem der Ansprüche 2 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwellwertglied aus einem Schalt-Differenzverstärker (VX) besteht, von dem ein Eingang mit einem Potentiometer verbunden ist, an dem ein Strom-Schwellwert als Gleichspannungswert eingestellt ist, und von dem der andere Eingang mit einer dem Strom proportionalen Spannung ausgesteuert wird, wobei die Polung so getroffen ist, daß der Verstärker auf die negative Stromhalbwelle anspricht.

6. Richtungsrelais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prüftaste (Ta) vorgesehen ist, die die Schwellwertvorgabe überbrückt.