DE268186C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 268186 KLASSE 21c. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 11. Oktober 1911 ab.

Bekanntlich sind bereits viele Einrichtungen in Vorschlag gebracht worden, um die Stromausschalter von elektrischen Stromverteilungssystemen zur Wirkung zu bringen, sobald das gewöhnliche Gleichgewicht zwischen entgegenwirkenden elektrischen Effekten aus irgendeiner Ursache gestört worden ist. Praktisch haben sich diejenigen Einrichtungen als brauchbar erwiesen, die mit Prüf drähten versehen

ίο sind; aus Gründen der Einfachheit ist es jedoch wünschenswert, auf solche zu verzichten. Zu den Versuchen, die erwünschte Sicherung ohne Anwendung von Prüfdrähten zu erreichen, gehört auch die Anordnung parallel verbundener Speisekabel, die normal gleiche Ströme führen und beim Eintritt eines Fehlers in einer Leitung auf Differentialwirkung dieser Ströme ansprechende Vorrichtungen derart beeinflussen, daß die fehlerhafte Leitung oder auch beide Leitungen an beiden Enden ausgeschaltet werden. Während Anordnungen dieser Art in manchen Fällen zweifellos zur Zufriedenheit arbeiteten, z. B. wenn ein Fehler in einem Leiter in gleichem Abstand von den beiderseitigen Stromunterbrechern auftrat, so konnte doch nicht erreicht werden, daß die Stromunterbrecher auf beiden Seiten ansprachen, sobald es sich um einen Fehler nahe einem Ende des Leiters handelte. Mit anderen Worten: Die an beiden Enden der Leiter infolge des Fehlers auftretende Differentialwirkung ist nicht immer annähernd die gleiche, sondern ändert sich mit der Lage des Fehlers.

Da ferner die Kosten einer Anlage durch Steigerung der Anzahl der erforderlichen Kabel sehr stark beeinflußt werden, würde es unvorteilhaft sein, für andere als Schutzzwecke mehr Kabel zu verwenden, als unbedingt nötig ist.

Zweck der Erfindung ist die Anordnung von ganz allgemein für Gleich- und Wechselstromanlagen verwendbaren Einrichtungen, bei denen die erforderliche Sicherung einer Anlage dadurch erreicht wird, daß die Stromverhältnisse des Speisekabels, in dem eine Störung eingetreten ist, allein die zugehörigen Stromunterbrecher beeinflussen, wodurch Ausschaltung erfolgt. Infolgedessen wird im Vergleich mit dem vorher erwähnten Schutzsystem bei einer Anlage von gegebenem Um-. fang die Zahl der zu sichernden Kabel um die Hälfte verringert, wodurch die Anlagekosten herabgesetzt werden.

Um dies zu erreichen, soll gemäß der Erfindung jedes Speisekabel (hierunter sind ganz allgemein Leitungen, Apparate, Wicklungen von Gleich- und Wechselstromapparaten ohne Kommutatoren sowie Transformatoren zu verstehen) aus parallel geschalteten Teilleitungen bestehen, die bei einem auftretenden Fehler durch Induktion entstandene elektromotorische Kräfte erfahren, durch welche der kleinste, den Stromunterbrecher an einem Ende des Speisekabels in Tätigkeit setzende Stromunterschied in den Teilleitern größer und der andere kleiner wird als der durch den Fehler

allein in an sich bekannter Weise erzeugte, so daß die Größe beider Differentialwirkungen einander genähert und die Empfindlichkeit der Schutzvorrichtung erhöht wird. Als Stromunterschied ist bei Wechselstrom natürlich die vektorielle Differenz der Einzelströme zu nehmen, da zwischen diesen Phasenverschiebungen auftreten. Die erforderlichen elektromotorischen Kräfte werden durch Einwirkung der Teilleitungen aufeinander durch gegenseitige Induktion sowie durch Vorrichtungen mit Impedanz erzeugt. Als solche Impedanzen kann man Drosselvorrichtungen benutzen oder auch die Auslöseschaltungen an den Kabelenden in geeigneter Weise ausbilden, wie es z. B. bei dem erwähnten bekannten System der Fall ist.

Einige Ausführungsbeispiele der Anordnung gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Speisekabel A an seinen drei Enden mit Stromunterbrechern B mit magnetisch wirkenden Antriebsvorrichtungen versehen. Die beiden parallel geschalteten Leitungen α und b des Speisekabels besitzen überall das gleiche Potential und gleiche Impedanz und sind gegenseitig induzierend angeordnet. Sie sind an den Enden als Spulen c, d ausgebildet, die auf je einen gemeinsamen Solenoidkern e einwirken. Die einzelnen Spulen c, d besitzen gleiche Anzahl von Windungen und sind so angeordnet, daß auf den Kern keine Zugkraft ausgeübt wird, solange der Betriebsstrom, also gleiche Ströme die Leitungen a, b durchfließen.

Tritt jedoch in einer der Leitungen,. z. B. 5, ein Fehler auf, so entsteht eine Differenz zwischen ihren Strömen, da sich der in beiden zur Fehlerstelle fließende Fehlerstrom dem Betriebsstrom überlagert. Durch die gegenseitige Induktion zwischen den Leitungen und die Induktanz der Spulen c, J, werden in beiden Leitungen elektromotorische Kräfte induziert, und zwar liegen auf dem Wege des Fehlerstromes durch die Leitung b nur eine Impedanz, nämlich d, dagegen auf dem Wege über die Leitung α und dann b drei Impedanzen, nämlich c, c und d. Hierdurch werden die Differential Wirkungen an den Enden des Speisekabeis, d. h. die (vektorielle) Differenz der beiden Teile des Fehlerstro'mes in den Leitungen b und α am einen Ende und der doppelte Wert des Fehlerteilstromes in der Leitung a am anderen Ende, in der Größe einander genähert; der erstere, kleinere Wert wird gegenüber dem ohne gegenseitige Induktion und Impedanz entstehenden vergrößert und der letztere, größere verkleinert. Die Kerne e werden in diejenige der beiden Richtungen gezogen, wo der stärkere Strom durch die Leitung geht. Diese Wirkung findet bei allen Stromunterbrechern des Abschnittes statt. Die Bewegung des Solenoidkernes β wird mittels irgendwelcher geeigneter Mittel auf den Stromunterbrecher übertragen.. Nach der Zeichnung bewegt der Solenoidkern e einen Hebel f, der mittels einer Stange g den Stromunterbrecher i in Tätigkeit setzt.

Die Anordnung nach Fig. 1 ist an Übertragungs- und Verteilungssystemen sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom anwendbar.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist für Wechselstromübertragungs- und Verteilungssysteme bestimmt. Hier sind, wie vorher, die beiden Leitungen α und b einander induzierend angeordnet, und die Wicklungen c und d an den beiden Enden sind so eingerichtet, daß sie dem Fließen des Fehlerstromes von einer Leitung zur anderen Induktanz bieten. Auf der rechten Seite der Zeichnung sind die Spulen c, d auf dem gemeinsamen Kerne e¹ angeordnet und an das bewegliche Schaltstück i des Stromunterbrechers B mittels Kontakte angeschlossen, welche voneinander getrennt sind, sobald der Stromunterbrecher geöffnet ist, so daß dann die Leitungen α und b voneinander sowie den benachbarten Speiseleitungen getrennt sind. Das Schaltstück i wird von dem Kern k eines Solenoids m in Bewegung gesetzt, das durch einen Strom erregt wird, der in einer dritten, auf den Kern e¹ aufgesetzten Spule η entsteht, sobald das Gleichgewicht zwischen den Strömen in den Leitungen α und b gestört wird.

Wie links in der Fig. 2 gezeigt ist, kann jedes Spulenpaar c, d mit einem weiteren Paar Spulen c¹, d¹ in Verbindung gebracht werden, die als sekundäre Elemente eines Transformators dienen. Dieser sendet, wenn das normale Gleichgewicht gestört ist, Strom in ein Relais D, das dann den Strom einer Batterie 0 schließt. Der Batteriestrom steuert beispielsweise mittels eines Solenoids m und Kernes den entsprechenden Stromunterbrecher B. So- i°5 lange die Ströme in den Leitungen a, b nach Richtung, Phase und Größe gleich sind, ist die Voltzahlin den Sekundärwindungen c¹, d¹ des Transformators ebenfalls gleich, so daß in dem Relais D kein Strom fließt.· Sobald je- n» doch die Ströme in den Leitungen a, b ungleich sind, fließt in der Spule des Relais D ein Strom, so daß der Batteriestromkreis geschlossen und der Unterbrecher B in Tätigkeit gesetzt wird.

Die Stromunterbrecher B mit Relais D können von beliebiger Konstruktion sein, dürfen sich jedoch nicht allein wieder einrücken und werden so angeordnet, daß sie ihre Tätigkeit beenden, wenn auch die Stromstörung zwisehen den beiden Leitungen nur ganz kurz war.

Um die induzierende Wirkung der beiden Leitungen aufeinander möglichst wirksam zu gestalten, rückt man sie so nahe als möglich zusammen; in manchen Fällen kann die Induktionswirkung noch verstärkt werden, indem man die Leitungen spiralförmig umeinander windet.

So kann ein Paar von Leitungen a, b gemeinsam in einem Kabel untergebracht werden, wie es z. B. für ein Dreiphasensystem in Fig. 3 gezeigt ist. Hier sind die beiden Teilleitungen α und b, die die gleiche Spannung besitzen, konzentrisch angeordnet, so daß sie mit einer nichtleitenden Schicht q zwischen sich wechselseitig induzierend wirken. Sie bilden derart eine einzige Ader des Kabels. Da normal kein Spannungsunterschied zwischen den Leitungen a, b besteht, so muß die Isolierschicht q nur so weit isolierend' wirken, daß sie dem infolge' einer Störung zwischen einem der Speisekabel a, b und der Erde oder einem anderen Leiter entstehenden augenblicklichen Spannungsunterschied widerstehen kann. Die beiden Leitungen sind sich sehr nahe und haben eine sehr starke induzierende Wirkung aufeinander.

Wenn die Speisekabel so angeordnet werden sollen, daß die Leitungen gleichen Widerstand besitzen, kann das Kabel in eine gerade Anzahl gleicher Längen eingeteilt werden, wobei der innere Leiter α einer Länge mit dem äußeren Leiter b der benachbarten Länge verbunden wird. Diese Anordnung verhindert Störungen in der Stromverteilung auf die beiden Leiter infolge induktiver Wirkung von außen.

Eine gleichwertige Ausführungsform ist in Fig. 4 gezeigt, wo beide Teilleitungen a, b halbkreisförmigen Querschnitt besitzen und so nebeneinander angeordnet sind, daß sie mit einer isolierenden TrennungsschJcht q zwischen sich wechselseitig induzierend wirken. Die beiden Leitungen können spiralförmig umeinander gewickelt sein, um die wechselweise Induktion zu erhöhen und ungleiche Stromverteilung zu verhindern.

Bei der weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 3 bilden zwei der Leitungen a, b von halbkreisförmigem Querschnitt den Kern des Kabels, während die Querschnitte der übrigen Leitungen a, b die Form von Halbringen besitzen. Hierbei werden die Leitungen a, b an den Berührungsstellen mittels Zwischenschichten q voneinander isoliert. Die verschiedenen Aderpaare von verschiedener Spannung in dem Kabel müssen regelrecht durch genügend starke Isolationsschichten q¹ voneinander isoliert sein, doch brauchen die Isolierschichten q zwischen den Teilleitungen von gleichen Spannungen nicht sehr leistungsfähig zu sein, so daß die Kosten der Kabel nicht hoch werden.

Bei einer Überlandleitung kann die Spiralanordnung der Leiterpaare a, b zu dem gekennzeichneten Zweck gemäß Fig. 6 angeordnet sein. Hierbei besitzen die beiden Teilleitungen α, b eines Speisekabels gleiche Impedanz mit Bezug auf den Strom. Sie können von Isolatoren r getragen werden, die das Speisekabel von der Erde und den anderen Speisekabeln isolieren und zugleich die Leitungen nichtleitend trennen. Um eine maximale wechselseitige Induktion zu erreichen, sollen die beiden Leitungen a, b so nahe als möglich zusammengelegt werden. In der Zeichnung sind die Leitungen nur aus zeichnerischen Rücksichten soweit voneinander entfernt worden. Die Leitungen a, b einer oder mehrerer anderer Speisekabel können gleichfalls von demselben Mast getragen werden; im angegebenen Beispiel sind sechs Leitungen a, b, a², δ², α³, b³ angeordnet.

Es können auch, wie in Fig. 7 gezeigt, die Teilleitungen a, b, die einen Abschnitt des Stromkreises bilden, von Isolatoren r getragen werden, die ihrerseits auf den Isolator s aufgesetzt sind, der die Teilleitungen gegen die Erde isoliert, wobei die erforderliche Verwindung der Drähte, ohne daß der eine Draht a mit dem anderen b in Berührung kommt, mittels der doppelten Isolierhülsen r¹ aufrecht- go erhalten wird.

Anders ist die Anordnung nach Fig. 8 getroffen, wo die Teilleitungen a, b übereinander aufgehängt und Isolatoren r und s zwischen den Leitungen a, b bzw. diesen und dem Arm t eingeschaltet sind, wobei isolierende Streben r² dazu benutzt werden, um die Leitungen scharf auseinanderzuhalten.

Fig. 9 zeigt die Anwendung des Erfindungsgegenstandes bei einem einphasigen Generator, wo die⁵-¹ Anker- oder die Ständerwicklung in zwei wechselseitig induzierende Leitungen geteilt ist und an den Enden elektrisch angetriebene Stromunterbrecher B besitzt. Die beiden Leitungen a, b der Ankerwicklung F besitzen die gleiche Spannung an jeder Stelle ihrer Länge und die gleiche Impedanz. Sie können an jedem Ende Spulen c, d auf einem Kerne e¹ besitzen, die dem Fließen des Fehlerstromes von α nach b und umgekehrt Induktanz entgegensetzen. Beide Spulen c, d besitzen gleiche Windungszahl und sind derart angeordnet, daß in dem Kern e¹ kein Strom induziert wird, solange beide Teilströme gleich sind.

Sobald jedoch eine Schwankung entsteht, wird durch den Kern e¹ eine dritte Spule η erregt, so daß mittels eines an die Klemmen der Spule η geschalteten Solenoids m oder eines Relais der Stromunterbrecher B in Tätigkeit gesetzt wird. Diese Wirkung findet gleichzeitig bei dem Stromunterbrecher B auf jeder

Seite der Ankerwicklung statt, gleichgültig, an welcher Stelle' der Wicklung die Störung auftritt.

Wenn ein Ende . der geteilten Wicklung F geerdet ist, kann an dieser Stelle der Stromunterbrecher fortfallen, die Wicklungen c, d und der Kern e¹ oder gleichwertige Vorrichtungen müssen aber bleiben, um dem Fehlerstrom von α nach b -und umgekehrt Induktanz

ίο zu bieten.

Die geteilte Feldwicklung G des Einphasengenerators kann mit Stromunterbrechern und thermisch angetriebenen Steuervorrichtungen versehen sein. So können die beiden wechselsei'tig induktiven Leitungen α⁴, δ⁴ der Feldwicklung G an jedem Ende mit Widerständen u versehen sein, die dem Fehlerstrom von a⁴ nach δ⁴ und umgekehrt Widerstand entgegensetzen, und zu denen Temperaturstromkreise ν parallel geschaltet sind, wobei unter Temperaturstromkreisen solche zu verstehen sind, die durch Temperaturveränderungen infolge Stromschwankungen physikalische Änderungen erfahren. Die beiden Temperatur-Stromkreise sind miteinander und mit dem Stromunterbrecher B mechanisch verbunden, beispielsweise durch Federn w. Die Wirkungsweise ist derart, daß, wenn gleiche Ströme die Leitungen durchfließen, in den Ubertragungs-Vorrichtungen keine Bewegung stattfindet, während dagegen bei Ungleichheit der Ströme mittels des Hebels f und der Stange g der Stromunterbrecher B bei i mechanisch geöffnet wird. Im Bedarfsfalle kann die Strom¹ Unterbrechungsvorrichtung auch an einem Ende der Feldwicklung allein angebracht sein, aber die thermische Anordnung muß an beiden Enden bleiben, um dem Fehlerstrom von α⁴ nach δ⁴ und umgekehrt Widerstand zu bieten.

In manchen Fällen können die zu der Feldwicklung gehörigen, durch Wärme beeinflußten Vorrichtungen dazu benutzt werden, die Stromunterbrecher der Ankerwicklung mit denjeni- - gen der Feldwicklung zusammen oder auch allein zu steuern. Ebenso können die von der Ankerwicklung beeinflußten Antriebsvorrichtungen die Unterbrecher der Feldwicklung steuern.

Bei einem Dreiphasenmotor, dessen Ankerwicklungen F¹ in Dreieck geschaltet sind (Fig. 10), können die beiden wechselweise induzierenden Leitungen a, b jeder Phase an jedem Ende mit Transformatoren c, c¹ und d, d¹ versehen sein, die dem Fehlerstrom von α nach b und umgekehrt Induktanz bieten, wobei der Transformator jeden Endes jeder Phase ein besonderes Solenoid m¹ ,beeinflußt, das den Stromausschalter i^l des Motors öffnen kann.

Bei allen Stromunterbrechern, die mittels eines Transformators angetrieben werden, dessen Sekundärspulen auch bei Gleichheit der Ströme in den Teilleitungen von Strom durchflossen werden, kann man diesen Transformator benutzen, um die Stromstärken in einer oder beiden Leitungen 0, b zu messen. Zu diesem Zweck werden die sekundären Windungen c¹, d¹ an einem oder beiden Enden der geteilten Hauptwicklung des Generators o: dgl. über Kreuz verbunden und ein Strommesser y mit ihnen in Reihe geschaltet (Fig. 10).

Die Impedanz, welche die Differenz zwischen den Teilströmen der beiden Leitungen beeinflußt, kann an jedem Ende eines Speisekabels oder einer Spule unabhängig vom Stromunterbrecher erzeugt werden, indem hier eine besondere Vorrichtung in die Leitungen eingeschaltet wird. Wie aus Fig. 11 ersichtlich, kann mit jeder Leitung a, b eine Spule 1 bzw. 2 in den Stromkreis eingeschaltet werden, wobei die Spulen derartig auf einem magnetischen Kern 3 angeordnet sind, daß kein Kraftlinienstrom in dem Kern 3 fließt, wenn die Ströme in α und b gleich sind. Tritt jedoch eine Störung ein, so führt der Kern 3 einen magnetischen Strom, die Spulen ι und 2 werden induktiv und bieten dem Fließen des Fehlerstromes von einer Leitung zur anderen über die Klemmen a¹, b¹, wo die beiden Leitungen a, b miteinander verbunden sind, Impedanz. Die nötige Impedanz kann auch dadurch ersetzt werden, daß gleiche Widerstände in jede Leitung geschaltet werden. .

Wenn besondere Impedanzanordnungen in die Leitungen eingeschaltet sind, kann man eine Antriebsvorrichtung für den Stromunterbrecher benutzen, die dem Fehlerstrom von einer Leitung zur anderen keinen Widerstand entgegensetzt, wie rechts in Fig. 11 gezeigt ist. Hier sind in die beiden wechselweise induktiven Leitungen a, b am Ende Transformatoren c, c¹ und d, d¹ eingeschaltet, deren sekundäre Wicklungen c¹, d¹ derart verbunden sind, daß die beiden in ihnen erzeugten elektromotorischen Kräfte entgegengesetzt sind und kein Strom fließt, solange die Teilströme in α und b gleich sind. Werden jedoch die beiden Teilströme in a, b ungleich, so fließt ein Strom durch die Relaisspule D und bringt den entsprechenden Stromunterbrecher B mittels des Hilfsstromkreises E o. dgl. zur Wirkung.

Links in der Fig. 11 ist ein besonderer Stromunterbrecher B¹ für jede der Leitungen a und b angeordnet. Die Unterbrecherantriebs-Vorrichtung und die Impedanzanordnung wird hier durch einen Kern e² mit einem Luftzwischenraum gebildet, in dem der Anker e³ eines Stromschalters e⁴ untergebracht ist. Die Anordnung ist so getroffen, daß der Schalter i?⁴ offen ist, wenn kein magnetischer Strom im Kern c² fließt. Sobald jedoch infolge einer

Störung der Kern e² einen magnetischen Strom führt, dreht sich der Anker e^s, und der Schalter e⁴ schließt bei <?⁵ einen Hilfsstromkreis E₁ in dem die Antriebsspulen der Stromunterbrecher B¹ liegen.

Jede der oben beschriebenen Antriebsvorrichtungen sowie jede andere gleichartige kann ein Signal, z. B. eine Klingel K (Fig. ii), an Stelle oder in gleich vorteilhafter Weise wie

ίο einen Stromunterbrecher in Tätigkeit setzen.

Wo, ■ wie in den Beispielen gemäß Fig. 2

(links) und Fig. 10, die sekundären Spulen c¹, d¹ der Transformatoren stromdurchflossen sind, wenn die Ströme der beiden Teilleitungen a, b gleich sind, kann man die Sicherheitsvorrichtung auch dazu benutzen, um bei Überlastung den Stromunterbrecher in Tätigkeit zu setzen. Hierzu braucht man nur, wie in Fig. 2 und 10 gezeigt, eine Schmelzsicherung ζ in den Sekundärstromkreis der beiden Transformatoren zu schalten. Sobald eine Überlastung stattfindet, brennt die Sicherung durch und veranlaßt den einen Transformator, den Stromunterbrecher in Tätigkeit zu setzen.

Der Erfindungsgegenstand kann ohne Rück-' sieht auf die Zahl der Wicklungen oder Phasen angewendet werden.

Claims (3)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Schutzvorrichtung für elektrische Leitungen und Apparate, bei der infolge eines Fehlers auf Differentialwirkung der einen Stromkreisabschnitt durchfließenden Ströme ansprechende Vorrichtungen die an dessen Enden vorgesehenen Stromunterbrecher beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen, Apparate oder Wicklungen der Stromkreise parallel geschaltete Leiter enthalten und diese bei einem auftretenden Fehler infolge der Rückwirkung der Leiter aufeinander durch gegenseitige Induktion und infolge von Vorrichtungen mit Impedanz elektromotorische Kräfte induktiven Ursprungs erfahren, durch welche die kleinste, den Stromunterbrecher an einem Ende der Leiter beeinflussende Differentialwirkung größer und die andere kleiner wird als die durch den Fehler allein in an sich bekannter Weise erzeugte, so daß die Größe beider Differentialwirkungen einander genähert und die Empfindlichkeit der Schutzvorrichtung erhöht wird.
2. 2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel verbundenen Leiter (a, b) zur Erzielung einer starken gegenseitigen Induktion auf ihre ganze Länge dicht nebeneinander in einem einzigen Kabel untergebracht sind, wobei sie durch eine Zwischenschicht (q) von nur geringem Isolationswert getrennt zu sein brauchen, während eine Anzahl ebenso angeordneter Leiter (a, b) anderen Potentials in an sich · bekannter Weise paarweise voneinander durch Schichten (q¹) von höherem Isolationswert getrennt sein muß.
3. 3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter verschiedenen Potentials konzentrisch zueinander angeordnet sind und jeder einzelne Leiter aus zwei Teilen besteht, die durch eine Isolationsschicht voneinander getrennt sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.