DE2900654A1

DE2900654A1 - Schutzrelais-geraet

Info

Publication number: DE2900654A1
Application number: DE19792900654
Authority: DE
Inventors: John E Hagberg
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-01-12
Filing date: 1979-01-10
Publication date: 1979-07-19
Also published as: GB2012505A; ES476633A1; GB2012505B; MX145530A; FR2414810A1; SE436237B; IT1110058B; SE7900254L; ZA79137B; IT7919231A0; JPS5497748A; BR7900098A

Description

DR.-ING. Ernst Stratmann

PATENTANWALT
D-4000 DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9 290065 ^

•Düsseldorf, 8. Jan« 1979 47,573
7872

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V₀ St«, A.

Schutzrelais-Gerät

Die Erfindung betrifft Schutzrelais-Geräte für elektrische Leistungssysteme, insbesondere ein Schutzrelais-Gerät zur Erkennung und Beseitigung von Fehlern hoher Impedanz in einem mehrphasigen Verteilungsnetz„

Fehler mit niedriger Impedanz in einem mehrphasigen Verteilungsnetzwerk werden mit Hilfe herkömmlicher überstromrelaisverfahren ermittelt, wobei der Fehler durch Auslösung eines oder auch mehrerer geeigneter Schaltkreistrenner schnell isoliert wird. Jedoch wird ein Fehler hoher Impedanz, wie er beispielsweise durch einen abgebrochenen oder herniedergefallenen Leiter verursacht wird, ohne daß es zu einem Erdschlußzustand kommt, von einem Überstromrelais-Gerät nicht erkannt»

Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Schutzrelais-Systems, das ein empfindlicheres Gerät aufweist, welches auch Hochimpedanzfehler erkennt und beseitigt, jedoch nicht zu ungewünschten Auslösungen aufgrund von normalen unsymmetrischen Lastströmen führt«,

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Postschecks berlin west (BLZ 100 1OO !O) 132736-109 · DEUTSCHEBANKfBLZSOOTOOlO) 6 160 253

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Schutzrelais-Gerät zur Erkennung und Beseitigung von' Fehlern hoher Impedanz bei einem mehrphasigen elektrischen Verteilungsnetz geschaffen'wird, das folgende Merkmale aufweist: eine mehrphasige Quelle für Wechselpotential, ein mehrphasiges Verteilungsnetzwerk, einen Lastkreis, einen ersten Kreistrenner zur Steuerung der Verbindung des Verteilungsnetzwerkes mit der Quelle, einen zweiten Kreistrenner zur Steuerung der Verbindung des Vertexlungsnetzes zum Lastkreis, ersten und zweiten Verhältnis-Erd-Relais am ersten bzw. zweiten Kreistrenner, um den zugehörigen Kreistrenner nach einer vorbestimmten Verzögerungszeit auszulösen, wenn das Verhältnis von zwei Größen, die zum Null-Strom sowie zu einem vorbestimmten Phasenstrom in Beziehung stehen, einen Fehlerzustand anzeigt, und ein Null-Richtungs-Relais am zweiten Schaltkreistrenner zur Koordination von erstem und zweitem Verhältnis-Erd-Relais durch Einstellung der Auslöseverzögerungszeit des zweiten Schaltkreistrenners bezüglich der Auslöseverzögerungszeit des ersten Schaltkreistrenners aufgrund der Fließrichtung der Null-Größe am zweiten Schaltkreistrenner.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt

Fig. 1 teilweise schematisch und teilweise als Blockdiagramm ein verbessertes Schutzrelais-System, das gemäß der Lehren der Erfindung konstruiert ist;

Fig. 2 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Betriebseigenschaften der in Fig. 1 dargestellten Verhältnis-Erd-Relais ;

Fig. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Betriebseigenschaften des in Fig. 1 dargestellten Null-Richtungs-Relais ;

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Fig. 4 ein detailliertes Blockdiagramm eines neuartigen Verhältnis -Erd- Relais, das anstelle des in Fig. 1 dargestellten Verhältnis-Erd-Relais benutzt werden kann;

Fig. 5 ein detailliertes Blockdiagramm einer anderen neuartigen Verhältnis-Erd-Relaisanordnung, die anstelle des in Fig. 1 dargestellten Verhältnis-Erd-Relais benutzt werden kann; und

Fig. 6 ein detailliertes Blockdiagramm eines Null-Richtungs-Relais, das anstelle des in Fig. 1 dargestellten Gleichrxcht-Relais benutzt werden kann.

Kurz gesagt, zeigt die vorliegende Beschreibung ein verbessertes Schutzrelaxs-Gerät für mehrphasige elektrische Verteilungsnetzwerke, das einen empfindlicheren Erdfehlerschutz liefert und Hochimpedanzfehler aufgrund z. B. herabgefallener oder gebrochener Leiter erkennt und isoliert, ohne daß ungewünschte Auslösungen aufgrund von unsymmetrischen Lastströmen auftreten. Das verbesserte Relais-System verwendet erste und zweite Verhältnis-Erd-Relais, die an einem ersten bzw. einem zweiten Kreistrenner angeordnet sind. Das Verhältnis-Erd-Relais ist eine neuartige Schutzrelais-Anordnung, die speziell für dieses verbesserte Relais-System entwickelt wurde. Der erste Kreistrenner ist an der Vertexlungsunterstation angeordnet, während der zweite Kreistrenner im Verteilungsschaltkreis angeordnet ist. Unerwünschtes Auslösen aufgrund von unsymmetrischem Laststrom wird dadurch verhindert, daß die Verhältnis-Erd-Relais so eingestellt werden, daß sie nur eine Auslösezeit anlaufen lassen, wenn der Restoder Erdstrom eine vorbestimmte Mindestgröße überschreitet. Außerdem wird die Höhe des zum Anlauf des Auslösezeitä%laufs erforderlichen Reststromes um den Wert einer vorbestimmten, zum Phasenstrom in Beziehung stehenden Größe erhöht, wie beispielsweise Leitungs- oder Phasenstrom, oder durch die Größe der positiven Komponente der Leitungsströme, wenn dies gewünscht ist.

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Das Relais-System'umfaßt weiterhin ein Null-Richtungs-Relais am zweiten Kreistrenner, um die Örtlichkeit des Hochimpedanzfehlers zu ermitteln. Die Zeitverzögerung, die zur Auslösung des ersten Kreistrenners erforderlich ist, beträgt T1, wobei das Null-Richtungs-Relais eine Zeit T2 auswählt, die kürzer als T1 ist, oder eine Zeit T3, die langer als T1 ist, je nach der Strömungsrichtung einer Null-Größe am zweiten Kreistrenner. Wenn die Strömungsrichtung einen offenen Leiter oder einen Hochimpedanzfehler auf der Lastseite des zweiten Kreistrenners anzeigt, wählt das Null-Richtungs-Relais die Zeit T2 aus, so daß der zweite Kreistrenner vor dem ersten Kreistrenner ausgelöst wird. Wenn sich der offene Leiter oder der Fehler auf der Quellenseite des zweiten Schaltkreistrenners befindet, wird die Zeit T3 ausgewählt, um so zu bewirken, daß der erste Kreistrenner auslöst.

In den Zeichnungen, insbesondere in Fig. 1, ist ein Schutzrelais-System 10 dargestellt, das erfindungsgemäß konstruiert ist. Das Relais-System 10 ist mit einem mehrphasigen Verteilungssystem oder -netz verbunden, das einen ersten Leitungsabschnitt 11 mit einer Mehrzahl von Leitungen a, b und c und einen zweiten Leitungsabschnitt 13 mit Leitern a¹, b¹ und c¹ aufweist. Der erste Leitungsabschnitt 11 ist mit einer mehrphasigen Quelle von Wechselpotential über einen ersten Kreistrenner 52 und Leitern a", b" und c" verbunden. Der erste Leitungsabschnitt 11 ist mit dem zweiten Leitungsabschnitt 13 über einen zweiten Kreistrenner 52' verbunden. Der zweite Kreistrenner 52' kann mit einem (nicht dargestellten) Rückschließ-Relais verbunden sein, und kann daher auch als Rückschließer 52' bezeichnet werden. Der zweite Leitungsabschnitt 13 ist mit einem oder mit mehreren Wye-Delta-Transformatoren verbunden, der (oder die) zwischen den Leitungsleitern a¹, b¹ und c' und einer dreiphasigen Last, wie Transformator 16 angeschlossen ist (sind). Die übrigen Lasten am Leitungsabschnitt 13 sind allgemein mit 18 bezeichnet.

Kreistrenner 52 ist an einer Unterstation angeordnet, während der Rückschließer 52' außerhalb am Verteilungsnetzwerk näher

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an der Last angeordnet ist. Das Relais-System 10 schützt die Leitungsabschnitte 11 und 13, indem es Hochimpedanzfehler aufgrund von herabgefallenen oder gebrochenen Leitern erkennt, die nicht zu Fehlerströmen von ausreichender Größe führen, um durch den normalen Überstrom-Relais-Schutz des Systems erkannt zu werden.

Das Relais-System 1o umfaßt erste und zweite Verhältnis-Erd-Relais 60 und 60', die am ersten bzw. zweiten Kreistrenner 52, 52' angeordnet sind. Das Verhältnis-Erd-Relais 60 reagiert auf den Null-Strom (Rest- oder Erdstrom), der auch als 31 bezeichnet wird und am Kreistrenner 52 fließt, sowie auch gegenüber den Phasen- oder Leitungsströmen, die in den Leitern a", b" und c" fließen. Die von den Phasenströmen abhängigen Signale werden von einer Mehrzahl von Stromtransformatoren CT1, CT2 und CT3 geliefert, die bezüglich ihrer Primärwicklungen gemäß den Phasenströmen in den Leitern a", b" und c" erregt werden. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren CT1, CT2 und CT3 sind zwischen einem neutralen Leiter 20, der gemäß der Darstellung geerdet sein kann, und Ausgangsanschlüssen 22, 24 und 26 gemäß dem Wye-Schema angeschlossen. Die Ausgangsströme der Stromtransformatoren CT1, CT2 und CT3 können mit Hilfe von Transformatoren T1, T2 und T3 weiter herabtransformiert und zu Spannungssignalen umgewandelt werden, wobei diese Transformatoren T1, T2 und T3 mit ihren Primärwicklungen zwischen einem neutralen Leiter 28 und Ausgangsanschlüssen 22, 24 und 26 Wye-angeschlossen sind. Der neutrale Leiter 28 ist mit dem neutralen Leiter 20 über die Primärwicklung eines Erdstromtransformators T4 verbunden, über den Sekundärwicklungen der Transformatoren T1, T2, T3 und T4 sind Widerstände angeschlossen, die Signale I „, I. „, I „

Q. JJ C

und 31 aufgrund der Phasenströme und des Null-Stromes liefern.

Da die Signale I , I, , I und 31 für das zweite Verhältnis-Erd-Relais 60' in der gleichen Weise geliefert werden können, wurder den Stromtransformatoren zur Lieferung dieser Signale die gleichen Bezugszahlen gegeben, allerdings mit einem Strich als Markierung. Eine nähere Erläuterung ist bezüglich dieser Signale entbehrlich.

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-⁸- 2 3 O O 6 5 ^

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die die Betriebseigenschaften der Verhältnis-Erd-Relais 60 und 60' erläutert, Fig.

zeigt den Strom 31 auf der Ordinate und den Phasenstrom Ιο φ

auf der Abszisse. Relais 61 und 61' sind so eingestellt, daß sie auf einem vorbestimmten minimalen Wert M für den Strom 31

in Tätigkeit treten, wobei der für die Lieferung eines Auslöse— signals zur Zeitablauf-Einleitung erforderliche Pegel durch den Phasenstrom gemäß der Verhältniseinstellung S erhöht wird, die auf dem Relais ausgewählt ist. Die ausgewählte Einstellung von M und S legen den Ort der Kurve 30 fest, die einen anfänglichen horizontalen Teil 32 besitzt, welcher von dem Wert M festgelegt wird, sowie einen Teil 34, der von dem Wert S festgelegt wird. Das Verhältnis S kann dazu benutzt werden, den Phasenstrom zu reduzieren, wodurch S kleiner als 1 ist, oder es kann dazu benutzt werden, den 31 -Strom zu erhöhen, wodurch S größer als 1 wird. Wenn die Größe des 31 -Stromes für einen gegebenen Phasenstrom oberhalb der Kurve 30 liegt, liefert das Relais ein Auslösesignal, das den Auslöse-Zeitablauf beginnen läßt.

Beispielsweise kann M ungefähr 2 1/2 bis 5 % der normalen minimalen Phasenrelais-Auslöse-Einstellung betragen. Die Größe von S kann bei ungefähr 25 bis 40 % des Leitungsstromes liegen.

Die Größe des Stromes 31 kann getrennt mit jedem Phasenstrom verglichen werden, oder die drei Phasenströme können so verarbeitet werden, daß sie eine positive Stromkomponente liefern, die mit dem Strom 31 verglichen wird. Ein Auslösesignal wird abgegeben, wenn irgendein Vergleich in den Auslösebereich der in Fig. 2 dargestellten Betriebscharakteristika fällt.

Ein von dem Verhältnis-Erd-Relais 60 geliefertes Auslösesignal erregt einen Zeitverzögerungskreis 62, wie beispielsweise einen Schaltkreis, wie er unter der Bezeichnung TD-5 von der Firma Westinghouse Electric Corporation in der Druckschrift I.L. 41-579.1K veröffentlicht wurde. Wenn die Bedingungen, die das Verhältnis-Erd-Relais 60 veranlassen, ein Auslösesignal zu

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geben, für die Zeitverzögerungseinstellung T1 des Zeitverzögerungskreises 62 fortdauern, liefert der Kreis 62 ein Signal an den Auslösekreis 36 des Kreistrenners 52, wodurch der Kreistrenner 52 zur Auslösung und zum Öffnen seiner Kontakte gebracht wird, um beide Leitungsabschnitte 11 und 13 von der Quelle 12 abzutrennen.

Der zweite Verhältnis-Erd-Relais 60', das mit dem zweiten Kreistrenner 52 in Verbindung steht, ist mit dem ersten Verhältnis-Erd-Relais 60 durch ein Null-Richtungs-Relais 67 koordiniert. Relais 67 ist am Rückschließer 52' angeordnet und reagiert auf die Fließrichtung der Null-Komponente am zweiten Kreistrenner, wie beispielsweise auf den Null-Strom oder auf eine Null-Leistung. Das Relais 67 stellt fest, ob ein vom Verhältnis-Erd-Relais 60' ermittelter Fehler auf der Quellenseite des Rückschließers 52' oder auf der Lastseite sich befindet. Mit anderen Worten, es wird festgestellt, ob sich der Fehler im Leitungsabschnitt 11 oder im Leitungsabschnitt 13 befindet. Das Richtungs-Relais 67 erhält ein Signal, das von der Leitungsspannung abhängig ist, über die Potentialtransformatoren PT1, PT2 und PT3. Diese Potentialtransformatoren sind mit ihren Primärwicklungen in Wye-Weise an den Leitern a¹, b¹ und c¹ des Leitungsabschnitts 13 angeschlossen, wobei der neutrale Leiter geerdet ist. Die Sekundärwicklungen sind in Wye-Art an den Anschlüssen 38, 40 und 42 angeschlossen, wobei der neutrale Leiter geerdet ist. Eine andere Stufe der Spannungstransformatxon kann durch Transformatoren T5, T6 und T7 geliefert werden, die mit ihren Primärwicklungen in Wye-Weise an den Anschlüssen 38, 40 und 42 angeschlossen sind, wobei der neutrale Leiter geerdet ist. Die Sekundärwicklungen sind in Wye-Art an dem Richtungs-Relais 67 angeschlossen, um Spannungssignale V ,, V., und V , zu liefern, die von

a Jd c

den Leitungsspannungen a¹ , b¹ bzw. c¹ abhängig sind. Der neutrale Leiter ist geerdet.

die auf den Strom 31 reagiert, wobei dieses Signal vom Trans-

Das Richtungs-Relais 67 reagiert auch auf eine Signalspannung, die auf den Strom 31 reagiert, wc
-formafeor T4' -erhalten-werden kann-

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- ro -

Das Richtungs-Relais 67 summiert die Spannungen V ,, V_K, und

ei JD

V₁. Wenn die Spannungen ausgeglichen sind, ist die Summe Null. Wenn sie unausgeglichen sind, zeigt die Summe die Null-Spannungs komponente, die phasenmäßig mit der Spannung 31 verglichen wird, die von der Null-Komponente des Stromes festgelegt wird. Das algebraische Zeichen des Phasenwinkelvergleichs zeigt die Richtung des Fehlers bezüglich der Lokalisation des Relais.

Der Ausgang des Richtungs-Relais 67 wird einem UND-Verknüpfungsglied 70 zugeführt, das einen invertierenden Eingang und einen nichtinvertierenden Eingang besitzt. Der Ausgang des Richtungs-Relais 67 wird dem invertierenden Eingang zugeführt, während der Ausgang des Verhältnis-Erd-Relais 60' dem nichtinvertierenden Eingang zugeführt wird. Der Ausgang des UND-Gliedes 70 wird einem Zeitverzögerungskreis 62' zugeführt, der eine Zeitverzögerung T2 aufweist, die so gewählt ist, daß sie geringer als die zur Zeitverzögerung 62 gehörende Zeit T1 ist.

Der Ausgang des Verhältnis-Erd-Relais 61' wird auch einem Zeitverzögerungskreis 62" zugeführt, dessen Zeitverzögerung T3 so ausgewählt ist, daß sie größer als die zur Zeitverzögerung 62 gehörende Zeit T1 ist. Die Werte der Zeitverzögerung müssen so gewählt werden, daß sie mit den Überstrom-Einrichtungen der Kreistrenner, Rückschließer, Sicherungen usw. koordiniert sind. Mit anderen Worten, die Zeitverzögerungen müssen .lang genug sein, um den Überstrom-Schutzeinrichtungen die Möglichkeit zu geben, zu arbeiten. Beispielsweise kann die Zeit T1 10 s betragen, während die Zeit T2 z. B. 8 s und die Zeit T3 12 s beträgt .

Die Ausgänge der Zeitverzögerungskreise 62' und 62" werden den Eingängen eines ODER-Gliedes 72 zugeführt, und der Ausgang des ODER-Gliedes 72 wird einem Auslöseschaltkreis 74 zugeführt. Der Auslöseschaltkreis 74.löst den Kreistrenner 52' aus, um den Leitungsabschnitt 13 vom Leitungsabschnitt 11 sowie von der Quelle 12 zu isolieren,, wenn er ein entsprechendes Signal vom^ODER-Glied 72 erhäkt.

Mit der in Fig. 1 dargestellten logischen Schaltung ist das Richtungs-Relais 67 so angeordnet, daß es in Richtung auf die Quelle 12 nach hinten sieht, wie durch den Pfeil D angedeutet. Mit anderen Worten, das Relais liefert ein logisches Null-Signal an seinen Ausgang bei Abwesenheit eines Fehlers im Leitungsabschnitt 11. Ein im Leitungsabschnitt 13 ermittelter Fehler veranlaßt das Relais 67, einen logischen Null-Ausgang beizubehalten. Ein im Leitungsabschnitt 11 ermittelter Fehler veranlaßt das Relais 67 dagegen, ein eine logische Eins darstellendes Ausgangssignal zu liefern.

Beim Betrieb des Relais-Systems 10 wird ein Hochimpedanzfehler im Leitungsabschnitt 11, z. B. aufgrund eines herabgefallenen oder gebrochenen Leiters, das Richtungs-Relais 67 veranlassen, ein eine logische Eins darstellendes Signal zu liefern, das dem invertierenden Eingang des UND-Gliedes 70 zugeführt wird, wodurch dieses Glied blockiert wird. Sowohl das Verhältnis-Erd-Relais 60 als auch das Verhältnis-Erd-Relais 60' werden den Hochimpedanzfehler erkennen und die Zeizablaufglieder 62 und 62" starten. UND-Glied 70 wird verhindern, daß das Signal vom Verhältnis-Erd-Relais 60' dem Zeitverzogerungskreis 62' zugeführt wird. Da die Zeit T1 geringer als die Zeit T3 ist, wird der Zeitverzogerungskreis 62 zuerst auslaufen, wodurch der Kreistrenner 52 veranlaßt wird, auszulösen und den im Leitungsabschnitt 11 lokalisierten Fehler von der Quelle 12 zu isolieren. Wenn der Kreistrenner 52 aus irgendwelchen Gründen nicht ausgelöst wird, beispielsweise deshalb, weil der Fehler in Wahrheit im Leitungsabschnitt 13 liegt oder wegen einer Fehlfunktion des Richtungs-Relais 67 und/oder der zugehörigen logischen Schaltung nicht erkannt wird, wird die Zeitverzögerung 62" auslaufen und den Kreistrenner 52' auslösen.

Wenn der Hochimpedanzfehler sich im Leitungsabschnitt 13 befindet, liefert das Richtungs-Relais 67 eine logische Null an den invertierenden Eingang des UND-Gliedes 70, und ein Signal des Verhältnis-Erd-Relais 60' zur Auslösung des Zeitablaufs wird dem Zeitverzogerungsglied 62' zugeführt, das die kürzeste Ver-

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zögerungszeit der drei Zeitverzögerungsnetzwerke besitzt. Somit wird der Kreistrenner 52' ausgelöst, um den im Leitungsabschnitt lokalisierten Fehler von der Quelle 12 zu isolieren.

Fig. 4 ist ein detailliertes Elockdiagramm eines neuartigen Verhältnis-Erd-Relais 60, das anstelle der in Fig. 1 dargestellten Verhältnis-Erd-Relais 60 bzw. 60' benutzt werden kann. Das auf den Erdstrom reagierende Signal 31 wird durch ein Bandpaßfilter 100 hindurchgeführt, dessen Mittenfrequenz 60 Hz beträgt, um Störimpulse aus dem Signal zu entfernen. Das sich ergebende Signal wird um Verstärker 102 verstärkt und in einem Vollweg-Gleichrichter 104 gleichgerichtet, um eine auf die Höhe des Masse- oder Null-Stromes reagierende Gleichspannung zu erhalten. Das gleichgerichtete Signal wird durch einen Integrator 106 geführt, um die Wellenform zu glätten. Das Bandpassfilter, der Verstärker, der Gleichrichter und der Integrator können jeweils durch Operationsverstärker verwirklicht werden. Das sich ergebende Signal wird einem Vergleicher oder einem Pegeldetektor zugeführt. Das Signal 31 wird mit einer Bezugsspannung innerhalb des Pegeldetektors 108 verglichen, die so ausgewählt ist, daß sie den Wert M in Fig. 2 repräsentiert, d. h. den kleinsten Wert des Null-Stromes, der noch das Verhältnis-Erd-Relais 60 veranlassen kann, eine Zeitauslösung zu starten. Der Pegeldetektor 108 kann auch ein Operationsverstärker sein, wobei der Ausgang des Integrators 106 im einen Eingang dieses Verstärkers und über einen einstellbaren Widerstand eine Spannungsquelle dem anderen Eingang zugeführt wird. Der Widerstand wird so eingestellt, daß der gewünschte Wert von M sich ergibt. Wenn das Signal 31 das Signal M nicht überschreitet, gibt der Operationsverstärker eine logische Null ab, im anderen Falle eine logische Eins. Der Ausgang des Pegeldetektors 108 wird dem einen Eingang eines zwei Eingänge aufweisenden UND-Gliedes 110 zugeführt. Wenn der Strom 31 den gewählten Wert für M überschreitet, wird das UND-Glied 110 eingeschaltet. Wenn der Strom 31 den ausgewählten Wert für M nicht überschreitet, wird das UND-Glied 110 blockiert und das Relais 60 kann kein Signal liefern, das zu einem Auslöse-Zeitablauf führen würde.

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Die Phasen- oder Leitungsstromsignale I , I, und I werden je-

a D c _t

weils unabhängig in einer Weise verarbeitet, die ähnlich zu der ist, die bezüglich des Signals 31 beschrieben wurde, und zwar bis zu und einschließlich dem Integrator 106. Diesen Funktionen für die Verarbeitung der Phasenstromsignale wurden daher die gleichen Bezugszahlen gegeben und sind hier nicht weiter erläutert.

Das verarbeitete Stromsignal 31 wird von einem Multiplikator mit einem festgelegten Multiplikationsfaktor S (S > 1) in einem Verhältnisauswähler 112 erhöht. Der Ausgang des Verhältnisauswählers 112 wird mit dem Pegel eines jeden Phasenstromes, wie er von den Ausgängen der Tiefpaßfilter 106 erhalten wird, in Vergleichern 114 verglichen. Wenn das Signal, das auf den mit S multiplizierten Strom 31 reagiert, eines der von den Phasenströmen abhängigen Signale im Vergleieher 114 überschreitet, wird der zugehörige Komparator 114 ein eine logische Eins darstellendes Signal abgeben. Wenn das Signal 31 S kleiner als das vom Phasenstrom abhängige Signal ist, werden die Komparatoren 114 ein eine logische Null darstellendes Signal abgeben. Die Ausgänge der Komparatoren 114 werden einem ODER-Glied 116 zugeführt, und der Ausgang des ODER-Gliedes 116 wird dem verbleibenden Eingang des UND-Gliedes 110 zugeführt. Wenn somit der Strom 31 den vorbestimmten minimalen Pegel M überschreitet, wird das UND-Glied 110 eingeschaltet, und wenn der Strom 31 S irgendeinen Leitungsstrom überschreitet, wird das UND-Glied ein eine logische Eins darstellendes Signal abgeben., um den Zeitablauf auszulösen.

Eine Auslösung tritt ein, wenn 31 S irgendeinen Phasenstrom I erreicht oder überschreitet (31 S? I), wenn man annimmt, daß 31 den minimalen Wert M überschreitet. Dieser Zusammenhang kann auch durch den Ausdruck 31 > ^- beschrieben werden, wodurch

O ο

angedeutet wird, daß anstelle der Erhöhung von 31 um den Fak-

1 tor S auch jeder Phasenstrom um den Faktor ^- für Vergleichszwecke

mit 31 reduziert werden kann»

Fig. 5 ist ein detailliertes Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verhältnis-Erd-Relais 60. Anstatt den Strom 31 mit jedem Phasenstrom zu vergleichen, erzeugt diese alternative Ausführungsform eine positive Stromkomponente I , die auf die drei Phasenströme I , I, und I a a j3 c

reagiert. Die positive Stromkomponente I wird mit dem Strom

31 verglichen, so daß nur ein einziger Vergleich erforderlich ist, statt drei Vergleichen, wodurch die erforderliche Hardware erheblich reduziert wird. Der Strom 31 wird um das Verhältnis

S¹ erhöht, wobei S'> 1, oder die positive Stromkomponente wird um den Faktor ·=■ vermindert, bevor der Vergleich durchgeführt wird. Das Verhältnis wird als S¹ bezeichnet, da es gegenüber dem bei der ersten Ausführungsform verwendeten Verhältnis S bei äquivalenter minimaler Auslöse-Empfindlichkeit unterschiedlich ist, wenn man im wesentlichen ausbalancierte Lastströme für die nicht mit Fehler behafteten Phasen annimmt.

Genauer gesagt, die drei Leitungsströme I , I, und I sind mit-

a ίο c

einem Positiv-Folge-Filter 118 verbunden, das beispielsweise aus Operationsverstärkern aufgebaut ist, wobei das Filter die positive Stromkomponente I_, erzeugt. Dieses Signal wird durch

el

ein Bandpaßfilter 1OO^f geführt, um Störimpulse zu beseitigen, und dann in einem Verstärker 102' verstärkt, in einem Gleichrichter 104' gleichgerichtet und dann seine Wellenform in einem Integrator 106' geglättet, wonach das sich ergebende Signal dem einen Eingang eines Vergleichers 114¹ zugeführt wird.

Der Strom 3± wird in der gleichen Weise verarbeitet, wie es bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform geschehen ist, wobei der Verhältnis-Selektor 112' die Signalgröße um den Faktor S¹ anstelle des Faktors S erhöht. Wenn der Strom 31 den Minimalwert M überschreitet, was im Pegeldetektor 108* ermittelt wird, schaltet der Pegeldetektor das UND-Glied 110¹ durch Anlegen einer logischen Eins an eines der beiden Eingänge dieses UND-Gliedes ein. Wenn der Wert von 3IS¹ I _β erreicht oder über-

o a

schreitet, was im Vergleicher 114' ermittelt wird, gibt der Vergleicher 114' eine logische Eins an den verbleibenden Ein-

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gang des UND-Gliedes ab. Wenn sowohl der Pegeldetektor 108' als auch der Komparator 114' logischen Einsen darstellende Signale abgeben, gibt das UND-Glied 110' ein eine logische Eins darstellendes Signal ab, um den bereits bezüglich Fig. 1 beschriebenen Auslösezeitablauf einzuleiten.

Fig. 6 ist ein detailliertes Blockdiagramm eines Richtungs-Relais 67, das anstelle des in Fig. 1 dargestellten Null-Richtungs-Relais 67 benutzt werden kann. Die Spannungen V , V, und V , die die Leitungsspannungen repräsentieren, sowie die Spannungen 31 , die den Null-Strom darstellen, werden jeweils über ein Bandpaßfilter 120 geführt und in Verstärkern 122 verstärkt. Die verstärkten Signale, die auf die Leitungsspannungen reagieren, werden in Ädditionseinrichtungen 124, wie beispielsweise in einem Operationsverstärker oder in einem Widerstandsaddiernetzwerk addiert. Wenn die Spannungen ausgeglichen sind, ist die Summe Null. Wenn ein offener Leiter oder ein Hochimpedanzfehler vorhanden ist, wird die Summe die Null-Komponente der mehrphasigen Spannung repräsentieren. Die Wellenform einer jeden Null-Spannung, die am Ausgang des Addierers 124 erscheint, wird in einer Wellenformquadriereinrichtung 126 quadriert und der Ausgang der Wellenformquadriereinrichtung 126 einem Phasenwinkeldiskriminator 128 zugeführt.

Das auf den Null-Strom reagierende verstärkte Signal 31 wird einem Phasenschiebernetzwerk 130 zugeführt, wobei der Wert der Phasenverschiebung gemäß der gewünschten Steigung der Kennlinie, siehe Fig. 3, ausgewählt wird. Das phasenverschobene Signal wird dem Phasenwinkeldiskriminator 128 zugeführt. Das Phasenschiebernetzwerk 130 kann einen Operationsverstärker verwenden, oder es kann gemäß einem Phasenschiebernetzwerk konstruiert sein, das in der Fig. 2 der US-Patentschrift 32 95 019 dargestellt ist. Diese US-Patentschrift zeigt im übrigen auch einen Wellenformquadrierschaltkreis, der verwendbar ist, jedoch kann ebenso gut auch, wenn gewünscht, ein Operationsverstärker benutzt werden.

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Der Phasenwinkeldiskriminator 128 kann ein phasenempfindlicher Gleichrichter sein, bei dem die Phase des Leitungsspannungssignals eine Torsteuerung für das Signal liefert, das dem Null-Strom durch einen den zwei Schaltkreise entspricht, von denen einer einen negativen Ausgang und der andere einen positiven Ausgang liefert. Das sich ergebende Signal wird durch ein Tiefpaßfilter gegeben, um eine positive oder negative Gleichspannung zu erhalten, die wiederum einem Pegeldetektor zugeführt wird, um ein logisches Null-Signal zu erhalten, wenn der Eingang negativ ist, oder ein eine logische Eins darstellendes Signal, wenn das Eingangssignal positiv ist.

Statt auf die Fließrichtung des Null-Stromes zu reagieren, kann der Phasenwinkeldiskriminator 128 auch so konstruiert werden, daß er einen Ausgang liefert, der auf der Fließrichtung der Null-Leistung basiert. In diesem Falle kann der Wellenformquadrierkreis 126 beseitigt werden, wobei die Ausgänge des Addierers 124 und des Phasenschiebers 130 im Phasenwinkeldiskriminator 128 multipliziert werden. Das Ergebnis ist positiv, wenn der Winkel im ersten und vierten Quadranten liegt, und negativ, wenn der Winkel sich im zweiten oder dritten Quadranten befindet.

Eine andere Form eines Phasenwinkeldiskriminators mit einem Gleichstromausgang, der durch seine Polarität eine Richtungsanzeige des Leistungsflusses liefert, ist in Fig. 2 der US-Patentschrift 33 12 864 dargestellt.

Unabhängig davon, welches Phasenwinkelerkennungsverfahren benutzt wird, wird der Phasenwinkeldiskriminator 128 so angeordnet, daß er ein eine logische Eins darstellendes Signal liefert, wenn die Strömungsrichtung der Null-Größe einen Fehler im Leitung sabschnitt 11 anzeigt, während er ansonsten ein eine logische Null darstellendes Signal liefert. Das eine logische Eins darstellende Signal wird einem Zeitschaltkreis 132 zugeführt. Wenn das eine logische Eins darstellende Signal für eine vorbestimmte Zeitperiode andauert, wie beispielsweise 4,16 ms, liefert es ein Ausgangssignal an einen Puls-Ersteckungsschaltkreis 134, der

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beispielsweise ein monstabiler Multivibrator sein kann, wodurch sich ein eine logische Eins darstellendes Ausgangssignal von ausreichender Dauer ergibt, um das UND-Glied 70 lang genug zu blockieren, um dem Zeitverzögerungs-Schaltkreisen 62 und 62" zu ermöglichen, in Betrieb zu gehen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß ein neues und verbessertes Schutzrelais-System geschaffen wurde, das einen empfindlicheren Erdfehlerschutz ergibt, ohne störendes Auslösen aufgrund von normalen unsymmetrischen Lastströmen. Die Lastströme in den fehlerfreien Phasen liefern die Betriebsgröße für ein Verhältnis-Erd-Relais, um eine Trennung in einer fehlerhaften Phase zu ermitteln, selbst bei Abwesenheit wegen eines Erdfehlerstromes, Durch geeignete Einstellung der Werte für M und S, die gemäß den Belastungsuntersuchungen für ein bestimmtes Verteilungsnetz eingestellt werden können, unterscheidet das beschriebene Schutzrelais-Gerät zwischen Hochimpedanzfehlern, wie sie durch gebrochene oder heruntergefallene Leiter verursacht sein können, und normalen unsymmetrischen Lastströmen.

ES/jn 3

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Claims

drying. Ernst Stratmann

PATENTANWALT
D-4OOO DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9 2300654

47,573
7872

Düsseldorf, 8. Jan. 1979

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

,Patentansprüche ;

Schutzrelais-Gerät zur Erkennung und Isolierung von Hochimpedanzfehlern in einem mehrphasigen elektrischen Verteilungsnetzwerk, das eine mehrphasige Quelle für Wechselpotential, ein mehrphasiges Verteilungsnetzwerk, einen Lastkreis, einen ersten Kreistrenner zur Steuerung der Verbindung des Verteilungsnetzwerkes mit der Quelle und einen zweiten Kreistrenner zur Steuerung der Verbindung des Verteilungsnetzwerkes mit dem Lastkreis aufweist, gekennzeichnet durch erste und zweite Verhältnis-Erd-Relais (60, 6O¹; Fig. 1, 4 oder 5) am ersten (52) bzw. zweiten (52') Kreistrenner, um den zugehörigen Kreistrenner (52, 52') nach einer vorbestimmten Verzögerungszeit auszulösen, wenn das Verhältnis von Größen, die zum Null-Strom und einem vorbestimmten Phasenstrom in Beziehung stehen, einen Fehlerstrom anzeigt, und durch ein Null-Richtungs-Relais (67; Fig. 1 oder 6) am zweiten Kreistrenner (52¹) zur Koordination des ersten und zweiten Verhältnis-Erd-Relais (60, 60') durch Einstellung der Ausloseverzogerungszeit des zweiten Kreistrenners (52¹) bezüglich der Ausloseverzogerungszeit des ersten Kreistrenners (52) aufgrund der Fließrichtung der Null-Größe am zweiten Kreistrenner (52').

•2. Schutzrelais-Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnis-Erd-Relais (60, 60') zwischen einer unsymmetrischen Last und einem Hochimpedanzfehler unter-

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scheiden, indem sie auf die Größe des Null-Stromes reagieren, wobei eine vorbestimmte Minimalgröße erforderlich ist, um den verzögerten Zeitablauf einzuleiten, und wobei die zur Einleitung des Zeitverzögerungsablaufs erforderliche Größe erhöht wird durch eine zum Phasenstrom in Beziehung stehende Größe gemäß der Verhältnis-Einstellung des Relais.

3. Schutzrelais-Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Verhältnis-Erd-Relais (60) Verzögerungseinrichtungen (62) umfaßt, die erfordern, daß der ermittelte Fehlerstrom für eine Zeit T1 fortdauert, bevor der erste Kreistrenner (52) ausgelöst wird, und daß das zweite Verhältnis-Erd—Relais (6O¹) Verzögerungseinrichtungen (62¹, 62") UT" "aßt, die auf das Null-Richtungs-Relais reagieren, um den zweiten Kreistrenner (52¹) auszulösen, wenn ein Fehler auf der Lastseite für eine Zeitdauer T2 fortbesteht, wobei die Zeit T2 kürzer als die Zeit T1 ist, und daß der zweite Kreistrenner ausgelöst wird, wenn ein Fehler auf der Quellenseite für eine Zeit T3 fortbesteht, die langer als die Zeit T1 ist.

4. Schutzrelais-Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Phasenstrom bezogene vorbestimmte Größe das Minimum der Phasenströme (M, Fig. 4) ist.

5. Schutzrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Phasenstrom bezogene vorbestimmte Größe die positive Komponente der Phasenströme (I₁, Fig. 5) ist.

CL

Beschreibung:

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