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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

·- JVr 291647 -. KLASSE 21c. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 18. Oktober 1913 ab.

Bei elektrischen Kraftübertragungen werden gewöhnlich getrennte Stromkreise angelegt, deren jeder so bemessen ist, daß er bei einer Störung in dem anderen Strömkreis· allein die gesamte bzw. den größten Teil der Leistung zu übertragen vermag, damit eine Unterbrechung des Betriebes nach Möglichkeit vermieden wird. Es ist jedoch klar, daß sich hierdurch die Kosten der Anlage sowie ihre Erhaltung wenn auch nicht verdoppeln, so doch ganz wesentlich verteuern. Die Erfindung bezweckt nun, Mehrphasenstrom-Kraftübertragungsanlagen derart auszubilden, daß bei Störungen bzw. Auftreten von Defekten in einer Phase nicht sämtliche Phasen

!5 bzw. der ganze Stromkreis abgeschaltet werden, sondern nur die fehlerhafte Phase allein und dies des weiteren in der Art, daß die Kraftübertragung im Verteilungsnetz in unveränderter Weise aufrechterhalten bleibt.

Zu diesem Zwecke wird jede Phase der Übertragungsleitungen so verlegt, daß bei Auftreten eines Fehlers kein Durchschlag nach einer der anderen Phasen erfolgen kann, sondern nur nach einem Körper, der auf der ganzen Länge der Leitung gleichen Potentialabstand von allen Phasen besitzt, gleichsam also zu einem Nulleiter. Zwischen den Transformatorstationen wird ein besonderer Leiter verlegt, der an beiden Enden mit einem neutralen Punkte der Transformatoren verbunden wird. Nach Abschalten einer defekten Phase übernimmt dann dieser besondere Leiter die Rückleitung des unbalancierten Stromes der fehlerfreien Phasen, so daß keine einphasige Speisung eintritt. Eine Vereinfachung kann dadurch erreicht werden, daß der neutrale Körper, nach dem der Durchschlag der fehlerhaft gewordenen Leitung erfolgen soll, der Nulleiter zwischen den neutralen Punkten der Transformatoren ist.

Für die richtige Wirkungsweise einer derartigen Anordnung ist es erforderlich, daß jede Phase der Kraftübertragung auf beiden Seiten einzeln für sich und unabhängig von den übrigen Phasen abschaltbar eingerichtet wird. Auch müssen die Transformatoren sowohl in der Ausgangswie in der Endstation so geschaltet werden, daß nach Abschaltung einer Spannungsphase der Übertragung die Energieabgabe der Transformatoren an das Verteilungsnetz in der ursprünglichen Phasenzahl bestehen bleibt. Gemaß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß eine elektrische Verkettung jeder einzelnen Phase des Transformators mit den übrigen hergestellt wird, wie noch später erläutert werden soll. .

Um den erwähnten Durchschlag zweier Phasen zueinander zu verhindern, können mannigfaltige Maßnahmen getroffen werden. Bei Freileitungen könnten z. B. die Leitungen nicht übereinander verlegt werden, so daß die Berührung von Leitungen bei Herabfallen einer derselben vermieden wird. Bei Kabeln würde es sich zweckmäßig-erweisen, für jede Phase ein besonderes Kabel (Einphasenkabel) zu verlegen. DieDurchschlagsrichtung der einzelnen Phasen nach dem neutralen Körper kann dadurch fixiert werden, daß ζ. B. bei Freileitungen die Nullpunkte der Primärtransformatoren mit Erde bzw. bei Kabeln mit Erde oder mit dem Bleimantel der Kabel verbunden werden. Um die Erde bzw. die Bleimäntel in der beschriebenen Weise als Rückleitung benutzen zu können, werden die Neu-

' tralen der Sekundärtransformatoren gleichfalls mit Erde bzw. den Bleimänteln verbunden. Bei Verwendung einer besonderen Rückleitung wäre dies nicht erforderlich, Und es würde genügen, die Neutralen der Transformatoren auf beiden Seiten an diese Rückleitung anzuschließen.

Die selbsttätige Abschaltung der einzelnen Phasen an beiden Enden im Falle einer Störung

ίο kann durch Verwendung eines Hilfskabels und des Differentialschutzes erreicht werden. Die Erfindung sieht für diesen Zweck eine besonders einfache Abschaltvorrichtung ohne Hilfsleitungen zwischen den Enden jeder Phasenleitung vor, die im späteren beschrieben werden soll.

In den Fig. 1 und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar im besonderen für ein dreiphasiges Übertragungssystem.

i, 2, 3 sind die Übertragungsleitungen für die einzelnen Phasen, die durch Schalter 4, 5, 6 bzw. 7, 8, 9 auf beiden Seiten abschaltbar sind. Zu beiden Seiten der Übertragungsleitungen sind die Neutralen der an jene angeschlossenen Wickhingen der Transformatoren 10, 11 bzw. 12, 13 an eine besondere Leitung 14 gelegt, die bei Abschaltung einer Phase den Rückstrom der anderen beiden Phasen übernimmt, so daß diese letzteren aufrechterhalten bleiben und keine einphasige Speisung eintritt. Die Rückleitung 14 kann, wie bereits früher erwähnt, auch fortfallen, wenn für eine gute Erdung der Neutralen in den Endstationen gesorgt wird; der Rückstrom wird dann durch die Erde geleitet.

Um zu erreichen, daß die Drehstromübertragung auf der Sekundärseite der Verteilungstransformatoren 12, 13 unverändert bestehen bleibt, wenn eine Phase der Übertragungsleitungen i, 2, 3 abgeschaltet wird, sind die einzelnen Phasen elektrisch miteinander verkettet. Die elektrische Verkettung der einzelnen Phasen ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dadurch erreicht, daß in der Ausgangsstation die Primärwicklung der Transformatoren 10, 11 in Dreieck, die Sekundärwicklung in Stern, auf der Endstation hinwieder die Primärwicklung der Transformatoren 12, 13 in Stern und die Sekundärwicklung in Dreieck geschaltet ist. Die gleiche Wirkung läßt sich bei Stern-Stern geschalteten Transformatoren dadurch erreichen, daß für eine anderweitige elektrische Verkettung der Phasen untereinander gesorgt wird. Dies könnte z. B. durch eine dritte in Dreieck geschaltete Wicklung geschehen, wie sie in Fig. 1 für die Transformatoren 12, 13 der Endstation angedeutet ist.

Die Verkettung der Phasen wirkt in folgender Weise.

Tritt z. B. eine Störung in der Phase 1 des Beispiels der Fig. 1 auf, so wird die Stromverteilung auf der Sekundärseite der Verteilungstransformatoren 12, 13 in unveränderter Weise und mit der ursprünglichen Phasenzahl dadurch aufrechterhalten, daß die Hilfswicklung auf der Primärseite der Verteilungstransformatoren 12, 13 auch den Kern der Wicklung der defekt gewordenen und abgeschaltenen Phase 1 induziert. Der in diesem Kern erzeugte Kraftfluß entspricht demjenigen, der bei ungestörter Phase 1 durch die zugehörige Wicklung erzeugt würde. Dadurch wird aber die Phase 1 der Sekundärseite der Verteilungstransformatoren 12, 13 in unveränderter Weise aufrechterhalten. In der Speiseleitung ist die Stromführung nunmehr zweiphasig (2, 3) und entsprechend erhöht, die überschüssige Leistung wird jedoch durch die ' Hilfswicklung auf der Primärseite der Verteilungstransformatoren 12,13 zur Speisung der gestörten ersten Phase übertragen.

Sind, wie im Beispiel der Fig. 2, die Verteihmgstransformatoren 12, 13 primär in Stern und sekundär in Dreieck geschaltet, so kann eine Hilfswicklung entsprechend der auf der Primärseite des ersten Beispiels wegfallen.

Nimmt man wieder eine Störung in der Phase 1 der Speiseleitung an, so wird der in den Phasen 2 und 3 der Sekundärseite der Verteilungstransformatoren 12, 13 induzierte Strom auch die Wicklung der Phase 1 bzw. die gesamte Phase 1 der Verteilungsstation durchfließen und sich über diese Phase schließen, so daß auch in diesem Falle die Stromverteilung auf der Sekundärseite der Verteilungsstation unverändert aufrechterhalten bleibt. Auch in diesem Fall ist die Stromführung in der Speiseleitung zweiphasig (2, 3) und entsprechend erhöht.

Aus analogen Gründen wie im Falle des Beispiels 2 auf der Verteilungsstation ist es in beiden Fällen (Fig. 1 und 2) notwendig, auf der Ausgangsstation Dreieck-Sternschaltung oder Stern-Sternschaltung mit Hilfswicklung zu verwenden.

15, 16 seien Generatoren in der Ausgangsstation, 17, 18 seien Motoren, die in der Endstation angeschlossen sind. Selbstverständlich kann aber die beschriebene Schalteinrichtung für beliebige andere Zwecke verwendet werden.

Bei Freileitungen bestehen die auftretenden Störungen bzw. Defekte in den weitaus haufigsten Fällen in Kurzschluß nach Erde. Bei Einphasenkabeln, wie sie für die Kraftübertragungsanlage nach der Erfindung am vorteilhaftesten zur Verwendung gelangen, wird der Kurzschluß gleichfalls vorwiegend nach Erde bzw. nach dem Bleimantel des Kabels, falls ein solcher vorhanden ist, erfolgen. Ein derartiger Defekt wird auch in der überwiegenden Zahl der Fälle nicht gleichzeitig in mehreren Leitungen auftreten. Wird nur eine Leitung gestört, so tritt die Einrichtung nach der Erfindung zum Aufrechterhalten des Betriebes in

Tätigkeit. Die Stromverteilung im Falle von Störungen, insbesondere Kurzschlüssen in den Übertragungsleitungen i, 2, 3 einerseits oder in dem äußeren Netz andererseits, an das die Übertragungsleitungen angeschaltet sind, wird sich in den. einzelnen Phasen der Übertragungsleitung folgendermaßen gestalten.

Werden die Phasen der Übertragung mit I, 2, 3 bezeichnet und bedeuten J₁, /₂, J₃ die Stromstärken in den betreffenden Phasen, so bestehen für die in Fig. 1 dargestellte Kraftübertragung mit Stern-Stern geschalteten Transformatoren 12, 13 auf der Empfangsstation und Rückleitung 14 folgende Gleichungen:

Defekt in 1: J₁- /₂. > o,

Ji- /₃>°.

/2 — /3=0·

Defekt in 2: /₂ — /₃ > 0,

Ji-Ji > o,

/3 /1 — °-
Defekt in 3: /₈ — J₁ > 0,

/3 — A>o,

Tritt dagegen ein Kurzschluß in dem Verteilungsnetz, also außerhalb der Übertragungslinien i, 2, 3 ein, so erhält man für die Ströme in der Übertragungslinie stets Beziehungen von folgender Form, bei der ein Kurzschluß zwischen den Phasen 2 und 3 angenommen ist, so daß diese gleichsam stärker belastet sind als die ungestörte Phase ι:

/1 —A<o,

Jx- A<o,

/2 — /3 = 0.

Der Unterschied der letzteren Formel gegenüber den zuerst angeführten besteht darin, daß bei Kurzschluß in der Übertragungsleitung 1,2,3 für die betroffene Phase zwei Stromdifferenzen auftreten, die größer als Null sind, während sie bei einem Kurzschluß außerhalb der Übertragungslinien I, 2, 3 kleiner als Null sind. In dem vorliegenden Fall der Doppelsternschaltung der Empfangstransformatoren 12, 13 (Fig. 1) wird also im Fall einer Störung in einer Übertragungsleitung der Strom in dieser gestörten Phase, und zwar auf beiden Enden der Linie, größer sein als der Strom in den beiden anderen Phasen, während sich der Kurzschlußstrom bei einem Kurzschluß in dem äußeren Verteilungsnetz gleichmäßig auf zwei Phasen der Übertragungsleitung verteilt.

Dementsprechend muß auch die Abschalt e-Vorrichtung für die einzelnen Phasen der Übertragungslinie derart ausgebildet werden, daß sie bei Überstrom in einer Phase diese abschaltet, während sie bei Überstrom in zwei Phasen die Übertragüngslinie eingeschaltet beläßt. Die entsprechende neue Abschaltvorrichtung kann in verschiedener Weise ausgebildet werden.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 werden auf jeder Seite der Übertragung 3 Magnetpaare angewendet, deren bewegliche Kerne miteinander mechanisch verbunden sind und einen Umschalter in Tätigkeit setzen können. Die Spulen der Magnete werden durch die Ströme in den Übertragungslinien erregt, Und zwar beide zu zwei gekuppelten Kernen gehörige Spulen von verschiedenen Phasen. Der gemeinsame Kern wird daher, wenn die Spulen von verschiedenen Stromstärken durchflossen werden, nach der stärker erregten Spule hin bewegt werden. Die von den Kernen betätigten Umschalter schalten den Auslösestromkreis der Linienschalter ein oder aus. Die Umschalter sind derart eingerichtet, daß die Auslösespule für den Linienschälter einer Phase dann erregt wird, wenn zwei Kernpaare von beiden Spulen dieser Phase angezogen werden (Kurzschluß auf der Linie), während ein Linienschalter nicht betätigt wird, wenn zwei Kernpaare von den beiden Spulen zweier Phasen angezogen werden (Kurzschluß im Verteilungsnetz).

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bedeuten 19, 20, 21 bzw. 22, 23, 24 Stromwandler, von denen der Strom den beiden Spulen je einer Phase zugeführt wird. 25, 26, 27 bzw. 28, 29, 30 sind Auslösespulen für die Linienschalter 4, 5, 6 bzw. 7, 8, 9. Sie erhalten ihren Strom von Batterien 31 bzw. 32, von denen Leitungen über je zwei Unterbrechungskontakte der Umschalter zu den Auslösespulen führen.

Tritt ein Kurzschluß in der Phase 1 der Übertragungslinie selbst und damit Überstrom in der zugehörigen Leitung 1 auf, so wird in den von den Stromwandlern 19 bzw. 22. gespeisten Magnetspulen 33, 34 bzw. 35, 36 der Strom und damit deren Anzugskraft gegenüber der der anderen Spulen überwiegen. Die Magnetkerne 38 bzw. 39 werden sich nach oben und die Magnetkerne 40 bzw. 41 nach unten bewegen und damit die Serienkontakte 42, 43 bzw. 44, 45 überbrücken, so daß die Auslösespulen 25 bzw. 28 erregt werden und die Linienschalter 4 und 7 herausfallen.

Würde jedoch Überstrom in den Phasen 1 und 2, also Kurzschluß im Verteilungsnetz auftreten, so würden außer den an die Phase 1 angeschlossenen Magnetspulen auch noch die an die Phase 2 angeschlossenen Magnetspulen 46, 47 bzw. 48, 49 erregt werden. Die Anziehungskräfte der Magnetspulen 33, 47 bzw. 35, 49 würden einander das Gleichgewicht halten, und die Serienkontakte 42 bzw. 44 würden nicht überbrückt werden. Aber auch von den zu den Auslösespulen 26 bzw. 29 gehörigen Serienkontakten 50, 51 bzw. 52, 53 würde der eine (50 bzw. 52) offen bleiben, und keine der Übertragungslinien 1, 2 würde abgeschaltet werden.

Dasselbe Spiel würde sich in den entsprechen-

Claims

den Spulen bei Auftreten von Überströmen je in einer oder in je zwei beliebigen Phasenleitungen ergeben.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung der Energieübertragung mit Stern-Dreieck geschalteten Transformatoren 12,13 auf der Empfangsstation, mit isolierter Rückleitung 14 und an einem Punkt geerdeter Neutralen gelten hinsichtlich der Verteilung der Ströme in den einzelnen Phasen bzw. den an diese angeschlossenen Stromwandlern folgende Gleichungen:

i. Kurzschluß im Verteilungsnetz (Sekundärseite der Empfangstransformatoren 12, 13):

wenn J₁, J₂, J₃ die Ströme in den Phasen und J₀ den Strom in der Rückleitung bezeichnen.
2. Kurzschluß in einer Phase der Übertragungsleitung :

weil der Kurzschlußstrom durch Erde zurückgeleitet wird und demnach der Strom in der NuUeitung die Ströme der übrigen drei Phasen nicht ausbalanciert.

Ferner gilt für beide Fälle die Beziehung, daß die Stromstärke einer Phase stets größer ist als diejenige der beiden anderen Phasen, und zwar, wie ohne weiteres ersichtlich, im Fall 2 die der defekten Phase, im Fall 1 deswegen, weil infolge der Dreieckschaltung der Sekundärseiten der Transformatoren 12, 13 bei einem Kurzschluß zwischen zwei Phasen nur die zwischen diesen Phasen liegende Transformatorwicklung den Kurzschlußstrom aufbringen muß. Die Abschaltevorrichtung besteht demgemäß ähnlich wie die an Hand der Fig. 1 beschriebene aus Gruppen von Doppelspulen, die von verschiedenen Phasen erregt werden und auf je einen gemeinsamen Kern wirken. Außerdem ist noch auf jeder Seite der Übertragungslinie ein Relais 54 angebracht, das lediglich durch die Summe der Ströme

Ji +h +J₃ +J₀

beeinflußt wird und beim Ansprechen den Kontakt 55 schließt.

Bei Kurzschluß im Verteilungsnetz werden nun wohl die Differentialrelais jener Phase arbeiten, die den Kurzschlußstrom liefert, es tritt jedoch keine Abschaltung der Übertragungsleitungen ein, weil das Einzelrelais 54 unerregt und daher der zu diesem gehörige Kontakt 55, der als Serienkontakt für die an die Differentialrelais angeschlossenen Kontakte dient, offen bleibt. Tritt jedoch Kurzschluß in der Linie auf, so schließt auch das Einzelrelais 54 seinen Kontakt 55, und durch die Differentialrelais wird die Auslösespule der defekten Phase unter Strom gesetzt und die defekte Linie selbst ab-, geschaltet.

P.\ tent-An Sprüche:

1. Einrichtung zur Sicherung von Kraftübertragungen mit Mehrphasenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle des Auftretens eines Fehlers in einer Phase der zur Kraftübertragung dienenden Leitungen sich nur die gestörte Phase selbsttätig abschaltet, die Stromverteilung aber in unveränderter Weise und mit der ursprünglichen Phasen- zahl durch besondere Schaltungen, wie selbsttätige Übernahme der Stromführung durch eine Hilfs- oder Reserveleitung, aufrechterhalten bleibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs- oder Reserveleitung eine im normalen Betrieb praktisch spannungs- und stromlose Leitung zwischen den Anfangs- und Endstationen der Kraftübertragung, z. B. die Erde, ist, die auf beiden Enden mit der Neutralen der an die Übertragungsleitungen angeschlossenen Transformatorseiten verbunden ist, und daß die einzelnen Phasen der Transformatoren je mit allen übrigen Phasen elektrisch verkettet sind, z. B. durch verschiedene Schaltung der Primär- und Sekundärseite oder bei gleicher Schaltung durch eine Hilfswicklung.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenleitungen derart zu der Hilfs-^ öder Reserveleitung,

z. B. Erde, angeordnet sind, daß sie im Falle einer Störung, insbesondere zur besseren Ausbildung eines Kurzschlusses, nach ihr überschlagen.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltvorrichtung, die entweder auf beiden Seiten der Übertragungslinie ohne Hilfsleitung zwisehen diesen oder auch nur auf einer Seite vorgesehen werden kann, von den Strömen aller Übertragungsleitungen derart beeinflußt wird, daß sie im Falle einer Störung in einer Phase der Übertragungslinie die fehlerhafte Leitung abschaltet, jedoch bei Störungen außerhalb der Übertragungslinie nicht anspricht.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Abschaltvorrichtung mit zwei Magnetspulen für jede Phase, die von verschiedenen Phasen erregt werden und auf einen gemeinsamen, in Richtung beider Spulen beweglichen Anker einwirken. Der Auslösestromkreis für den Linienschälter .einer Phase wird dann geschlossen, wenn nur die zwei an diese Phase angeschlossenen Magnetspulen relativ stärker als die an die anderen Phasen angeschlossenen erregt sind.

•
6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch zwei in Reihe liegende Unterbrechungskontakte im Auslösestromkreis für

den Linienschalter jeder Phase, die nur bei Überstrom in der zugehörigen Phasenleitung relativ zu den anderen durch das elektromagnetische Differentialrelais geschlossen werden.
7. Einrichtung nach Anspruch 4 mit Stern-Dreieckschaltung der Empfangstransformatoren, gekennzeichnet durch eine Abschaltvorrichtung mit zwei Magnetspulen für jede Phase außer einer, die von verschiedenen Phasen erregt werden und auf einen gemeinsamen beweglichen Anker einwirken, sowie einer Magnetspule (54), die von der Summe der Ströme in den Übertragungsleitungen und in der Hilfsleitung (Rückleitung 14) beeinflußt wird. Der Auslösestromkreis für den Linienschalter der Phase mit Überstrom wird nur dann geschlossen, wenn auch die letztgenannte Magnetspule (54) infolge Stromdurchgangs durch die Hilfsleitung (Rückleitung 14) erregt wird (Fig. 2).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.