DE327134C - Anordnung zum Schutz dreiphasiger Wechselstromanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz normal symmetrisch belasteter, dreiphasiger Wechselstromanlagen in bezug auf Fehler, die sich als unsymmetrische Belastung äußern, also in bezug auf Phasenbruch, Ableitung zwischen zwei willkürlichen Phasen, oder zwischen einer willkürlichen Phase und Erde sowie in bezug auf Überlastung. Dies wird ermöglicht durch Verwendüng von Relais-mit je zwei Spulen, von denen j edle von je einem von zweien der Netzströme, oder zu diesen phasenverschobenen Strömen, durchflossen wird. Die Größe und Lage der Spulen zueinander wird nun gemäß der Erfindung- so abgepaßt und an^ geordnet, daß die in ihnen hervorgerufenen magnetischen Teilfelder ein resultierendes Feld ergeben, welches bei symmetrischer Belastung der Anlage entweder verschwindet oder gegen das magnetische Feld des dritten Netzstromes eine; Phasenverschiebung von 90 ° aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß das resultierende Feld bei unsymmetrischer Belastung der Anlage immer eine Komponente hat, die durch Wechselwirkung mit einer im Relais angeordneten Ferrarisscheibe, Induktionsspule oder einer vom dritten Netzstrom durchflossenen drehbaren Spule das Ansprechen des Relais und dadurch die Auslösung des Hauptschalters der Anlage bewirkt.

Die Zeichnung veranschaulicht verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.

Bei symmetrisch belasteten Dreiphasenanlagen sind die Stromstärke und die gegenseitige Phase der drei .Netzströme derart be schaffen, daß der Unterschied zwischen zwei der Ströme in einem Diagramm immer um 90 ° gegen den dritten Strom phasenverschoben ist. So ist in Fig. 1 der Strom T 4·° senkrecht zu (I₂-J₃), J₂ senkrecht zu (J₃-J₁) und /₈ senkrecht zu (J₁-J₂"). Tritt nun außer der symmetrischen Belastung noch eine Extrabelastung oder ein Isolationsfehler zwischen zwei Phasen, z. B. 1 und 2, auf, so wird gemäß Fig. 2 die Stärke Und Phase, der Ströme J₁ und J₂ in gleichem Maße infolge des durch zwei, einander entgegengerichtete Pfeile angedeuteten Zusatzstromes verändert und der. Winkel zwischen J₁ und (J₂-J₃) sowie zwisehen J₂ und (J₃-J₁) verschieden, von 90 °, während der Winkel zwischen J_s und (J₁-J₂) unverändert, d. h. 90⁰, bleibt. In entsprechender Weise werden die Winkel des Diagramms von einer Extrabelastung zwischen den Phasen 2 und 3 oder 3 und r verändert.

Ebenso wird eine Belastung oder ein Isolationsfehler zwischen einer Phase und dem -Neutralleiter oder der Erde die Winkel des Diagramms verändern. Eine Belastung zwisehen Phase 3 und dem Neutralleiter wird, wie aus Fig. 3 ersichtlich, den Strom J₈ vergrößern und die Winkel zwischen J₁ und '(J₂-J₃) sowie zwischen J₂ und¹ (J₃-J₁) veränderai, während! der Winkel zwischen /₃ und (J₁-J₂) unverändert bleibt. In entsprechender Weise werden die Winkel des Diagramms durch eine Belastung zwischen Phase 1 und dem Neutralleiter sowie zwischen Phase 2 und dem Neutralleiter verändert.

Wirdi eine Phase unterbrochen, so werden gleichfalls die Winkel des Diagramms ver-

ändert. Fig. 4 veranschaulicht die Ströme, wenn Phase 1 in einem System ohne Neutralleiter unterbrochen wird!; sämtliche eingezeichneten Ströme gelangen in gleiche Phase 5 oder in Gegenphase. Wird dieselbe Phase 1 in einer Anlage mit Nulleiter unterbrochen, so werden die Winkel, wie aus Fig. 5 ersichtlich, sich ändern; die Winkel zwischen J₂ und; (Z₃-J₁) sowie zwischen J₈ und (Jr-I₂) erhalten eine Größe von 120 oder 6o°. In ähnlicher Weise werden die Winkel geändert, wenn eine der anderen Phasen unterbrochen wird.

Es geht aus den obigen" Ausführungen hervor, daß eine symmetrisch belastete dreiphasige Anlage von einem Relaissystem geschützt werden kann, das in Tätigkeit 'tritt, sobald ein oder mehrere der erwähnten Winkel zwischen einem der Net'zströme und dem Unterschied der beiden anderen Ströme von 90 ° abweichen, wogegen das Relaissystem unbeeinflußt bleibt, solange diese Winkel den Wert 90 ° behalten.

Von den drei Winkeln < J₁ [J₂-J₉), < J₂ (Js-Ji) und < J₃ (Ji-J₂) werden bei einem entstehenden Fehler stets zwei verändert,, und zwar ungeachtet dessen, ob der Fehler von einer Ableitung zwischen zwei Phasen, von einer Ableitung zwischen einer Phase urid Erde oder von Bruch einer Phase herrührt. Die Anläge wird ,somit in genügendem Umfang mit Hilfe, von zwei Relais geschützt sein, von denen das eine z. B. bei Änderung des Winkels¹ J₁ XJ₂-Js), das andere bei Änderung des Winkels J₂ (Js-J₁) in Tätigkeit tritt. Fig. 6 veranschaulicht schematisch die Anordnung eines elektrodynamischen- Relais, welches, wenn der Winkel J₁ (J₂-Js) von 90 ° • abweicht, in Tätigkeit tritt. Die festen Spulen α und b werden von den Strömen J₃ urid J₂ durchflossen. Sie haben gleiche Windungszahl und sind gegeneinander geschaltet, so daß in ihnen die Differenz der Ströme J₂ und J_s zur Wirkung kommt und ein Feld erzeugt, das in Größe uridl Phase mit (J₂-J₃) 45' proportional ist. Die Spule c wind) vom Strom J₁ durchflossen. Sie ist um ihre Achse d drehbar angeordnet, wird aber von den Federn· e und¹ f im Gleichgewicht gehalten.

Bei symmetrischer Belastung hat nun das Feld der Spule c eine Phasenverschiebung von 90⁰ gegen das Feld der Spulen α und b, weshalb die Spule c unbeeinflußt bleibt. Tritt indessen ein. solcher Fehler im Netz auf, daß der Winkel zwischen J₁ und (J₂-J₅) von 90 ° verschieden wird, so entsteht ein Drehmoment auf die Spule c, diese dreht sich nach der einen oder der anderen Seite hin, und, nachdem der Fehler eine gewisse Größe erreicht hat, wird die Drehung so groß, daß eine Verbindung zwischen dem beweglichen Kontakt g und einem der festen Kontakte h oderi ge- ' schlossen wird, wodurch der Stromkreis einer Signalvorrichtung oder -des Ausschaltmechanismus eines Ausschalters geschlossen· wird.

Durch Einstellung der Federn e und f verändert man die Größe der ungleichen Belastung, die erforderlich ist, um das Relais in Tätigkeit zu bringen. Es ist hieraus verständlich, daß das System auch bei Anlagen, die nicht vollständig symmetrisch belastet sind, verwendbar ist, indem die Relais dann nur so einzustellen sind, daß sie nicht bei der betriebsmäßigen Ungleichheit der Belastung, sondern erst bei einer größeren Ungleichheit dieser Belastung in Tätigkeit treten. Selbstverständlich ist es ferner möglich, durch Verwendung einer angemessenen Dämpfung dem Relais eine von der Belastung abhängige oder · unabhängige Zeitkonstante zu erteilen.

■ Ein derartiges Relais kann naturgemäß auch als Induktionsinstrument ausgeführt werden, indem man dann durch besondere Anordnungen einen gegen J₁ um 90⁰ phasenverschobenen Strom erzeugt, und diesen Strom auf eine Trommel oder Scheibe mit dem Strom (J₂-Js) zusammen wirken läßt. Wird das -Relais als Induktionsinstrument ausgeführt, wird es übrigens bequemer sein, einen der, anderen Ströme oder statt der Differenzen die Summen der Ströme zu benutzen, go da die Erzeugung einer so großen künstlichen Phasenverschiebung dann nicht erforderlich ist. Die dabei in Betracht kommenden Winkel des Diagramms werden sich nämlich ebenfalls bei eintretenden Fehlern der oben beschriebenen Natur verändern.

Die Relais können auch, wie in Fig. 7 dargestellt, ausgeführt werden, wo die Spulen a und b auf einem gemeinschaftlichen U-förmigen eisernen Kern k gewickelt- sind, zwisehen dessen j.beiden Flanschen die Spule c drehbar gelagert ist, und gegebenenfalls einen feststehenden eisernen Kern I umschließt.

In Fig. 8 ist scbaubiildlich angegeben, wie ein vollständiges S'icherungssystem angeordinet werden kann. Dieses System besteht aus zwei Relais A und B der oben beschriebenen Konstruktion. Die Netzströme können direkt durch die Apparate geführt werden, oder aber sie können, wie in Fig. 8 vorausgesetzt, durch Stromtransformatoren 5 gesandt werden, an deren Sekundärwicklungen die Relais angeschlossen sindl, Das Relais* A wird in Tätigkeit treten, wenn der Winkel zwischen J₁ und (J₂-J₃) sich verändert, und das Relais B, bei Veränderung des Winkels zwischen J, und

Die Anlage ist gegenüber Fehlern zwischen den Phasen oder zwischen einer Phase und Erde durch diese Relais vollständig geschützt, vorausgesetzt daß sie belastet ist. Ist die Anlage dagegen unbelastet, wird die Sicherheit

keine vollständige sein, weil eine Ableitung zwischen einer der Phasen und Erde dann wegen des Fehlens der Netzströme deren

* W.i'nkel nicht verändern und* daher keines der beiden Relais A und B beeinflussen kann. Die Sicherung muß in diesem Falle dadurch erzielt werden, daß in den Nulleiter - der Stromtransformatoren ein Maximalrelais C bekannter Konstruktion eingeschaltet wird, ίο das in Tätigkeit tritt, wenn ein Strom diesen Nulleiter durchfließt, also wenn Ableitung von einer der Phasen nach: der Erde entsteht. Das Relais C leidet bei den bekannten Anordnungen an d'em Umstand, daß es unter ge-

■ 15 wohnlichen Betriebsverhältnissen von den höheren Harmonischen durchflossen wird, deren Perioden mit 3 teilbar sind, was eine ziemlich grobe Einstellung des Relais, bedingt. Das Relais C wird daher mit großer Reaktanz ausgeführt oder, wie in Fig. 8 ersichtlich, mit einer Induktionsspule L in Reihe verbunden und ein induktionsfreier oder kapazitiver Widerstand R parallel zum Relais· und zur

• Induktionsspule geschaltet. Bekanntlich as dringt ein Strofn um so schwieriger durch eine Induktionsspule, je höher seine Peribdenzahl ist. Infolgedessen werden die höheren Harmonischen,, deren Perioden-Zahl ein Vielfaches der Grundperiadenzahl ist, hauptsächlieh den Widerstand R, und somit nicht das Relais C durchfließen. Letzteres kann also bei dieser Anordnung für sehr schwache Ströme der Grundp'eriOdenzahl eingestellt werden, ohne von den höheren Harmonischen zur Auslösung gebracht zu werden..

Die oben beschriebenen Relais A und B bleiben von den Harmonischen, deren Periodenzahl mit 3 teilbar ist, vollkommen unbeeinflußt, da das Felid der beiden festen Spulen der Differenz der beiden Netzströme proportional istj in der die dritten Harmonischen bekanntlich verschwinden. *

Die drei Relais^!, B und C schützen also eine Anlage in bezug- auf

i. Ableitung zwischen zwei der Phasen,

2. Ableitung zwischen einer Phase und 'Erde, und!

3. Bruch einer Phase.

Um einen vollständigen Schutz zu erzielen, muß noch ein solcher in bezug auf eine symmetrische Überlastung eingeführt werden, was vermittels eines einzigen " Maximalrelais D in Fig. 8 erreicht werden kann. Es ist bei diesem System nur die Anwendung eines einzigen Maximalrelais erforderlich, denn, ist die Überlastung keine symmetrische, so wird eines der Relais A, B oder C in· Tätig-

• keit treten.

Die einander entgegenwirkenden Felder in den Relais A und B werden, wie beschrieben, von zwei der Netzströme erzeugt. Statt dieser Ströme sind jedoch auch' zu ihnen phasenverschobene Ströme oder der eine der Netzströme mit einem, gegen den anderen Netzstrom phäsenverschobenen Strom zusammen verwendbar, welch letzterer dann zweckmäßig um so viel gegen den betreffenden Netzstrom phasenverschoben ist, daß er in direkte Gegenphase zu dem erstgenannten, durch das Relais fließenden Netzstrom gelangt; es ist dann durch geeignete Wahl der Windungszahlen der beiden entsprechenden Relaisspulen erreichbar, daß die im Relais erzeugten Felder bei symmetrischer Belastung der Anlage sich ausgleichen.

Fig. 13 und 14 stellen zwei verschiedene Ausführungsformen derartiger Relais dar. m ist ein eiserner Kern, der'in Fig. 13 U-förmig, in Fig. 14 ringförmig gestaltet ist und zwei Spulen η und¹ p trägt, von denen die Spule» von einem der Netzströme J₂ durchflossen wird, während die Spule p von einem, dem anderen der Netzströme J₃ um 60 ° voreilenden Strom J\ durchflossen wird. Dieser Strom und diese Phasenverschiebung entstehen dadurch, daß die Spulep mit einem Ohmschen Widerstand q in Reihe und hierzu ein induktiver Widerstand r parallel geschaltet ist. Durch Regelung der Widerstände q undlr kann eine Phasenverschiebung um 60 ° des. Stromes J₃ ¹ (Fig. 9) gegen den Strom J₃ erzielt werden, so daß ersterer in direkte Gegenphase mit idem Strom J₂ gelangt. Sind die Amperewindungszahlen der beiden Spulen η und p -bei symmetrischer Belastung der Anlage gleich, so ist kein Feld im eisernen Kern m vorhanden.

Entsteht indessen ein Fehler zwischen,den Phasen 1 und2, so,daß außer den symmetrischen Netzströmen J₁, J₂, J_s ein Fehlerstrom F zwischen den Phasen 1 und 2 (Fig. 10) sich findet, so werden wohl die StrömeJ₂ und/' ihre Wirkungen im Relais wie vorher ausgleichen, aber der nur die Spule η durchfließende Fehlerstrom F erzeugt ein Wechselfeld im eisernen Kern». Man kann dann dieses Wechselfeld entweder gemäß Fig. 13 eine Ferrarisscheibe s beeinflussen lassen, deren Drehung in bekannter Weise eine Auslösung des Hauptschalters bewirkt, oder aber man kann, wie in Fig. 14 vorausgesetzt, das Wechselfeld eine Spannung in einer auf dem eisernen Kern» angebrachten Sekundärwicklung t induzieren lassen,' die in bekannter Weise über ein Auslöserelais u, z. B. ein Zeitrelais,, geschlossen ist.

Tritt der Fehlerstrom F zwischen den Phasen 1 und 3 auf, erhält also der Strom J₃ die Fehlerkomponente F (Fig, 11), so erhält auch der Strom J\ eine FehlerkomponenteF\. ¹^o Da der Strom J\ um 60 ° gegen den Strom 7_S phasenverschoben ist, wird die Fehlerkompo-

nenteFJ naturgemäß' ebenfalls um 60 ° gegen die Fehlerkomponente F phasenverschoben. Der Strom Jl wird wieder die Wirkung des Stromes J₂ im Relais aufheben, aber seine Fehlerkomponente F\ ruft ein Feld hervor, das das Relais in Tätigkeit setzt.

Tritt endlich der Fehler zwischen den Phasen 2 und 3 auf, so wird der Strom J₂ eine Fehlerkomponente F₂ (Fig 12) und der Strom/₃ eine ebenso große Fehlerkomponente F₃ in entgegengesetzter Richtung aufweisen. Auch in diesem Falle erhält der Strom Jl eine um 6o° gegen F₈ phasenverschobene Fehlerkomponente F\. Die Ströme F₂ und FJ durchfließen beide das Relais, da sie aber nicht wie die Ströme J₂ und /.' einander entgegengesetzt sind, werden sie ihre Wirkungen nicht gegenseitig aufheben, sondern eine Resultante?" erzeugen, die das Relais in Tätigkeit bringt.

Die in Fig. 6 'und 7 dargestellten Relais •leiden an dem Übelstand, daß ihre* Empfindlichkeit nicht für alle Belastungen gleich ist, sondern am größten für große Belastungen, Dieser Übelstand findet sich nicht bei den in Fig. 13 und 14 dargestellten Relais, in welchen das auftretende Feld, und damit die im

• Relais entwickelten Kräfte, mit dem Fehlerstrom proportional ist. Die letztgenannten

Relais besitzen auch den größen Vorteil, .daß die Anwendung eines einzigen solchen Relais zum Schutz der Anlage in bezug auf Fehler, die als' eine umsymmetrische Belastung in die Erscheinung treten, genügt.

Claims (3)

1. Patent-Ansprüche :

   i. Anordnung zum Schutz normal symmetrisch belasteter, dreiphasiger Wechselstromanlagen in bezug auf Phasenbruch, Ableitung zwischen zwei Phasen oder zwischen einer Phase und Erde sowie Überlastung, unter Verwendung eines oder mehrerer, in die Hauptleitungen der Anlage eingeschalteter, den Hauptschalter der Anlage direkt oder indirekt atislösender Relais mit je zwei Spulen, von denen jede von je einem von * zweien der Netzströme oder zu diesen phasenverschobenen Strömen durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Spulen derartig zueinander abgepaßt und angeordnet sind, daß die in ihnen hervorgerufenen magnetischen Teilfelder ein resultierendes Feld ergeben, welches bei symmetrischer Belastung "der Anlage entweder verschwindet oder gegen dasimagnetische Feld des dritten Netzstromes eine Phasenverschiebung von 90°' aufweist, dagegenbei unsymmetrischerBelastung der Anlage eine Komponente hat, die durch Wechselwirkung mit einer Ferrarisscheibe, Induktionsspule oder einer vom dritten Netzstrome durchflossenen drehbaren Spule das Ansprechen des Relais und dadurch die Auslösung des Hauptschalters der Anlage bewirkt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, da-., durch gekennzeichnet, daß 'zum· Schutz der Anlage in bezug auf symmetrische Überlastung außerdem ein einziges Maximalrelais (D) bekannter Konstruktion in einer der Hauptleitungen der Anlage angeordnet ist.
3. 3.' Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der Anlage in bezug auf Ableitung von einer Phase nach der Erde zudem im Nulleiter der Anlage ein Maximalrelais (C) bekannter Konstruktion eingeschaltet ist, dessen Empfindlichkeit gegen die Grundwelle dadurch besonders groß im . Vergleich mit der "Empfindlichkeit gegen die höheren Harmonischen gemacht ist, daß das Relais. (C) mit großer Reaktanz "(L) ausgeführt und zu einem Ohmschen oder kapazitiven Widerstand (J?) parallel geschaltet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.