DE398482C - Sicherheitssystem zur UEberwachung des in elektrischen Leitungen, Maschinen und Apparaten entstehenden Isolationsfehlers, der noch nicht zur Ausbildung eines anormalen Ableitungsstromes gefuehrt hat - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN Al 11. JULI 1924

RE ICH S PATE NTAMT

PATENTSCHRIFT

- JVl 398482 -KLASSE 21 e GRUPPE 9

(A3G785 VIII/sie)

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin*).

Sicherheitssystem zur Überwachung des in elektrischen Leitungen, Maschinen und Apparaten entstehenden Isolationsfehlers, der noch nicht zur Ausbildung

eines anormalen Ableitungsstromes geführt hat.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 9. Dezember 1921 ab.

In dem Bestreben, den Betrieb elektrischer ; schaltungen« zusammenfassen kann. Alle

Kraftanlagen so zuverlässig und sicher wie _; diese Schaltungen verfolgen den Zweck, eine

möglich zu gestalten, ist eine große Zahl : etwa eintretende Störung im Bereiche der Ma-

von Vorschlägen gemacht worden, die man schinen, Apparate oder Leitungsanlagen in

unter der Sammelbezeichnung »Sicherheits- ihren Folgen dadurch für die Aufrechterhai- *) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Wilhelm Pfannkiich in Berlin-Nieder schöneweide.

3Θ8482

tutig des Betriebes unschädlich zu machen, daß der von ihr betroffene Teil der Anlage so schnell wie möglich abgeschaltet wird. Diese Lösung der Aufgabe genügt im allgemeinen-S den Anforderungen an die Betriebssicherheit, soweit kleinere Anlagen oder wenigstens Teile geringerer Leistungsfähigkeit in größeren Anlagen in Frage kommen. Trifft eine Störung dagegen die Hauptenergieerzeuger oder ίο Energieträger solcher Anlagen, so würde durch die Abschaltung solcher Teile der Zusammenbruch des Betriebes nicht verhindert werden können.

Die vorliegende Erfindung besteht darin, daß Einrichtungen getroffen werden, die den Verlauf der Störung in zwei oder mehreren Stadien anzeigen und so eine Überwachung des Fehler verlauf es bzw. der Fehlerentwicklung in einer für die menschlichen Sinne wahrnehmbaren Weise ermöglichen. Sie benutzt zu diesem Zwecke Einrichtungen, durch die es möglich ist, die in Wicklungen oder Leitungen sich ausbildenden Störungen in so frühem Stadium wahrzunehmen, daß eine Warnung des Betriebes noch vor Eintritt des Erd- oder Kurzschlusses durchführbar ist. Solche Einrichtungen sind bereits bekanntgeworden zum ersten Male durch die deutsche Patentschrift 280785, wo eine Schaltung beschrieben ist, die die Fähigkeit besitzt, eine entstehende Störung anzuzeigen, noch ehe ein Erd- oder Kurzischluß zustande kommt. Auf diese Schaltung wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung noch später zurückgekommen werden.

Mit dem Ansprechen solcher Sicherheitsschaltung und der dabei gegebenenfalls erteilten Warnung hört die Überwachung des Kabele bzw. des gemeldeten Fehlers auf, weshalb im allgemeinen der Betrieb eines solchen , Kabele- eingestellt werden muß. Hier setzt nun ι die Erfindung ein, die, wie oben bereits gesagt i ist, in Einrichtungen besteht, welche die i Weiterentwicklung des gemeldeten Fehlers in passender Weise überwachen und anzeigen und damit den selbsttätigen Schutz des Kabels auch weiterhin gewährleisten. Hierbei können auch Einrichtungen getroffen werden, durch welche beim Eintritt der Katastrophe also des endgültigen Durchschlages die betroffene Leitung so schnell wie möglich abgeschaltet wird.

Derartige Einrichtungen zur Überwachung ! und' zum¹ Anzeigen des Fehlerverlaufes können z. B. aus zwei oder mehreren Relais bestehen, die mit der betreffenden Leitung so im Verbindung stehen und derartig verschieden j bemessen· und gestaltet sind, daß jedes von ihnen nur bei einer bestimmten Fehlergröße anspricht.

Die Einrichtung zum Ausschalten des fehlerhaften Kabels beim Eintritt der endgültigen Katastrophe besteht aus einem Ausschaltrelais, das hinter dem letzten zur Überwachung dienenden Relais eingeschaltet ist und das fehlerhafte Kabel automatisch abschaltet.

Da das Auslöserelais erst nach vollendeter Störung be'tätigt werden soll, so können die für dieses Stadium charakteristischen Merkmale der Störung, das ist in erster Linie der auftretende Überstrom, wirksam gemacht werden. Das Auslöserelais kann somit auf dem sogenannten Maximalprinzip aufgebaut sein oder es kann ferner das durch das Aufj treten des Ableitungsstromes charakterisierte Differentialprinzip Verwendung finden. Es besteht nun die Möglichkeit, das Ausschaltrelais schon vor Ansprechen des letzten Warnungsrelais dem Einfluß des Betriebes zu unter- werfen, es kann ferner die Einrichtung getroffen werden, daß das Auslöserelais sich zwar dauernd in Bereitschaftssehaltung befindet, nach Ansprechen des Warnungsrelais aber in seiner Empfindlichkeit bezüglich Stromstärke und Zei£ beeinflußt wird und endlich, daß das Auslöserelais überhaupt erst \ in Bereitschaftsschaltung tritt, nachdem das letzte Warnungsrelais angesprochen hat.

In den Abb. 1 bis 3 sind derartige Schaltungen dargestellt, welche im folgenden kurz erläutert werden mögen. In den ersten beiden Abbildungen ist der zuletzt erörterte Fall dargestellt, daß die verschiedenen Relais nacheinander in Tätigkeit treten. Um das Prinzip möglichst klar darzustellen, ist zunächst von Einzelheiten dabei abgesehen worden; so soll insbesondere der Transformator T nur andeuten, daß die an seiner Sekundärwicklung angeschlossenen Relais (R I, R II, R III) in irgendwelcher Beziehung zu der zu schützenden Leitung L gebracht worden sind, ohne daß auf die Art derselben irgendwie eingegangen wird. Abb. 1 zeigt dabei den normalen Betriebszustand der Schaltung, wenn die Leitung störungsfrei ist. In diesem Falle ist lediglich das empfindlichste Relais RI mit Hilfe seines Kontaktes α eingerückt und überwacht in dieser Form die Leitung L. Tritt eine Störung in der Leitung ein, so würde das Relais R I ansprechen und die Kontakte α und b betätigen, derart, daß das Relais RI stromlos würde und das weniger empfindliche Relais R II in Betrieb käme. Bei Zunahme der Störung würde sich der Vorgang in der Form wiederholen, daß das "Relais R II anspricht und die Kontakte b und c betätigt. Wenn schließlich der Fehler derartige Dimensionen angenommen hat, daß die Fortführung des Betriebes unmöglich wird, so würde das unempfindlichste Relais RII ansprechen, den ölschalter ö der Leitung ausschalten und

evtl. auch mit. Hilfe des Kontaktes c sich selbst ausschalten. Dieses Stadium ist in der Abb. 2 dargestellt. Die Wirkung der Relais auf die verschiedenen Kontakte und Schalter ist durch die gestrichelten Pfeillinien angedeutet.

Eine andere Form der Stufung ist in Abb. 3 dargestellt, aus welcher zu erkennen ist, daß die hier vorgesehenen Relais R I und R II beide dauernd in Verbindung mit der zu schützenden Leitung stehen und wirksam sind. Dies soll durch die voneinander unabhängigen Sekundärwicklungen des Kopplungstransformators T, mit welchem die Relais jeweilig in dauernder Verbindung stehen, angedeutet werden. Das Relais R II, welches in diesem Falle den Ölschalter betätigt, kann also jederzeit in Tätigkeit treten, sofern es von der Leitung L aus entsprechend beeinflußt wird.

Es ist jedoch Vorsorge getroffen, daß es nur auf sehr grobe Einflüsse reagieren kann, dadurch, daß es mit einem Widerstand W überbrückt ist. Erst wenn eine Störung in der zu schützenden Leitung selbst eingetreten ist und das Relais RI zum Ansprechen kommt, wird durch automatisches Öffnen des Kontaktes b' der Überbrüekungswiderstand ausgeschaltet und dadurch die Empfindlichkeit des Relais¹ RII entsprechend gesteigert, so daß beim Eintritt des Durchschlages der Leitung L die zugehörigen Relais allein in Tätigkeit treten, während die Relais anderer Leitungen, welche auch weiterhin überbrückt sind, nicht zum Ansprechen kommen.

Anstatt die Empfindlichkeit zu beeinflussen, kann ferner auch die Zeitverzögerung der Relais verändert werden, um" dadurch das Arbeiten derselben zu regeln.

Endlich kann auch das Ausschaltrelais in Gastalt eines einfachen Übeiistromrelais neben dem Warnungsrelai's installiert sein, ohne von demselben bezüglich seiner Empfindlichkeit oder Zeitverzögerung beeinflußt zu werden.

Bei Anwendung des Überstromprinzips für das Ausläserelais würde sich also das Verhalten desselben in den geschilderten drei Fällen so darstellen, daß im letzten Falle das Überstromrelais den allgemeinen Zwecken des Überstramschutzes dient und unabhängig von dem Warnungsreläiis auch die Erd- und Kurzschlußsicherung übernimmt. Im zweiten Falle würde durch dals Ansprechen des Warnungsrelais das Ausläserelais automatisch in der Art beeinflußt werden, daß es entweder für wesentlich geringere Überströme empfindlich gemacht wird oder daß seine evtl. vorhandene . Zeitverzögerung herabgesetzt oder beseitigt wird. Hierdurch· würde eine bedingte Verknüpfung des Warnungsreläiis und des Autelöserelais verwirklicht sein. Im ersten Falle endlich würde das Überstromrelais sich bei unversehrtem Zustande der Anlage überhaupt nicht in Bereitischaftsschaltung befinden und erst eingerückt werden, nachdem das letzte Warnungsrelais angesprochen hat.

Während die letzte Schaltung eine Selektivität nahezu ausschließt, wird diese in den ersten zwei Schaltungsformen gewährt. Diese geben also die bedingte bzw. absolute Gewähr, daß im Falle der vollendeten Störung nur der beschädigte Strang zur Abschaltung gelangt. In noch vollkommenerer Weise läßt sich der Gedanke der Erfindung dadurch verwirklichen, daß man das Prinzip der Warnungsischaltung auch für die Auslöseschaltung beibehält, jedoch in entsprechend modifizierter Form.

Zur Erläuterung dieser Ausführungsform möge auf das bereits angezogene Patent 280785 kurz eingegangen werden. Nach Abb. 5 iist die Konstruktionsform eines Einleiterkabels im Querschnitt dargestellt, welches mit einer Sicherheitfsschaltung nach dem genannten Patent ausgerüstet werden kann. Wie aus derselben zu erkennen ist, besteht der Leiter aus einem beliebig gestalteten Kern K, der von einer Lage gegeneinander isolierter Drähte umgeben ist, von weicher die gerad- und ungeradzahligen Drähte zu zwei Gruppen D¹ und D² zusammengefaßt sind. Die Stromübertragung in solchem Kabel, an welcher alle erwähnten Leiterteile in gleicher Weise beteiligt sind, erfolgt in der Weise, daß die Spannung der Oberflächengruppen D¹ und Z?² von der des Kernleiters if um einen geringen Betrag abweicht, so daiß eine Spannungsdifferenz sowohl zwischen K und D¹ und D² als auch zwischen D¹ und D" stattfindet. Die dabei angewendete Schaltung, bei welcher gleichzeitig die unter dem Zusatzpatent 334861 geschützte Erfindung berücksichtigt ist', ist in Abb. 4 dargestellt, wobei für die Teile der Leitung L die gleichen Bezeichnungen K, D¹, D" gewählt sind wie in Abb. 5. Die Isolierung des Kabels/ und der Bleimantel B sind in dem Leitungsischema natürlich nicht berücksichtigt.

Das Prinzip der Schaltung besteht nun darin, daß durch die Spannungsdifferenz zwischen den Oberflächendrahtgruppen D¹ und nc D², welche gemäß der Anordnung zwischen je zwei nebeneinanderliegenden Drähten wirksiaim wird, das umgebende Dielektrikum J dauernd überwacht wird, iso daß Veränderungen, welche das Isoliervermögen desselben angeben, wahrgenommen und in geeigneter Weise angezeigt werden können. Sofern nämlich die Isolatoren in der nächsten Nähe der Öberflächendrähte durch elektrische Anstrengung verkohlt und damit leitend wird, ohne daß ein; Durchbruch nach dem Bleimantel hin erfolgt zu sein braucht, wird die Spannungs-

differenz die Möglichkeit haben, sich auszugleichen, wobei ein Ausgleichstrom auftritt, welcher auf die Transformatoren T und T', die am Anfang und Ende der Leitung eingeschaltet sind, einwirkt und die niedervoltseitig angeschlossenen Relaiis zum Ansprechen bringt. Die nach dem Zusatzpatent 334861 entworfenen Transformatoren bestehen, wie die Abbildung erkennen läßt, aus je drei Kerrien, von denen der Kern 1 jeweilig die Erregerwicklung P trägt, während der Kern 2 die spanmungserzeugende Sekundärwicklung S trägt und der Kern 3 einen magnetischen Nebenschluß zum Kern 2 darstellt. Die Wicklung S besteht aus zwei Hälften gleicher Windungszahl, welche von dem La'ststromanteil der Gruppe D¹ und D² derart durchflossen werden, daß eine Reaktion auf das erzeugende im Kern 2 pulsierende Magnetfeld unmöglich ist. Die Transformatoren T und T' sind ferner so geschaltet, daß die am Anfang erzeugte Spannungsdifferenz am Ende wieder ausgeglichen wird. Die durch den im Fehlerfalle auftretenden Ausgleichstrom bewirkte Reaktion auf das Kraftfeld des Kernes 3 wird dadurch auf die Relais übertragen, daß diese an eine Diffenentialwicklung angeschlossen sind (κ¹ und n²), die nur dann stromlos bleibt, wenn das Kraftflußverhältnis der parallelgeschalteten Kerne 2 und 3 sich nicht ändert.

Nach der Erfindung wird die Entwicklung des Fehlers in der Weise überwacht und angezeigt, daß nacheinander Relais verschiedener Empfindlichkeit in Wirksamkeit kommen, detart, daß ein hochempfindliches Relais den Beginn des Fehlers und ein oder mehrere weniger empfindliche Relais das Fortschreiten der Entwicklung anzeigen, während das letzte, unempfindlichste Relais, das auf die Verhältnisse bei Eintreten des Lichtbogens eingestellt ist, die Ausschaltung bewirkt. Die Entwicklung des Fehlers'kann aber auch in der Weise überwacht und angezeigt werden, daß zwar Relais gleicher Empfindlichkeit verwendet werden, daß aber die zur Überwachung dienende Spannungsdifferenz automatisch in Stufen herabgesetzt wird. In diesem Falle würde die Abnahme des Fehlerwiderstandes, das ist des Übergangswiderstandes zwischen den Drahtgruppen D¹ und D², in ganz ähnlicher Weise wahrgenommen werden, aber eine Beeinflussung der Entwicklung des Fehlers durch den Ausgleichstrom selbst, die bei dem ersten Verfahren denkbar wäre, vermieden sein. Auch durch Kombination beider Verfahren kann die Wirksamkeit der Anordnung in beliebiger Weise verändert und die bestmögliche Wirkung erzielt werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung kann

z. B. darin bestehen, daß das Warnungsrelais durch einen von ihm beeinflußten Schaltapparat auf das Auslöserelais einwirkt, das letztere in Bereitschaft setzt oder in seiner Bereitschaft verändert. Die Herabsetzung der Spannungsdifferenz dagegen erfolgt automatisch, z. B. so, daß die Zahl der spannungserzeugenden Windungen oder die Stärke des induzierenden Magnetfeldes verändert wird. Da die Umschaltung der im Hochspannungskreis liegenden Windungen im allgemeinen technischen Schwierigkeiten begegnen wird, so wird die Veränderang des induzierenden Magnetfeldes den Vorzug verdienen. Die letztere kann durch Einführung von Drosselj spulen, die einen Teil der magnetischen Energie absorbieren, oder auf ähnliche Weise bewirkt werden.

Auf der linken Seite der Abb. 4 ist eine solche Ausführungsform angedeutet. Wie aus derselben zu erkennen ist, wird beim Ansprechen des Relais R I ein Schaltapparat betätigt, imit dem dessen eigener .Stromkreis unterbrochen wird, während der das Relais RII, das ist in diesem Falle das Ausschaltrelais, geschlossen wird. Außerdem wird aber noch eine Verbindung zwischen der auf dem Kern 1 angebrachten Niedervoltwicklung n¹ mit einer Drosselspule D S hergestellt, welche einen Teil des von Primärwicklung P erzeugten Kraftflusses verzehrt und dadurch den Hauptkraftfluß im Transformator T herabsetzt, wodurch auch die an den Klemmen der Sekundärwicklung 6" erzeugte Spannungsdifferenz vermindert wird. Das Relais R II wird also in diesem Falle erst nach Ansprechen des Relais RI in Bereitschaft gesetzt. Es kann sowohl die gleiche Empfindlichkeit wie das Relais RI besitzen oder eine geringere, die beispielsweise durch einen Überbrückungswiderstand hergestellt werden könnte. Ganz die gleiche Anordnung müßte in diesem Falle bei dem Transformator T' getroffen werden, damit die Verhältnisse am Anfang und Ende in jeder Schaltung die gleichen bleiben. In der Abb. 4 ist allerdings eine andere Ausführungsform des gleichen Erfindungsgedankens dargestellt, bei welcher nicht das Hauptfeld gedrosselt, sondern lediglich das Verhältnis der Felder in den Kernen 2 und 3 beeinflußt wird. Dies geschieht in der Form, daß das Auslöserelais RII nach Ansprechen des Wairnungsrelafe nicht an die gleiche Differentialwicklung angeschlossen wird, welche dais Relais RI gespeist hat, sondern an eine solche, die nicht dem ur- "5 sprünglichen Kraftflußverhältnis der Kerne 2 und 3 entspricht. Um zu erzielen, daß auch in diesem Falle das Relais im Normalbetriebe stromlos oder nahezu stromlos bleibt, müßte durch eine auf den Kernen 2 und 3 weiterhin vorzusehende Schaltwicklung erreicht werden, daß das Kraftflußverhältnis zwangsweise auf

die Größe gebracht wird, welche dem Windungsverhältnis der neuen Differentialwicklung entspricht. Auf der rechten Seite der Abb. 4 sind diese beiden Wicklungen vereinigt gedacht in der Form, daß die zweite Differentialwiieklung aiuch gleichzeitig als Schaltwicklung arbeitet, wobei durch Überbrückung des angeschlossenen Relais dafür gesorgt ist, daß der auch im Normalbetrieb

ίο auftretende begrenzte Ausgleichstrom, der die Änderung des Kraftflußverhältnisses erzwingen soll, das Relais RII nicht zum Ansprechen bringen kann. Die Änderung des Kraftflußverhältnisses wird so vorgenommen, daß der Kraftfluß im Kern 2 herabgedrückt, der im Kern 3 erhöht wird, so daß auch auf diesem Wege die in der Sekundärwicklung 5* erzeugte Spannungsdifferenz vermindert wird. Diese letzte Schaltung bedient sich also des Mittels der Herabsetzung der Spannungsdifferenz und der Veränderung der Relaisempfmdlichkeit in einer sehr gedrängten Kombination, die zu einer außerordentlich einfachen Anordnung führt. Außer den gezeichneten Schaltungsformen sind natürlich noch andere denkbar, insbesondere kann die Drosselspule statt an den Kern 1 auch an den Kern 2 angeschlossen werden, ebenso wie auch die Schaltwicklung zwischen Kern 1 und 2 oder 1 und 3 Anwendung finden kann und auch weitere Möglichkeiten für die Erreichung des angestrebten Zweckes denkbar sind. Die erörterten und skizzierten Beispiele dürften aber genügen, um das Prinzip des neuen Überwachungsverfahrens unter Anwendung der Sicherheitisschaltung nach dem Patent 280785 nebst Zusatzpatent zu erläutern.

Claims (8)

1. Patent-Ansprüche:
2. i. .Sicherheitssystem zur Überwachung des in elektrischen Leitungen, Maschinen und Apparaten entstehenden Isolationsfehlers, der noch nicht zur Ausbildung eines anormalen Ableitungsstromes geführt hat, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Relais o. dgl., welche bei fortschreitender Zunahme des Fehlers nacheinander in Wirksamkeit treten, die Größe des Fehlers selbsttätig anzeigen, wobei das letzte von ihnen auch zur selbsttätigen -Abschaltung des schadhaften Teiles der Anlage benutzt werden kann. 2. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Einrichtungen zum Ausschalten der fehlerhaften Leitung beim Eintritt eines Fehlers von gewisser Größe bzw. eines Kurzschlusses ausgebildet ist.
3. 3. Sicherheitssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Schaltung vorgesehenen Relais zueinander derart in Beziehung stehen, daß das vorher wirkende das jeweils nachfolgende bezüglich seiner Bereitschaft beeinflußt.
4. 4. Sicherheitssystem .nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Schaltung vorgesehenen Relais zueinander derart in Beziehung stehen, daß das vorher wirkende, das jeweils nachfolgende bezüglich seiner Empfindlichkeit in elektrischer oder zeitlicher Beziehung oder im beiden beeinflußt.
5. 5. Sicherheitssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relais betätigt werden mit Hilfe einer zwischen Drähten des geschützten Leiters wirksamen Spannungsdifferenz, die das Entstehen eines über die zeristörte Isolation fließenden Ausgleichstromes bewirkt.
6. 6. Sicherheitssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorhandenen Relais auf verschiedene Größe des Ausgleichsibrornes ansprechen und demgemäß entsprechend der Abnahme des Fehlerwiderstandes nacheinander in Funktion treten.
7. 7. Sicherheitssystem nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die überwachende Spannungsdifferenz nach Ansprechen jedes der vorgesehenen, gleich empfindlichen Relais herabgesetzt wird, so daß das folgende Relais erst nach weiterem Anwachsen des Ausgleichstromes anspricht und die Relais mithin entsprechend der Abnahme des Fehler-Widerstandes nacheinander in Funktion treten.
8. 8. Sicherheitssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialwicklung auch als Schaltwidklung benutzt wird, derart, daß die Reihenfolge des Ansprechens der Relais sowohl durch die verschiedene Größe ihrer Stromempfmdlichkeit als auch durch Herabsetzen der überwachenden Spannungsdifferenz geregelt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.