DE407883C - Selektivrelais zum Schutze elektrischer Leitungen - Google Patents

Description

Um Gleichstrom- und Wechselstromnetze gegen Störungsfälle, wie Erd- und Kurzschlüsse, zu schützen, verwendet man vielfach Selektivrelais, welche den kranken, die Fehlerstelle enthaltenden Teil des Netzes abschalten und ihn dadurch vom gesunden Netzteil isolieren. Um dabei den kranken Teil der Anlage von dem gesunden zu unterscheiden, macht man die Abschaltung von den Strom- und Spannungswerten abhängig, wie sie sich unter Einfluß des Fehlers auf der Leitung einstellen. Bei gesundem Zustand des Netzes besitzt die Spannung über der ganzen Leitung annähernd den gleichen Wert, welcher eben die Betriebsspannung des Netzes, ist, und der Strom übersteigt im allgemeinen nicht seinen Normalwert. Im Störungsfalle jedoch fällt die Spannung von der Kraftstation nach der Fehlerstelle hin ab, und zwar bis auf einen Wert, der von dem Widerstand der Fehlerstelle selbst abhängt. Der Strom dagegen steigt auf einen weit über dem Normalwert liegenden Betrag.

Es ist nun bekannt, zum Leitungsschutz Relais zu verwenden, deren bewegliches System von dem Strom und der Spannung der Leitung gleichzeitig und in dem Sinne differentiell beeinflußt wird, daß sie nur ansprechen, wenn der Einfluß des Stromes den der Spannung überwiegt. Derartige Relais können so eingestellt werden, daß sie bei gesundem Netz nicht arbeiten, sofern der Einfluß des Normalstromes gegenüber dem der Normalspannung klein gehalten wird. Eine Umkehrung dieser Verhältnisse tritt aber bei krankem Netz ein, besonders in dem Bereich der Leitung, welcher der Fehlerstelle naheliegt. In diesem Bereich ist in den meisten Fällen die Spannung so weit gesunken, daß ihr Einfluß auf das bewegliche System des Relais kleiner ist als der des Fehlerstromes, welcher, wie bereits erwähnt, erheblich größer als der Normalstrom ist. Es wird nun aber eine Entfernung von der Fehlerstelle geben, tei der sich die beiden von dem Strom und von der Spannung ausgeübten Kräfte das Gleichgewicht halten, und über diese Entfernung hinaus werden die Relais nicht mehr ansprechen. In dem Bereich nun, in welchem die Relais im Störungsfalle ansprechen, nimmt die Differenz der Kräfte nach der Fehlerstelle hin zu, und es lassen sich Einrichtungen vorsehen, welche bewirken, daß die Auslösezeit der Relais um so kleiner ist, je größer die auf das bewegliche System ausgeübte Differenzkraft ist. Bei dieser Ausbildung der Schutzeinrichtung schalten zunächst die der Fehlerstelle am nächsten liegenden Relais die zugehörigen Schalter aus und trennen damit das kranke Leitungsstück von der gesunden Leitung ab.

Nun liegt aber oft der Fall vor, daß z. B. bei Abzweigleitungen ein Schalter vor und einer hinter der Abzweigung liegt, so daß beide Schalter nahezu gleichen Strom führen und an gleicher Spannung liegen. Man wünscht nun aber, daß von diesen 'beiden Schaltern nur der auf der Fehlerseite liegende herausgenommen wird, damit die Abzweigleitung eingeschaltet bleibt. Dies ließe sich erreichen, wenn man die Ausschaltung auch noch abhängig von der Stromrichtung machen würde, indem von der Abzweigstelle aus gesehen der ankommende Strom gegenüber dem abgehenden entgegengesetzt gerichtet erscheint. Der Einfluß der Stromrichtung auf die Auslösezeit ließe sich z. B. durch Verwendung besonderer' _ Stromrichtungsrelais bewirken, aber die Hinzufügung weiterer Relais dieser Art macht die Anlage nur korn-

plizierter und teurer. Ein bedeutender technischer Vorteil wäre erreicht, wenn das ohnehin vorhandene Differentialrelais derart ausgestaltet würde, daß die Ablaufzeit unter Einfluß der Stromrichtung verlängert oder verkürzt würde.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein Selektivrelais zum Schütze elektrischer Leitungen, auf dessen beweglichen Teil ein Strom- und

ίο ein Spannungsmagnet einwirken und bei welchem die Auslösezeit eine Funktion der Differenzwirkung beider Magnete ist, derart, daß mit wachsender Differenz die Auslösezeit kleiner wird. Erfindungsgemäß soll nun der Spannungsmagnet durch den Strom des Strommagneten bzw. durch einen mit diesem gleichsinnig veränderlichen Strom derart zusätzlich erregt werden, daß je nach der Richtung des Stromes seine Wirkung unterstützt oder geschwächt wird, zum Zweck, die Differenz der Kräfte beider Magnete und damit die Auslösezeit außer von der Größe der Spannung und des Stromes auch von der Richtung des Stromes abhängig zu machen.

Werden Relais dieser Art in der Anlage verwendet, dann wird erreicht, daß von zwei nahezu an gleicher Stelle der Leitung liegenden Relais, von denen das eine vor, das andere hinter einem Abzweig liegt, das der Fehlerstelle jeweils näherliegende Relais seinen Schalter zuerst abschaltet, so daß der ganze gesunde Rest der Anlage im Betrieb bleibt.

Was nun die Einrichtung selbst betrifft, so sind mannigfache Arten der Ausführung möglieh. In einfacher Weise läßt sich der Einfluß der Stromrichtung auf die Auslösezeit erreichen, wenn eine besondere, auf den Spannungsmagneten wirkende Erregerspule vorgesehen wird, welche mit der Erregerspule des Strommagneten in Reihe geschaltet ist. Dieses Ausführungsbeispiel sei an Hand der Abb. ι näher erläutert.

In Abb. ι bedeutet α einen um den Drehpunkt b drehbaren Waagebalken, welcher mit der (nicht gezeichneten) Auslöseeinrichtung , in Verbindung steht und diese betätigt. Auf die Enden des Waagebalkens werden Zugkräfte von den Eisenkernen c und d ausgeübt, wobei c der Eisenkern des Strommagneten und d der Eisenkern des Spannungsmagneten ist. Die Kräfte dieser beiden Magnete wirken einander entgegen. / ist die vom Hauptstrom durchflossene Erregerspule des Strommagneten, e die an der Spannung E liegende Erregerspule des Spannungsmagneten. Dieser besitzt aber erfindungsgemäß die Zusatzspule g, welche mit der Spule f des Strommagneten in Reihe geschaltet ist, so daß sich die Erregung des Spannungsmagneten aus den Amperewindungen der beiden ; Spulen e und g zusammensetzt. Je nach der \ Stromrichtung von/ wird nun die Summe oder die Differenz der Amperewindungen von e und g auf den Eisenkern d zur Wirkung kommen und die Zugkraft des Spannungsmagneten ist in diesem Falle somit auch eine Funktion der Stromrichtung, während die Zugkraft des Strommagneten nicht von der Richtung des Stromes abhängt. Die Stromrichtung hat somit auch einen Einfluß auf die Differenz der Kräfte, welche auf den Waagebalken einwirken und damit auf die Auslösezeit des Relais.

An Stelle der direkten Reihenschaltung der beiden Spulen f und g kann bei Wechselstrom auch die indirekte über einen Zwischentransformator treten, wie sie Abb. 2 zeigt. In dieser Abbildung ist die Bedeutung der Buchstaben die gleiche wie in Abb. 1. Es kommt aber der Transformator t hinzu, dessen Primärwicklung p in Reihe mit der Spule /, dessen Sekundärwicklung q in Reihe mit der Zusatzspule g geschaltet ist. Ferner ist der Spannungsspule e noch ein Ohmscher oder induktiver Widerstand w vorgeschaltet, damit das Feld des Spannungsmagneten den Änderungen der zusätzlichen Erregung besser folgen kann.

Die Spulen q und g lassen sich gemäß Abb. 3 zu einer einzigen Spule kombinieren, indem die Sekundärspule des Trans-

: formators t den Spannungsmagneten mit umfaßt und ihn unmittelbar erregt. (In Abb. 3 und 4 sind Waagebalken und Eisenkerne fort-

! gelassen.)

Man kann den besonderen Transformator t auch ganz entbehren, wenn man den Strommagneten selbst als Transformator verwendet,

' wie es Abb. 4 zeigt. In dieser Abbildung umschließt die Spule g beide Magnete. Der Strom J₁ erzeugt in der Spule g einen Strom /₂, welcher im Spannungsmagneten zusätzliche Amperewindungen erzeugt und damit die Zugkraft dieses Magneten von der Stromrichtung abhängig macht.

Man kann aber auch die Spule g ganz vermeiden, wenn" man als Übertragungsmittel der Kräfte an Stelle des Waagebalkens eine drehbare Induktionsscheibe verwendet, in welcher von der Spule / Ströme induziert 1 tu werden, welche auf den Spannungsmagneten je nach ihrer Richtung erregend oder aberregend wirken. In Abb. 5 bedeutet f die Spule des Strommagneten, e die Spule des Spannungsmagneten, w einen Vorschaltwiderstand zu e, h die drehbare Induktionsscheibe, auf welche die beiden Magnete einander entgegengerichtete bewegende Kräfte ausüben. Die vom Strom / induzierten Ströme verlaufen nun in der Induktionsscheibe derart, daß sie teilweise den magnetischen Fluß des Sparmungsmagneten umschlingen und ihn so-

mit verstärken oder schwächen, je nach der Richtung des induzierten bzw. des primären Stromes.

Für die beabsichtigte Wirkung ist aber die Ausbildung der Magnete selbst von erheblicher Bedeutung. Damit sie auf die Induktionsscheibe bewegende Kräfte ausüben, werden beide Magnete, sowohl der Stromwie auch der Spannungsmagnet mit je einer, ίο den halben Polschuh umfassenden Kurzschlußwindung versehen, so daß jeder der Alagnete ein Drehmoment auf die Scheibe ausübt. Die Kraft, mit welcher die Scheibe bewegt wird, entspricht aber bei entsprechender Ausführung der Magnete wieder der Differenz der Drehmomente. In Abb. 6 ist die Anordnung veranschaulicht. In dieser Abbildung bedeutet / die Stromspule, e die Spannungsspule, h die um den Punkt 0 drehbare Induktionsscheibe, c den Eisenkern des Strommagneten, d den Eisenkern des Spannungsmagneten A₁ und k₂ je eine den halben Polschuh von c bzw. d umfassende Kurzschlußwindung, m ein Anschlag, η eine mit der Scheibe h verbundene Nase. Die Kreise i, i, i deuten den Verlauf der vom Strommagneten in der Scheibe h induzierten Ströme an. Man erkennt, daß ein Teil dieser Stromfäden den Spannungsmagneten umschlingt und daß daher die Stromr.ichtung einen gewissen Einfluß auf die Differenz der Kräfte haben wird. Der Anschlag m, an welchen die Nase η bei Linksdrehung der Scheibe anstößt, dient dazu, das Relais zu arretieren, falls die Kraft des Strommagneten kleiner als die des Spannungsmagneten ist, ein Fall, der bei gesundem Zustand des Netzes und auch bei krankem Netz in größerer Entfernung von der Fehlerstelle vorliegt.

Von großer Wichtigkeit für das richtige Arbeiten des beschriebenen Relais ist aber i die Stärkeabgleichung der Magnetfelder der , beiden Magnete. Würde man die Felder z. B. derart bemessen, daß sie im Normalbetrieb des Netzes annähernd gleich stark wären, dann würde im Störungsfalle das Feld des Strommagneten außerordentlich stark, das Feld des Spannungsmagneten aber außer- ■ ordentlich schwach sein, weil der Strom um : ein A'ielfaches zu-, die Spannung dagegen ab- ; nimmt. Überwiegt nun die Kraft des Strom- j magneten bei weitem die des Spannungsma- ■ gneten, dann haben die relativ geringen Unterschiede der Kraft des Spannungsmagneten, welche durch die Stromrichtung bedingt sind, fast keinen Einfluß auf das Ge- , samtdrehmoment. Die ganze Einrichtung ' würde den Erfordernissen nicht entsprechen. Es muß daher Vorsorge getroffen werden, daß eine Stärkeabgleichung in der Art besteht, daß im Störungsfall das Feld des Strom- | j magneten noch so schwach gehalten ist, daß die durch die Stromrichtung bedingte Ände- \ rung des Spannungsmagnetfeldes in der Differenz der Kräfte genügend zum Ausdruck kommt. Dies läßt, sich dadurch erreichen, daß der Strommagnet ein Feld er- • hält, welches im Normalbetrieb des Netzes erheblich schwächer als das Feld des Spannungsmagneten ist und daß man zur Siehe-J rung und Verstärkung der Wirkung dem ' Strommagneten eine solche Charakteristik ; gibt, daß sein Feld weniger als proportional mit ; dem Strom anwächst. Die Krümmung der Charakteristik kann in bekannter Weise durch ' Sättigung des Eisenkernes des Magneten . oder durch Parallelschalten gesättigter Drosseispulen erzielt werden. Unter Umständen kann es auch vorteilhaft sein, außer der Unproportionalität zwischen Strom und Feld beim Strommagneten auch eine Unproportionalität zwischen Spannung und Feld beim Spannungsmagneten zu schaffen, was wiederum durch Verwendung von Magneten j mit gekrümmter Charakteristik, bei Wechselströmen überdies durch Einschaltung geeigneten Widerstandes in den Erregerkreis erreicht werden kann. Dieser Fall tritt ein, wenn man die Forderung stellt, daß die Auslösezeit des Relais nur als Funktion der Ent- _go fernung des Relais von der Fehlerstelle, nicht aber als Funktion der Stärke des Fehlerstromes erscheinen soll. Diese Forderung sagt aber nichts anderes, als daß die Differenz der Kräfte der beiden Magnete unabhängig von der Stärke des Fehlerstromes sein soll. Nimmt man die Fehlerstelle selbst als widerstandsfrei an, dann ist die im Störungsfalle am Relais herrschende Spannung proportional dem Fehlerstrom, denn sie entspricht dem Ausdruck E^i' s, wo E die Spannung am Relais, i den Fehlerstrom, s die Impedanz der Leitung zwischen Relais und Fehlerstelle bedeutet. Für eine bestimmte Lage der Fehlerstelle, also für ein bestimmtes ζ ist E propor- 1,05 tional i. Soll die Differenz der Kräfte unabhängig von der Stärke des Fehlerstromes sein, dann müßte bei Steigerung des Stromes und damit der Spannung das Drehmoment des Spannungsmagneten um den gleichen Betrag n₀ wachsen als das des Strommagneten.

Bezeichnet man mit f (i) die Stärke des Strommagneten für den Fehlerstrom i, mit φ (si) die Stärke des Spannungsmagneten für die Spannung si. ng

Ändert sich nun der Strom vom Werti in α i, dann ändert sich die Spannung bei beliebig gegebener, konstanter Impedanz des Leitungsstückes zwischen Relais und Fehlerstelle von si in azi, und es ist dann/ (ai) die Stärke des Strommagneten für den Fehlerstrom ai, φ (azi) die Stärke des

Spannungsmagneten für die Spannung asi. \ Soll die Differenz unabhängig vom Fehler- j strom sein, dann besteht die Beziehung

f(i)—<P (**) = f (ai) ~φ (asi).

Diese Gleichung wird erfüllt, wenn das Zug- bzw. Drehmoment sowohl des Stromais auch des Spannungsmagneten die gleiche logarithmische Funktion des Stromes bzw. ίο der Spannung ist, denn es ist ι

lgi — Ig (si) = Ig (ai) — Ig (sai). ;

Diese Abhängigkeit der Kräfte von den i Ursprungsgrößen läßt sich annähernd durch bekannte Mittel (Sättigung, Widerstand) in ' dem in Betracht kommenden Arbeitsbereich des Magneten erreichen.

Bezüglich der zusätzlichen Erregung des Spannungsmagneten muß noch erwähnt werden, daß sie auch in der Weise erreicht , werden kann, daß eine dem Strom propor- j tionale Zusatzspannung (z. B. mit Hilfe eines ' Stromtransformators) in den Erregerkreis _; des Spannungsmagneten eingefügt werden ' kann.

Das beschriebene Selektivrelais ist für Netze beliebiger Art anwendbar, wenn man die verwendeten Magnete der Stromart des Netzes anpaßt. So kommen Relais mit Einrichtungen nach Abb. 1 vorwiegend bei Gleich- _t stromnetzen, mit Einrichtungen nach Abb. 6 dagegen bei Ein- und Mehrphasennetzen in Betracht. Der Vorteil der Einrichtung macht sich vorwiegend in Netzen mit vielen Zweigleitungen geltend, bei welchen oft Relais an nahe beieinanderliegenden Leitungspunkten eingebaut sind.

Claims (9)

1. Patent-Ansprüche: 1

   i. Selektivrelais zum Schütze elektrischer Leitungen, auf dessen beweglichen Teil ein Strom- und ein Spannungsmagnet einwirken und bei welchem die Auslösezeit eine Funktion der Differenzwirkung beider Magnete ist, derart, daß mit wachsender Differenz die Auslösezeit kleiner wird, dadurch gekennzeichnet, daß , der Spannungsmagnet durch den Strom des Strommagneten bzw. durch einen mit diesem gleichsinnig veränderlichen Strom derart zusätzlich erregt ist, daß je nach der Richtung des Stromes seine Wirkung unterstützt oder geschwächt wird.
2. 2. Selektivrelais nach Anspruch 1, da- j

   durch gekennzeichnet, daß eine besondere, auf den Spannungsmagneten wirkende I Erregerspule in Reihe mit der Erregerspule des Strommagneten geschaltet ist.
3. 3. Selektivrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Strom des Strommagneten annähernd proportionaler Strom auf eine Erregerspule des Spannungsmagneten transformatorisch übertragen wird.
4. 4. Selektivrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Stromspule verkettetes Sekundärsystem eines Transformators unmittelbar auf den Spannungsmagneten einwirkt.
5. 5. Selektivrelais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als mit der Stromspule verkettetes Sekundärsystem eine beiden Magneten gemeinsame drehbare Induktionsscheibe verwendet wird, auf welche beide Magnete treibende Kräfte ausüben.
6. 6. Selektivrelais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom- und der Spannungsmagnet derart ausgebildet sind, daß jeder Magnet für sich allein ein von der Stellung des Drehsystems unabhängiges Drehmoment erzeugt, wobei sich diese Drehmomente entgegenwirken.
7. 7. Selektivrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Normalbetrieb des Netzes der Strommagnet ein schwächeres Feld und demzufolge ein kleineres Drehmoment als der Spannungsmagnet besitzt, wobei Einrichtungen vor- gesehen sind, welche bewirken, daß das Relais nur dann anspricht, wenn z. B. infolge einer eingetretenen Störung das vom Strommagneten ausgeübte Drehmoment größer als das vom Spannungsmagneten erzeugte ist.
8. 8. Selektivrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld des Strommagneten weniger als proportional mit dem Strom anwächst.
9. 9. Selektivrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch besondere Einrichtungen (Vorschaltwiderstände, Verwendung gesättigter Magnetkerne) bewirkt wird, daß das vom Strommagneten ausgeübte Drehmoment annähernd eine logarithmische Funktion des Stromes und das vom Spannungsmagneten ausgeübte Drehmoment annähernd eine gleiche lagarithniische Funktion der Spannung ist, zum Zweck, die Differenz der Drehmomente und somit die Auslösezeit nur abhängig von der Entfernung des Relais von der Fehlerstelle, jedoch unabhängig von der Größe des Fehlerstromes zu erhalten.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen,