DE440945C - Selektivrelais zur Ausschaltung elektrischer Stromkreise bei einphasigem Erdschluss - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 21. FEBRUAR 1927

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

- JVi 440 945 KLASSE 21 c GRUPPE 68

(M8&195 VIII12IC)

Dr. Paul Meyer Akt-Ges. in Berlin.

Selektivrelais zur Ausschaltung elektrischer, Stromkreise bei einphasigem Erdschluß. Patentiert im Deutschen Reiche vom 12. März 1925 ab.

Die Aufgabe des Selektivschutzes für elek- ' dere dadurch hervorgerufen, daß die Erd-

trische Netze ist für den Fall des Kurz- schlußströme bei einphasigem Erdschluß und

Schlusses in einwandfreier Weise gelöst, ; fehlender Erdung des Nullpunktes sehr kleine

während die Bekämpfung des Erdschlusses i Werte im Vergleich zum Betriebsstrom an-

Schwierigkeiten macht. Diese sind insbesou- | nehmen können.

Nach der Erfindung wird deshalb die Auslösung für den Fall des Erdschlusses nicht von der Stromstärke, sondern von der Phasenverschiebung und von der Phasenspannung gegen Erde an dem betreffenden Punkte abhängig gemacht.

Die Phasenverschiebung ist im Falle eines einphasigen Erdschlusses kapazitiv und nähert sich etwa 90⁰. Ein derartiger Fall kann im ίο ungestörten Betriebe auch auftreten, wenn auch vielleicht nicht mit so großer Phasenverschiebung, wenn z. B. die Leitungen fast ohne Belastung an Spannung liegen. In diesem Betriebsfall darf die Ausschaltung nicht erfolgen, während bei Erdschluß und gleichzeitiger kapazitiver Phasenverschiebung die Ausschaltung erfolgen soll.

Um dies zu erreichen, wird die Einwirkung der Phasenverschiebung mit derjenigen der Phasenspannung an. dem betreffenden Punkte in der Weise verbunden, daß bei einem erheblichen Sinken der Phasenspannung und bei einer gleichzeitigen Phasenverschiebung von etwa 90⁰ kapazitiv die Auslösung erfolgt. Man kann diese Bedingung dadurch erfüllen, daß für beide Fälle getrennte Relais verwendet werden, deren Sekundärkontakte durch entsprechende Schaltung die Erfüllung der Auslösebedingung sichern. Wenn es sich z. B. um eine Stromwandlerauslösung handelt, bei welcher die Überbrückung der Auslösespule eines Ölschalters im Augenblick der Auslösung aufgehoben werden soll, so würde man ein Phasenverschiebungsrelais und ein Phasenspannungsrelais mit Ruhestromsekundärkontakten verwenden und die beiden Sekundärkontakte parallel schalten, so daß nur bei gleichzeitigemAnsprechenbeider der Kurzschluß der Auslösespule aufgehoben wird. Diese Anordnung ist etwas empfindlich, weil insbesondere die Phasenverschiebungsrelais verhältnismäßig geringe Kräfte bei den geringen zur Verfügung stehenden Strömen aufweisen. Es empfiehlt sich daher eine An-Ordnung, bei der das Phasenverschiebungsrelais selbst keinen Kontakt betätigt, sondern sich vielmehr ohne mechanische Beanspruchung einstellt und dann das Phasenspannungsrelais die nötigen Kräfte hergibt, indem eine am Phasenverschiebungsrelais angebrachte, an sich bekannte Daumenscheibe sich in den Weg des Phasenspannungsrelais stellt und als Hindernis für eine am Spannungsrelais angebrachte Kontakteinrichtung in dessen Weg tritt und damit die Betätigung bewirkt. Auf diese Weise werden die Kräfte von den mechanischen Teilen, insbesondere der Achsenlagerung des Phasenverschiebungsrelais aufgenommen, das Drehmoment desselben spielt aber für die Betätigung· des Kontaktes keine Rolle.

Eine derartige Anordnung enthält also ein stehendes System in Form eines Phasenverschiebungsmessers und ein bewegliches System in Form eines Phasenspannungs- 6g messers. Das stehende System ist mit einer Daumenscheibe ausgerüstet, welche bei hinreichender kapazitiver Phasenverschiebung sich in den Weg des beweglichen Systems stellt und dadurch die Auslösung bewirkt, während bei einer normalen, betriebsmäßigen Belastung mit geringer kapazitiver oder induktiver Phasenverschiebung oder bei induktiver Belastung der Kranz der Daumenscheibe so weit zurücktritt, daß eine Kontaktbetätigung auch bei dem größten Hub des Phasenspannungsrelais nicht eintreten kann.

Das bewegte System ist ein Voltmeter mit Verzögerung, welches an der Phasenspannung liegt, z. B. in der bekannten Holmgren-Schaltung mit Fünf Schenkelwandler. Das Phasenspannungssystem bewegt sich mit sinkender Spannung auf die Phasenverschiebungsdaumenscheibe zu und entfernt sich mit steigender. Spannung. . Bei voller Spannung und bei den betriebsmäßig vorkommenden Abweichungen bis etwa 10 Prozent unter der Betriebsspannung bleibt die Stellung des Phasenspannungssystems auch im Falle von 90⁰ kapazitiver Phasenverschiebung außerhalb des Bereichs der Daumenscheibe am stehenden .System, so daß bei diesen betriebsmäßig ohne Erdschluß vorkommenden Fällen eine Auslösung nicht erfolgt.

Sinkt die Phasenspannung erheblich unter diesen Wert, so nähert sich das bewegte System immer mehr dem stehenden. Bei einem unteren Werte der Spannung, der betriebsmäßig auch im ungünstigsten Falle ohne Defekt nicht auftritt, findet die Berührung der Daumenscheibe durch das Spannungssystem statt, falls gleichzeitig die kapazitive Phasenverschiebung von etwa 90⁰ eingetreten ist, und die Auslösung erfolgt.

Da nun das Spannungssystem normal (bei voller Spannung) sich in der äußersten, AOm stehenden System am weitesten entfernten Lage befindet, und da es mit einer Dämpfung versehen ist, so bewegt es sich gegen das stehende System mit einer Geschwindigkeit, welche um so größer ist, je niedriger die Spannung an dem betreffenden Punkte sich einstellt.

Sinkt die Spannung infolge des Erdschlusses plötzlich auf Null, so bewegt sich der Phasenspannungsteil verhältnismäßig schnell gegen den feststehenden Teil, und die Auslösung erfolgt rasch. Je höher die Spannung an dem zu betrachtenden Punkte ist, um so langsamer erfolgt die Auslösung, bis bei Erreichung der Spannung, bei der die Daumenscheibe nicht mehr berührt wird, diese Zeit

auf Unendlich geht; dadurch wird eine Selektivwirkung erzielt, denn je näher die betreffende Stelle dem Punkte des Erdschlusses liegt, um so niedriger ist auch die dort herrsehende Phasenspannung.

In der Abbildung ist schematisch eine Anordnung nach der Erfindung dargestellt.

Dabei bedeutet ι den Phasenverschiebungsteil mit den zwei Spannungswicklungen 2, 3, welche unter Vorschaltung induktiver bzw. induktionsfreier Widerstände 4, 5 an dem Spannungswandler 6 liegen; 7 ist die zugehörige Stromwicklung, sie liegt an dem Stromwandler 8; 9 ist die Daumenscheibe, welche sich in den Weg des Spannungssystems 10 stellt; 11 ist die Wicklung des Phasenspannungssystems, welches als elektromagnetisches Gerät vorgesehen ist; 12 bedeutet den drehbar angeordneten Kontakt, welcher den Auslösekreis mit der Stromquelle 13 und der Auslösespule 14 schließt. Die Dämpfung des Spannungssystems ist in der Zeichnung nicht sichtbar.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende:

Mit sinkender Spannung bewegt sich das Kontaktsystem 12 im Gegenzeigersinne und erreicht bei hinreichend niedriger Spannung und entsprechender Phasenverschiebung, d. h. entsprechender Stellung der Daumenscheibe 9, diese letztere nach einer bestimmten Zeit. Diese Zeit ist nun um so kleiner, je kleiner die Spannung und je geringer der Abstand zwischen der Daumenscheibe und der NuIllage des Kontaktes 12 ist. Bei Berührung des Kontaktes 12 mit der Daumenscheibe 9 wird der Auslösekreis 13, 14 geschlossen, wodurch die Abschaltung des zugehörigen Schalters veranlaßt wird. Da an der Erdschlußstelle die geringste Spannung herrscht, löst das zugehörige Relais am frühesten aus, wodurch die selektive Abschaltung von Erdschlüssen erreicht ist.

Wie erwähnt, soll das Phasenspannungsrelais mit einer Verzögerung versehen sein. Eine besonders zweckmäßige Lösung dieser Aufgabe ist durch das thermische Relais gegeben, z. B. indem man einen an sich bekannten Bimetallstreifen mit einer Spannungswicklung heizt und derart anordnet, daß er bei voller Spannung, also größter Durchbiegung, sich nach der dem feststehenden System entgegengesetzten Seite krümmt, während er bei Nullspannung, also Abkühlung, sich in den Weg der Daumenscheibe zu stellen bestrebt ist.

Ein derartiges thermisches System, wie es

mit Erfolg für den selektiven Netzschutz bei Kurzschlüssen verwendet worden ist, gestattet, verhältnismäßig große Kräfte zu erzielen, so daß man den vom bewegten System mitzuschleppenden Kontakten eine solide Konstruktion und reichliche Abmessungen geben kann, was besonders bei Stromwandlefauslösung, wo die Kontakte während der Dauer des Defektes stark überlastet werden können, von Bedeutung ist. Wie dies beim Kurzschlußnetzschutzrelais bereits ähnlich ausgeführt, kann man deshalb durch ein solches thermisches Relais die Verklinkung der Kontakte in der Stellung, welche den Kurzschluß der Auslösespule bewirkt, durch das Spannungsverlustrelais bei Wiederkehr der vollen Spannung bewirken, so daß der Apparat sich selbst wieder betriebsfähig macht.

Die Stromwandlerauslösung, welche hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt ist, insbesondere weil sie sich bei dem verwendeten Kurzschlußnetzschutzrelais sehr empfiehlt, eignet sich für das Erdschlußrelais wenig, ; weil beim Erdschluß — wie eingangs erwähnt — geringe Ströme auftreten können. Es ist deshalb zweckmäßig, die Auslösung von den Kontakten des Erdschlußrelais durch Arbeits- ; strom mittels der verketteten Netzspannung abzuleiten, denn wenn auch die Phasenspannung gegen Erde auf einen geringen Betrag sinkt, so bleibt doch die verkettete Spannung gegen die andere Phase im Falle des einphasigen Erdschlusses bei einem Netz ohne Erdung des Nulleiters bestehen. Man rüstet in diesem Falle'das Erdschlußrelais mit einem Arbeitsstromkontakt aus, der sich bei Berührung des bewegten und des feststehenden Relaisteiles schließt, und schaltet durch diesen Kontakt eine verkettete Spannung auf eine Arbeitsstromauslösespule für die Betriebsspannung bzw. für die sekundäre Betriebsspannung eines Spannungswandlers. In diesem Falle erübrigt sich die bei Beschreibung der Stromwandlerauslösung angegebene Verklinkung der Kontakte.

Die hier beschriebene Anordnung dient im wesentlichen zur Bekämpfung des einphasigen Erdschlusses in Anlagen ohne geerdeten Nullleiter. Der einphasige Erdschluß bei Anlagen mit geerdetem Nulleiter sowie der zwei- oder dreiphasige Erdschluß stellen einen Kurzschluß dar, bei dem größere Stromstärken als der normale Betriebsstrom auftreten und die Auslösung durch die Kurzschlußselektivrelais gesichert ist.

Das hier beschriebene Selektivrelais beruht auf einer Symmetriestörung. Es ist nicht erforderlich, daß für jede Phase ein derartiges Erdschlußrelais verwendet wird, obwohl diese Anordnung sich durchaus verteidigen läßt. Man kann vielmehr die drei so entstehenden Erdschlußrelais zu einem einzigen verbinden, indem man die drei Stromwandler des Dreh-Stromnetzes in Holmgren-Schaltung verwendet und die Stromwicklung des Phasen-

Verschiebungsrelais in den gemeinsamen Zweig dieser Schaltung legt, und indem man als Spannungswandler einen Fünfschenkelwandler verwendet und die Spannungswicklungen des Relais hier anschließt.

Die praktische Ausführungsform wird sich

an diejenige von Netzschutzrelais, etwa nach der deutschen Patentschrift 314 755 (Abb. 4), anlehnen. Man wird also durch die Phasenverschiebung eine Kurvenscheibe oder ein Kontaktglied bewegen, das sich in den Weg des vom Phasenspannungsrelais bewegten Teiles stellt, so daß bei Berührung der beiden Teile infolge der Kreuzung ihrer Bahnen die Kontaktgebung bewirkt wird.

Das Phasenspannungsrelais wird — wie erwähnt — zweckmäßig als thermisches System ausgebildet, unter Umständen auch als magnetisches System mit entsprechender Dämpfung. Es bewegt seine Kontaktteile derart, daß es auf das Kontaktstück des stehenden Systems trifft, wenn eine entsprechend lange Zeit verflossen ist. Das Spannungssystem wird sich um so langsamer bewegen, je höher die Spannung ist. Bei hinreichend hoher Spannung findet überhaupt keine Bewegung statt, bei vollständig verschwindender Spannung eine verhältnismäßig kurze.

Der Weg, den das bewegte Stück des Spannungssystems zurückzulegen hat, hängt von der Stellung des ' Phasenverschiebungssystems, also des stehenden Systems, ab und ist um so kürzer, je größer die Phasenverschiebung ist. Die Geschwindigkeit des bewegten Systems hängt von der Phasenspannung ab und ist um so größer, je kleiner diese wird. Wie man sieht, sind dadurch die eingangs aufgestellten Bedingungen für die Ableitung der Selektivwirkung erfüllt.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Selektivrelais zur Ausschaltung elektrischer Stromkreise bei einphasigem Erdschluß, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösung von der Phasenverschiebung und der Phasenspannung gegen Erde derart abgeleitet ist, daß bei kapazitiver Phasenverschiebung von etwa 90⁰ und bei gleichzeitig erheblich sinkender Spannung die Auslösung erfolgt.

2. Selektivrelais zur Ausschaltung elektrischer Stromkreise bei Erdschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Phasenverschiebung in der betreffenden Phase gesteuerte Daumenscheibe (stehendes System) mit einem von der Spannung unter Verzögerung bewegten Kontaktglied (bewegtes System) derart zusammenarbeitet, daß beim Auftreffen des bewegten Gliedes auf die Daumenscheibe die Kontaktbetätigung für die Auslösung des betreffenden Schalters erzielt wird.

3. Selektivrelais zur Ausschaltung elektrischer Stromkreise bei Erdschluß nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Daumenscheibe nur in einer Stellung, welche starker kapazitiver Phasenverschiebung entspricht, sich in den Weg des bewegten Gliedes stellt.

4. Selektivrelais zur Ausschaltung elektrischer Stromkreise bei Erdschluß nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Spannungssystem sich mit sinkender Spannung dem feststehenden System nähert, bei steigender Spannung von ihm entfernt und bei voller Spannung ganz aus dem Bereich der Daumenscheibe verschwindet.

5. Selektivrelais zur Ausschaltung elekfrischer Stromkreise bei Erdschluß nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungssystem ein thermisches System benutzt ist.

6. Selektivrelais zur Ausschaltung elekfrischer Stromkreise bei Erdschluß nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungssystem aus einem mit einer von der Spannung erregten Heizwicklung umgebenen Bimetallstreifen besteht.

7. Selektivrelais zur Ausschaltung elektrischer Stromkreise bei Erdschluß nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungssystem bei Rückgang in die Normalstellung (entsprechend voller Spannung) die Verklinkung für die Schaltkontakte wieder selbsttätig einlegt.'

8. Selektivrelais zur Ausschaltung elekirischer Stromkreise bei einphasigem Erdschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenverschiebungsrelais und ein Phasenspannungsrelais durch gemeinsame Schaltung der Sekundärkontakte die Auslösung eines Schalters bewirken, wenn die Phasenverschiebung etwa 90⁰ kapazitiv erreicht und die Phasenspannung gegen Erde gleichzeitig erheblich sinkt. "

9. Selektivrelais nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösung mittels Arbeitsstromkontakte durch Einschaltung einer an einer verketteten Spannung angeschlossenen Arbeitsstromspannungsspule bewirkt wird.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.