DE441121C - Einrichtung zum Erdschlussschutz von Hochspannungsnetzen durch induktive Zwischenpolerdung - Google Patents

Description

Bei den bekannten Einrichtungen zum Erdschlußschutz von Hochspannungsnetzen werden Induktivitäten verwendet, welche zwischen Erde und gewissen Spannungspunkten des Netzes geschaltet werden. Diese Spannnungspunkte sind meist durch an das Netz angeschlossene Wicklungen oder durch die Netzleiter selbst gegeben.

Die einfachste Art der induktiven Erdung

ίο ist die sogenannte Nullpunktserdung, bei der eine einzige Löschspule zwischen dem Sternpunkt einer am Netz liegenden Wicklung und Erde geschaltet ist. Stellen die Netzleiter die Spannungspunkte zum Anschluß einer der Phasenzahl des Netzes entsprechenden Zahl von Löschspulen dar, dann liegt die so-•genannte Polerdung vor. Der Anschluß der Löschspulen an andere als die genannten Spannungspunkte ist in der Literatur »Zwischenpolerdung« genannt worden. Auch bei dieser ist, sofern der Anschluß der Löschspulen phasensymmetrisch erfolgt, eine der Netzphasenzahl gleiche Zahl von Löschspulen erforderlich, deren Größe aber von der Größe der zwischen den Anschlußpunkten der Lösch-

spulen und dem Sternpunkt der Wicklungen herrschenden Spannungen abhängt.

Bei allen diesen bekannten Erdschlußeinrichtungen wird die kapazitive Komponente des Erdschlußstromes durch eine entsprechend große induktive Komponente des Löschspulenstromes an der Erdschlußstelle aufgehoben, so daß diese gegen die Phasenspannung um 90⁰ phasenverschobene Stromkomponente nicht über die Fehlerstelle, sondern über die Löschspulen fließt. Nicht aufgehoben wird aber diejenige Stromkomponente des Erdschlußstromes, welche in Phase mit der Phasenspannung des kranken Leiters ist, welche also die Wattkomponente des Erdschlußstromes darstellt. Ferner aber werden auch die Oberwellenströme des Erdschlußstromes durch die genannte Einrichtung nicht von der Erdschlußstelle abgesaugt, weil die Löschspulen sich nur in bezug auf die Grundfrequenz des Netzes mit den Teilkapazitäten des Netzes gegen Erde in Resonanzabstimmung befinden. Auch die aus gewissen Gründen vorgeschlagene Dissonanzabstimmung geht bei weitem nicht so weit, daß die

Löschspule in Resonanz auch nur mit der nächsten (dritten) Oberwelle käme. So verbleibt demnach selbst bei exaktester Resonanzabstimmung der Löschspule an der Fehlerstelle noch ein Reststrom, welcher sich aus der Wattkomponente und den Oberwellenströmen des Erdschlußstromes und auch aus der Wattkomponente des Löschspulenstromes zusammensetzt. Bei Netzen nicht allzu großer ίο Ausdehnung ist dieser Reststrom relativ klein und er hindert nicht die Unterdrückung bzw. das rasche Ablöschen des Erdschlußlichtbogens. Je größer aber die zu schützende Netzlänge ist, um so größer wird auch der bisher nicht kompensierbare Teil des Erdschlußstromes, und schließlich kann bei Netzen außerordentlicher Größe der Reststrom eine Größe erlangen, welche die Schutzwirkung der Löschspulen illusorisch macht, indem eine Unterdrückung und ein Löschen des Lichtbogens nicht mehr stattfindet.

Nun ist bereits die Zerlegung des Netzes in Teile von einer zum Löschen noch ausreichenden Größe und ihre galvanische Trennung durch Zwischenschaltung von Zweispulentransformatoren mit dem Übersetzungsverhältnis ι : I vorgeschlagen worden, aber diese Transformatoren müßten für die ganze durchgehende Netzleitung bemessen und primär und sekundär für die volle Netzspannung isoliert sein. Sie werden also sehr groß und teuer, erfordern Magnetisierungsarbeit und bedingen zusätzliche Eisen- und Kupferverluste.

Eine bessere und einfachere Lösung der Aufgabe, die Löschfähigkeit der Erdschlußschutzeinrichtung auch bei außerordentlich großen Netzen zu erhalten, wird nun erfir,- j dungsgemäß durch eine besondere Art des i Anschlusses der Löschspulen an eine an das , Netz angeschlossene Wicklung in Verbindung mit einer besonderen Bemessung und Ausgestaltung der Spulen erreicht, und es ist auf ^: diese Weise möglich, neben der kapazitiven ; auch die Wattkomponente des Erdschluß- ■ stromes an der Fehlerstelle zu kompensieren, so daß der Reststrom nur noch die Oberwellen I des Erdschlußstromes enthält. Damit ist die ■ Grenze für die kilometrische Leitungslänge : eines Netzes, bei welcher mit Hilfe von Löschspulen noch ein sicheres Löschen des j Erdschlußlichtbogens stattfindet, ganz erheblich hinausgeschoben.

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrich- ■ tung zum Erdschlußschutz von Hochspannungsnetzen durch induktive Zwischenpol- ■ erdung, bei welcher eine der Phasenzahl des Netzes entsprechende Zahl von Induktivitäten zwischen Erde und symmetrisch gelegenen j Punkten eines an das Netz angeschlossenen ! Wicklungssystems geschaltet sind, wobei die Lage der Anschlußpunkte eine solche ist, daß die ihnen entsprechenden Sternspannungen sich weder in Phase noch in Gegenphase zu den Phasenspannungen des Netzes befinden, bei welcher ferner die im Erdschlußfalle an j verschieden großen Spannungen liegenden Induktivitäten derart bemessen sind, daß die Summe der bei Erdschluß eines Netzleiters in ihnen fließenden Ströme einen dem grundfrequenten Erdschlußstrom gleichen resultierenden Strom ergibt, und bei welcher schließlich die Induktivitäten Magnetkerne j besitzen, deren Eisensättigung so gewählt ist, daß infolge der durch die Sättigung erzielten Unproportionalität zwischen Strom und Spannung in den einzelnen Induktivitäten die Phase des resultierenden Stromes den Induktivitäten der Phase des Erdschlußstromes so weit entgegengerichtet ist, daß außer der kapazitiven mindestens teilweise auch die Wattkomponente des Erdschlußstromes kompensiert ist.

Die Erfindung sei an Hand der Ausführungsbeispiele der Abb. 1 bis 4 näher erläutert.

Abb. ia und ib stellen zwei der Erfindung entsprechende Schaltungen zum Anschluß der Löschspulen an Wicklungen dar, welche an die Netzleiter des zu schützenden Netzes angeschlossen sind.'

Abb. 2 stellt das Spannungs- und Stromdiagramm des Netzes und der Schutzeinrichtung im Falle des Erdschlusses eines Netzleiters dar.

Abb. 3 stellt die Magnetcharakteristik der Löschspulen, also die Abhängigkeit der Spannungen von ihren Strömen dar.

In Abb. la bedeuten I, II, III die Leiter (Pole) eines Dreiphasennetzes, welches durch Löschspulen zu schützen ist. ab c d ef ist ein Wicklungsystem, welches an das Netz an-, geschlossen ist und zum Anschluß der Löschspulen dient. Es kann dabei gleichzeitig auch die Primärwicklung eines vom Netz gespeisten Transformators sein. I₁1₂1₃ sind drei Löschspulen gleicher Größe und Ausführung, die so bemessen sind, daß sie bis zu etwa dem 1,15 fachen der Phasenspannung noch auf dem geraden Teil der Sättigungskurve arbeiten, no Wie aus der Abbildung ersichtlich, sind d ef die phasensymmetrischen Anschlußpunkte für die Löschspulen. Sie werden bei dem gewählten Ausführungsbeispiel durch Zickzack-· schaltungen gewonnen, indem sich die Wickhingen 0 d, 0 e, of aus je zwei Wicklungen zusammensetzen, welche verschiedenen Phasen angehören. Die den Anschlußpunkten entsprechende Sternspannung, deren Phasenspannungen die Spannungen zwischen den Punkten ο d, 0 e, of sind, ist gegen die die Wicklung abc speisende Netzspannung um

einen Winkel gedreht, welcher aber kleiner als 60 ° ist, so daß die an den Punkten d e f herrschende Sternspannung sich weder in Phase noch in Gegenphase zu den Phasenspannungen des Netzes befinden.

In ähnlicher Weise lassen sich die Anschlußpunkte für die Löschspulen gemäß Abb. ib mit Hilfe einer Dreieckwicklung gewinnen, indem man die Wicklung jeder Phase in zwei Teile unterteilt, deren Windungszahlen sich in dem gewählten Beispiel wie 1 : 2 verhalten, wobei die Teilpunkte d e f der Wicklungen ab, b c, ca die Anschlußpunkte für die Löschspulen I₁ L I₃ sind. Bei dem gewählten Teilungsverhältnis ist also

ad : db = b e : e c ■= cf :f a =■ 1 : 2,

und es befindet sich die den Punkten d ef entsprechende Sternspannung weder in Phase noch in Gegenphase zur Netzspannung. Für die Bemessung der Löschspulen I₁1₂I₃ gilt hinsichtlich der Sättigung das bezüglich der Spulen in Abb. ia Gesagte. Die Induktivität der Spulen ist aber so zu bemessen, daß die Summe ihrer Ströme, wenn sie im Erdschlußfalle unter Wirkung der verschiedenen Spannungen stehen, einen resultierenden Strom gleich dem grundfrequenten Erdschlußstrom des Netzes ergibt. Diese Bemessung läßt sich an Hand der Sättigungskurve und des Strom- und Spannungsdiagrammes bestimmen.

Abb. 3 zeigt eine Sättigungskurve, welche die Abhängigkeit der Spannung von dem Strom der Löschspule in dem in Betracht kommenden Spannungsbereich veranschaulicht. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung soll nun an Hand des Vektordiagrammes der Abb. 2 näher erläutert werden.

In Abb. 2 stellt α b c das Spannungsdreieck des Netzes dar. 0 a, ob, 0 c sind die Vektoren der drei Phasenspannungen, während ο b, b c, c α die \'"ektoren der drei Außenleiterspannungen sind. Die Spannungspunkte d e f, an welche die drei Löschspulen angeschlossen

⁴^ sind, liegen auf den Vektoren der Außenleiterspannungen, und es entsprechen ihnen die Sternspannungen ο d, ο e, of, die gegen die Phasenspannung des Netzes um 30⁰ in der j Phase verschoben sind, da

ad: db=be: ec=cf: fa=i : 2

gewählt ist. Die Verschiebung der Phase erfolgt aber in Richtung des Drehfeldsinnes, welcher durch den eingezeichneten Pfeil gekennzeichnet ist. Die Drehung um 30 ° erweist sich, wie aus der nachfolgenden Betrach- j tung hervorgeht, als sehr günstig und die Lage I der Anschlußpunkte als sehr zweckmäßig, weil | sie mit Hilfe einer Dreieckwicklung auch in j

Netzen erreicht werden kann, wo in Stern geschaltete Transformatorwicklungen nicht zur Verwendung gelangen. Ist das Netz symmetrisch, dann hat im Normalbetrieb Punkt 0 das "Potential der Erde, und an den Löschspulen herrschen die unter sich gleichen Spannungen 0 d, 0 e, 0 f. Da im dargestellten Falle 0 d = a d ist, so erkennt man aus Abb. 3, daß die Löschspulen im normalen Netzbetrieb auf dem geraden Teil ihrer Charakteristik arbeiten. Es sei nun angenommen, der Außenleiter der Phase ο α gerate in Erdschluß, so daß also Punkt α mit Erde verbunden ist. Punkt 0 hat dann gegen Erde eine Spannung gleich der Phasenspannung ο α, und die an den drei Löschspulen herrschenden Spannungen sind α d, α e und α f. An der Erdschluß stelle tritt ohne Löschspule ein Erdschlußstrom a g' auf, welcher dadurch zustande kommt, daß ein Strom von den Außenleitern der Phasen 0 b und 0 c über die zugehörigen Teilkapazitäten gegen Erde zur Fehlerstelle fließt. Dieser Strom hat die kapazitive Komponente a g (senkrecht zu no), und die Wattkomponente g g (in Phase mit a 0). Die Oberwellenkomponente des Erdschlußstromes ist in diesem Diagramm nicht berücksichtigt. Würde man nun Nullpunktserdung (eineLöschspule zwischen 0 und Erde) oder Polerdung (drei Löschspulen zwischen abc und Erde) wählen und hätte man die Spulen für Resonanzabstimmung bemessen, dann hätte der induktive Strom der Löschspulen die Richtung αti, er wäre also in Gegenphase zu ag. Es kommt aber noch der Verluststrom h ti der Löschspulen hinzu, so daß sich a ti und α g' zum Reststrom α α' addieren, welcher also der Summe der Wattkomponenten g g' -f- h ti entspricht. Dieser an der Fehlerstelle verbleibende Reststrom kann, wie bereits erwähnt, bei ausgedehnten Netzen eine das Löschen des Erdschlußlichtbogens verhindernde Größe haben, und die Aufhebung auch dieses Reststromes wäre daher von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Um dies zu erreichen, werden nun erfindungsgemäß die drei einpolig geerdeten Löschspulen mit den freien Enden an Zwischenpole einer vom Netz gespeisten Wicklung, z. B. an die Punkte d e f (Abb. ib) gelegt, deren Spannungen gegen den Wicklungssternpunkt 0 nicht in die Riehtungslinien der Phasenspannungen des Netzes fallen.

Wenn dann die Spulen unter Wirkung der im Erdschlußfalle an ihnen herrschenden Spannungen teilweise auf dem gekrümmten Teil ihrer Charakteristik arbeiten, dann fällt der aus den drei Spulenstromen resultierende Strom nicht mehr in die Richtung a ti, sondern er erhält eine derartige Phase, daß er die Wattkomponente des Erdschlußstromes mindestens teilweise aufhebt. Aus Abb. 3 geht hervor, daß die Spulenspannungen α d und a f

noch im Bereich des geraden Teiles der Charakteristik liegen, daß also die Ströme i_t und i₂ der Spulen I₁ und I₂ noch annähernd proportional den Spannungen ihrer Spulen sind. i_t'h = ad : α f. Die Spannung a e aber an der dritten Spule bedingt bereits eine gewisse Eisensättigung (Abb. 3) und einen relativ großen Spulenstrom. Die Proportionalität zwischen Spannung und Strom besteht nicht in diesem Teil der Charakteristik der Spule.

In Abb. 2 ist ak die induktive, k k' die Wattkomponente des Stromes i_t der Spule I₁, k' η die induktive, η η' die Wattkomponente des Stromes i₂ der Spule I₂, η m die induktive, m m' die Wattkomponente des Stromes i_s der SpuleZ₈. Es steht αk senkrecht auf ad, k' η senkrecht auf α f und ii m senkrecht auf a e. War mit den bisher gebräuchlichen Mitteln ein resultierender Spulenstrom erreichbar, dessen Vektor nach Größe und Lage durch α h' dargestellt ist, so bewirkt die eigenartige Wahl der Anschlußpunkte der Löschspulen in Verbindung mit einer passend gewählten Eisensättigung, daß der resultierende Löschspulenstrom gegenüber dem bisher erreichbaren um den Winkel h' a w! zurückgedreht erscheint, und durch entsprechende Wahl der Verhältnisse kann der resultierende Löschspulenstrom α m' genau in Gegenphase zum grundfrequenten Erdschlußstrom ag' gebracht werden. Ein Watt-Reststrom ist nicht mehr vorhanden. Die Grenzen der Anwendbarkeit der Löschspulen sind damit weit hinausgeschoben, und der Zusammenschluß großer Netze kann ohne Beeinträchtigung der Löschfähigkeit der Löschspulen erfolgen.

Es ergibt sich noch der weitere Vorteil, daß bei gesunden, aber unsymmetrischen Netzen die Löschspulen keine Spannungsverlagerungen verursachen. Sind nämlich die Löschspulen auf die Teilkapazitäten gegen Erde unter Zuhilfenahme von Eisensättigung abgestimmt, dann ändert sich die Leitfähigkeit der Löschspulen in Abhängigkeit von der Spannung gar sehr, und zwar entspricht der kleineren Spannung auch die kleinere Leitfähigkeit. Ein Satz Löschspulen, der im Erdichlußfalle unter Berücksichtigung der Sättigung in Resonanz abgestimmt ist, befindet sich im normalen Netzbetrieb in Dissonanzabstimmung, weil bei den kleinen an den Spulenklemmen herrschenden Spannungen die Leitfähigkeit der Spulen eine geringere ist, wodurch die Resonanzabstimmung von selbst verschwindet. Dieser Umstand ist günstig, indem derartige Löschspulen keine erheblichen Spannungsverlagerungen in unsymmetrischen Netzen zeitigen. Die verbleibenden, nicht aufgehobenen Oberwellen des Erdschlußstromes können zum selektiven Erkennen einer kranken Zweigleitung verwendet werden, weil der jeweils kranke Leiter mehr oberharmonische Ströme führt als die gesunden Leiter der gleichen Phase.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zum Erdschlußschutz von Hochspannungsnetzen durch induktive Zwischenpolerdung, bei der eine der Phasenzahl des Netzes entsprechende Zahl von Induktivitäten zwischen Erde und symmetrisch gelegenen Punkten eines an das Netz angeschlossenen Wicklungssystems geschaltet sind, dadurch gekenn- zeichnet,, daß die Lage der Anschlußpunkte eine solche ist, daß die ihnen entsprechenden Sternspannungen sich weder in Phase noch in Gegenphase zu den Phasenspannttngen des Netzes befinden, daß ferner die im Erdschlußfalle an verschieden großen Spannungen liegenden Induktivitäten derart bemessen sind, daß die Summe der bei Erdschluß eines Netzleiters in ihnen fließenden Ströme einen dem grundfrequenten Erdschlußstrom gleichen resultierenden Strom ergibt, und daß schließlich die Induktivitäten Magnetkerne besitzen, deren Eisensättigung so gewählt ist, daß infolge der durch die Sättigung er- go zielten Unproportionalität zwischen Strom und Spannung in den einzelnen Induktivitäten die Phase des resultierenden Stromes der Induktivitäten der Phase des Erdschlußstromes so weit entgegengerichtet ist, daß außer der kapazitiven mindestens teilweise auch die Wattkompönente des Erdschluß stromes kompensiert ist.
2. 2. Einrichtung nach -Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Dreiphasen- ion netzen die den Anschlußpunkten entsprechenden Sternspannungen gegen die Phasenspannungen des Netzes um 30 ° im Umlaufsinn des Drehfeldes in der Phase verschoben sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschluß-•punkte für die Induktivitäten durch Phasenkombination von Wicklungsteilen verschiedener Phase geschaffen sind. no
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Dreiphasennetzen ohne anzapfbaren Nullpunkt die Induktivitäten an entsprechende Punkte der Seiten einer Dreieckwicklung angeschlossen sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.