DE450556C - Mehrphasen-Induktionsrelais - Google Patents

Description

Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Relais, das in Mehrphasennetzen beim Eintritt eines Leitungsbruches, eines Kurzschlusses zwischen zwei Leitungen und bei Vorhandensein eines nennenswerten Kapazitätsstromes auch im Fall eines Erdschlusses die Abschaltung der gestörten Leitungen herbeiführt. Die Anordnung läßt sich auch so treffen, daß zum Schutz von Mehrphasenanlagen mit mehreren hintereinander liegenden Unterstationen mehrere solcher Relais in Kaskadenschaltung verwendet werden können. In ausgeglichenen Mehrphasennetzen ohne Nulleiter ist die geometrische Summe der t5 Stromstärken in allen Leitungen konstant Null. Große Änderungen einer der Stromstärken führen daher auch Änderungen der übrigen Stromstärken sowie Änderungen der Phasenwinkel herbei.

Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Relais, das ausschließlich auf diese beiden miteinander verbundenen Änderungen der Stromstärke und des Phasenwinkels anspricht, dadurch, daß auf ein drehbares System ein Drehmoment zur Wirkung gebracht wird, dessen Vorzeichen nur von der Unausgeglichenheit oder Ungleichheit der Stromstärken, nicht aber von ihrer wirklichen Größe abhängt.

Tritt beispielsweise in einem Dreiphasennetz eine Änderung der Stromstärke in einem der Leiter ein, so besteht, wenn die Stromstärke an den beiden anderen Leitern mit J₁ bezeichnet wird, die Beziehung = k, J₁ wobei J₂ die Stromstärke in demjenigen Leiter bedeutet, in dem die Änderung eingetreten ist.

Das Relais nach der Erfindung bezweckt, einen Ausschalter für die gestörte Leitung in Tätigkeit zu setzen, wenn der Koeffizient einen gewissen einstellbaren Wert überschreitet. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß, wenn die Stromstärke klein ist, schon ein sehr kleiner Unterschied zwischen J₁ und J₂ ausreicht, um k den eingestellten Wert erreichen zu lassen. Die daraus entspringenden Unbequemlichkeiten kann man dadurch vermeiden, daß man dem normalen elektrischen Drehmoment des Apparates ein konstantes Drehmoment hinzufügt, das beispielsweise von einer Feder geliefert wird, die den Apparat nur dann ansprechen läßt, wenn der Wert J₁ — J₂ eine bestimmte Mindestgröße erreicht hat. Dieses zusätzliche Drehmoment wird eine in Betracht kommende Wirkung nur dann ausüben^ wenn die Leitung sehr wenig belastet ist, und wird bei starken Belastungen ohne wesentliche Wirkung sein.

Nachstehend ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Relais für Dreiphasenstrom beschrieben, das die vorstehend dargelegten Bedingungen erfüllt. Es besteht aus einer gutleitenden Metallscheibe, auf die drei Drehstromelektromagnete wirken. Jeder von diesen trägt zwei Wicklungen, die vermöge der Gestalt des Magnetkreises sehr verschiedene Zeitkonstanten haben. Eine der Wicklungen hat eine vergleichsweise hohe Selbstinduktion, die andere einen hohen Ohmsehen Widerstand.

Diese drei Elektromagnete, die in Abb. 1 mit i, 2 und 3 bezeichnet sind, sind um 120⁰ gegeneinander versetzt und wirken in dieser Stellung auf die Metallscheibe 4. Die Wicklungen sind miteinander so verbunden, daß die Selbstinduktionsspule des Elektromagneten ι parallel liegt mit der Widerstandsspule des Elektromagneten 2 und beide von dem Strom J₁ der Phase Ph 1 durchflossen werden. Die eine der Wicklungen des Elektromagneten ι liegt in der Phase 2, während die andere in die Phase 3 eingeschaltet ist. Wenn die Ströme in den drei Phasen ein ausgeglichenes System darstellen, sind die Verbindungen der Wicklungen der drei Elemente untereinander so_ö daß die Botentialdifferenizen zwischen den beiden Wicklungen ein und desselben Elektromagneten untereinander eine Phasenverschiebung von 60° haben.

Rechnung und Versuch zeigen, daß, wenn die Phasenverschiebung der Stromstärken zwischen den Selbstinduktions- und den Widerstandsspulen ein und derselben Phase genau 60 ° beträgt, das durch die drei Elektromagnete auf die Scheibe zur Wirkung gelangende Gesamtdrehmoment als Funktion des Betrages der ungleichen Belastung (J₁ —■ J₂) dargestellt wird durch die obere

Kurve in Abb. 2.

In einem so eingeregelten Apparat ergibt sich, wenn das vollkommene Gleichgewicht, das einer Belastungsgleichheit Null entspricht, auch nur ganz wenig gestört wird, ein positives Drehmoment, das man zur Schließung eines Kontaktes benutzen kann, der den Ausschalter zum Ansprechen bringt. In der Praxis ist es besser, die Empfindlichkeit nicht so groß zu machen, und man kann sie herabsetzen, indem man den Phasenverschiebungswinkel der Stromstärken in den Selbstinduktions- und den zu ihnen im Nebenschluß Hegenden Widerstandsspulen verkleinert.

Die Abb. 2 zeigt die verschiedenen Formen, die das Drehmoment als Funktion der ungleichen Belastung bei Änderung des Phasenverschiebungswinkels annimmt. Unter anderem ist ersichtlich, daß für einen Phasenverschiebungswinkel von 54,5° das Drehmoment bei Gleichgewicht negativ ist und nur positiv wird, wenn die Belastungsungleichheit größer wird als etwa 0,4 oder kleiner als etwa —0,5.

Wenn die ungleiche Belastung von einer Vergrößerung der Stromstärke in einer Phase herrührt, also z. B. von einem stärkeren oder schwächeren Kurzschluß, der in dieser Phase eingetreten ist, so kann der Ungleichheitskoef fi-

zient von ο bis — 0,732 sich ändern,

wobei der letztere Wert dem vollen Kurzschluß entspricht. Rührt die Ungleichheit der Belastung aber von einer Verringerung der Stromstärke in einer Phase her, beruht also auf einem mehr oder weniger vollkommenen Bruch der Leitung, so schwankt der Koeffizient zwischen ο und -f- 1. Das Relais kann also als Schutzvorrichtung dienen, sei es beim Eintritt von Ungleichheit der Belastung, unabhängig von der Ursache, sei es bei Drahtbruch, wenn die Verhältnisse so gewählt werden, daß der Überstrom in einer der Phasen oberhalb der in Abb. 2 punktiert gezeichneten Kurve liegt. Diese entspricht einem Verschiebungswinkel zwischen den Phasen der beiden Ströme, die so abgenommen werden, daß das Gesamtdrehmoment für eine Belastungsungleichheit von ·—-0,732 gleich Null ist. In diesem Fall müßte die aus einem Leitungsbruch sich ergebende Belastungsungleichheit, um eine Abschaltung herbeizuführen, wenigstens den Wert 0,5 erreichen.

Um dem Fehler abzuhelfen, der davon herrührt, daß bei einem gleichzeitigen Bruch beider Phasenleitungen, der das Gesamtdrehmoment des Systems auf den Wert Null bringt, der Ausschalter eingeklinkt bleibt, muß Vorsorge getroffen werden, daß der für negative Drehmomente eingestellte Apparat noch ein kleines positives Drehmoment hat, das genügt, die Ausschaltung herbeizuführen, auch wenn das aus den Stromstärken sich ergebende Gesamtdrehmoment Null wird.

Eine Betrachtung der Kurven in Abb. 2 zeigt, daß man die Empfindlichkeit des Relais, d. h. die Unterschreitung derjenigen Belastungsungleichheit, bei der die Abschaltung eintritt, ändern kann, indem man dem Phasenverschiebungswinkel den geeigneten Wert gibt. Praktisch kann man den Winkel durch Einstellung von Zusatzwiderständen ändern, die in den Stromkreis der Ohmschen Wicklungen gelegt sind, wie z. B. die in Abb. 1 mit 5, 6 und 7 bezeichneten Regelungswiderstände, oder indem man die magnetische Reluktanz der Drehfeldmagnete durch eine der zu diesem Zweck bekannten Maßnahmen beeinflußt.

Die Abb. 3 zeigt eine Ausführungsform eines nach der Erfindung eingerichteten Relais. Die Metallscheibe 8 ist um eine senkrechte Achse 9 drehbar und wird beeinflußt durch die Drehfelder, die von drei Elektromagneten (nur zwei dieser, 10 und 11, sind sichtbar) hervorgebracht werden. Jeder dieser Magnete trägt zwei Wicklungen, eine mitten in den Magnetstrom eingeschobene Spule 12 bzw. 13 mit hoher Selbstinduktion und eine auf die Pole aufgesetzte Spule 14 bzw. 15 mit verhältnismäßig hohem Ohmschen Widerstand. In den Stromkreis dieser letzteren Spulen sind regelbare Widerstände 16, 17 eingeschaltet, die mittels eines Drehknopf es 18 nach den Angaben eines daran befestigten Zeigers eingestellt werden, der sich über einer Teilung 19 bewegt. Diese Teilung enthält die Minimalwerte der Belastungsungleichheiten, bei denen der Apparat in Wir- tio kung treten soll. Der Magnetkreis ist oberhalb der Scheibe durch eiserne Lamellen 20, 21, 22 geschlossen. Auf der Achse ist ein Daumen 23 befestigt, der in der Ruhestellung an einem Anschlag 24 anliegt, beim Ansprechen des Apparates aber sich gegen die Lamellen eines Kontaktes 25 legt und auf diese Weise unmittelbar oder mittelbar die Ausklinkung des Abschalters herbeiführt.

Oben ist die Verwendung des Apparates zur Abschaltung einer Leitung besprochen, die aus einem einzigen Abschnitt besteht. ■

Die Verwendung ist aber auch in Fällen möglich, in denen eine Leitung in mehrere Abschnitte zerfällt. Hierfür muß die Vorrichtung eine kleine Abänderung erfahren, denn in der bisher beschriebenen Form würde sie nur den von der Störung betroffenen Leitungsabschnitt von den sämtlichen, weiter nach der Zentrale zu liegenden Abschnitten abschalten. In solchen Fällen muß man also ίο dem Relais eine Zeitkonstante erteilen, z. B. dadurch, daß man die Bewegung, die die Scheibe beim Ansprechen vollzieht, etwas größer einstellt und sie mit Magnetbremse versieht. Der Zeitraum, nach dessen Ablauf das Relais zur Wirkung gelangt, ist dann umgekehrt proportional der Größe des wirksamen Drehmomentes. Oder dieses wirksame Drehmoment hängt zugleich ab von dem Betrag der Belastungsungleichlieit und dem absoluten Wert der Stromstärken.

Faßt man eine Zentrale U ins Auge, die mehrere Unterstationen S₁, S₂, S_s bedient (Abb. 4), und nimmt man an, daß ein Kurzschluß zwischen zwei Phasenleitungen im as Punkte A eintritt, so gelangen in den beiden Relais R₁R', die auf beiden Seiten der der Störungsstelle A am nächsten liegenden Unterstation S₈ sich befinden, Stromstärken zur Wirkung, deren Abweichungen vom Gleichgewichtszustand um so mehr voneinander verschieden sind, je stärker der der Unterstation S₈ zugeführte Strom ist. Wenn die Relais R, R' von einer ausreichend großen Belastungsungleichheit erregt werden, so wird das Relais R vor dem Relais R' die Abschaltung herbeiführen, und die Zeitpunkte, in denen die beiden Relais in Tätigkeit treten, werden um so mehr voneinander verschieden sein, je größer die Belastungsungleichheit ist, für die die Relais eingeregelt sind.

Man kann auch den verschiedenen Relais verschiedene Zeitkonstanten geben, indem man die Bahn, die ihre Scheiben bei Inbetriebsetzung durchlaufen, verschieden ge-4-5 staltet, und zwar durch eine im voraus erfolgende Regelung, derart, daß die Relais sich um so schneller drehen, je mehr sie von der Zentrale entfernt sind.

Unabhängig von der bisher besprochenen Verwendung, zum Schütze von Leitungen, in denen Störungen eingetreten sind, kann das Relais nach der Erfindung auch zum Schutz von Maschinen verwendet werden, wie Synchron- und Asynchronmotoren, Gleichrichtern, Wechselstrommaschinen, Stromwandlern usw. Diese Art Verwendung wird insbesondere für Asynchronmotoren mit hoher Anlaufstromstärke von Bedeutung sein, die man durch gewöhnliche Maximalrelais nur dann schützen kann, wenn man diese ent-• weder ständig oder während der Anlaufperiode unempfindlich macht. Da das Relais nach der Erfindung unabhängig wirkt von dem absoluten Wert der Stromstärken, sofern diese nur ausgeglichen bleiben, so-wird es im Fall einer Störung in einem Motor die Ausschaltung bewirken, gleichgültig, ob ein Leitungsbruch in einer Phase, ein Kurzschluß zwischen zwei Phasen oder ein solcher innerhalb einer einzigen Phase eintritt. Es wird auf jede einein genügenden Wert erreichende Belastungsungleichheit ansprechen, die auf einer Störung des äußeren Stromkreises beruht, sofern es nicht eine größere Zeitkonstante hat als das der Zentrale näher gelegene Relais.

Als Schutzvorrichtung für einen Motor kann die Einschaltung eines Relais nach der Erfindung nach dem Schema der Abb. 5 ausgeführt werden, in der ein Drehstrommotor angenommen ist: Zwei Stromwandler T₁, T₂ liegen mit ihren Primärwicklungen in zwei Phasen, die parallel auf das Relais R gelegten Sekundärwicklungen stellen- die dritte Phase her.

Das BelastungsungleichLdtsarelais läßt sich auch zum Differentialschutz von Wechselstrommaschinen, Stromwandlern oder Speiseleitungen anwenden. Ein Ausführungsbeispiel gibt das Schema der Abb. 6, die eine Schutzanordnung für eine Drehstrommaschine zeigt. Die Wechselstrommaschine A ist schematisch durch die Dreiphasenwicklung A₁, A₂, A_s angedeutet, die je mit ihren beiden Klemmen an die Außenleitung angelegt sind. Von jeder Phase induziert man den Strom für die Primärwicklungen zweier Stromwandler, und zwar von den Eintrittsleitungen in den Wicklungen T₁, T₂, T₃ und von den Austrittsleitungen in den Wickhingen V₁, V₂ und T'₃. Die Sekundärwick- 100. lungen sind zu zwei und zwei geschaltet, und zwar T₁ und V₁, T₂ und V₂ und T₃ und T'₃, in der Weise, daß eine die andere induziert und so eine Potentialdifferenz Null zwischen den Punkten α und b, c und d und e und f ergibt, ebenso natürlich auch zwischen a und C₁ c und e und e und a, da die Stromstärken ausgeglichen sind. Die Punkte a, c und e sind an die drei Klemmen des Belastungsungleichheitsrelais R angeschlossen.

Jedes Stromwandlerpaar T₁, T'_t, T₂, T'₂ und T₃, T'₃ kann ersetzt werden durch einen einzelnen Stromwandler, der zwei Primärspulen hat, die sich gegenseitig induzieren, und eine Sekundärspule, deren Strom proportional ist der Differenz zwischen den Primärströmen.

Das Relais wird also ansprechen, wenn infolge des Auftretens einer Störung in der einen oder zwischen zwei Phasen eine Ungleichheit in den Strömen an einer der Klemmen auftritt, die an der anderen nicht

vorhanden ist, d. h. also, sobald eine Störung in den Wicklungen der Maschine erfolgt.

Auf dieselbe Art kann man eine Speiseleitung schätzen, indem man nach dem Schema der Abb. 7 den Stromausgleich oder nach demjenigen der Abb. 8 den Spannungsausgleich zugrunde legt. In Abb. 7 sind die beiden Relais R und R' mit ihren Klemmen von den zu je zwei hintereinanderge.-schalteten Wandlerspulen abgezweigt, gegebenenfalls kann auch ein Nulleiter N vorgesehen werden. In Abb. 8 sind die Sekundärwicklungen der Wandler T₁ T' in jeder Phase gegmednandergeschaltet, sei es, daß sie je auf einen Widerstand r arbeiten, sei es, daß der Stromkreis offen bleibt. Den Nullpunkt der Verbindungsleitungen 1, 2 und 3 bilden die Relais R₁R'. Diese Nullpunkte können geerdet oder an eine vierte Verbin-

ao dungsleitung angelegt werden.

Schließlich kann man die Regelungswiderstände zur Einstellung der Empfindlichkeit des beschriebenen Relais so abändern, daß sie nicht, wie in Abb. 3, durch· Drehung des Handknopfes kontinuierlich geändert werden, sondern daß die Widerstände in drei oder vier Gruppen geschaltet sind, mit denen die Leitung durch einen Stöpsel nach Bedarf verbunden wird. Jede Stöpselung ergibt dann einen bestimmten Widerstand, der den Selbstinduktionsspulen der Magnete parallel geschaltet ist, entspricht also einem bestimmten Wert der Belastungsungleichheit, bei der das Relais anspricht. Dieser Wert kann ausgedrückt werden durch die Formel k =

J₁ > wie oben schon bemerkt, oder besser durch

* J

die Größe der Ungleichheit = —, worin

Js

die Stromstärken J₁ und J_s die im umgekehrten Verhältnis stehenden synchronen Stromstärken bedeuten, die der Auflösung des aus dem Gleichgewicht gebrachten Dreiphasensystems in zwei ausgeglichene Systeme entsprechen, deren eines synchron und gleichsinnig mit dem ursprünglichen System und deren anderes im umgekehrten Verhältnis zu ihm steht.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Mehrphasen-Induktionsrelais, insbesondere für Schutzzwecke, bei dem das Vorzeichen des wirksamen Drehmomentes nur von einer Belastungsungleichheit zwischen den ,Stromstärken der einzelnen Phasen abhängt und bei dem Elektromagnete auf ein bewegliches System arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elektromagnet zwei Wicklungen trägt, die von Strömen durchflossen sind, deren einer von der Stromstärke in einer der Phasenleitungen und deren anderer von der in einer der anderen Phasenleitungen fließenden Stromstärke abhängt.
2. 2. Relais nach Anspruch 1, insbesondere für Drehstromnetze, bei dem drei Elektromagnete auf eine für alle gemeinsame Metallscheibe oder einen Metallzylinder arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in jeder zu schützenden Phasenleitung sich in zwei Zweige teilt, deren emex, mit vergleichsweise hoher Selbstinduktion, auf einen der Elektromagnete aufgewickelt ist und deren anderer, mit geringerer Selbstinduktion, eine Wicklung· auf einem benachbarten Elektromagneten bildet, in der Weise, daß die Phasenverschiebung der die beiden Spulen eines Elektromagneten durchfließenden Ströme in Größe und Vorzeichen für alle drei Elektromagnete dieselbe ist.
3. 3. Relais nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Regelung der elektrischen, magnetischen oder mechanischen Konstanten, insbesondere durch regelbare Widerstände oder Selbstinduktionen, die mit einer der Spulen jedes Elektromagneten in Reihenschaltung liegen und die Änderung der Größe go der Belastungsungleichheit gestatten, bei der der Apparat anspricht, wodurch das Relais sowohl als Belastungsungleichheitsrelais wie auch als Relais zur Abschaltung von Leitungen beim Eintritt eines Bruches oder für beide Fälle zusammen verwendbar wird.
4. 4. Relais nach den. Ansprüchen 1, 2 und 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (Dauerbremsmagnete, Uhrwerk o. dgl.), durch die man die Zeitkonstante so einstellen kann, daß mehrere hintereinandergeschaltete Relais nacheinander ansprechen.
5. 5. Relais nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Einschaltung in Leitungsnetze, in denen sie zum Schutz von Maschinen, insbesondere Motoren, oder zum Differentialschutz von Maschinen, Stromwandlern oder Speiseleitungen verwendet werden, und ferner dadurch gekennzeichnet, daß sie auf Ausgleich der Stromstärke oder auf Ausgleich der Spannungen eingeregelt sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.