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Anordnung zur Auslösung von Wechselstromschaltern bei kurzschlußartigem
Überstrom ]Die Abschaltung von Starkstromleitungen großer Anlagen bereitet heute
außerordentliche Schwierigkeiten, weil dile bei Störungen, insbesondere bei Kurzschlüssen,
sich entwikkelndenLeistungen solch enorme Beträge annehmen, daß sie mit unseren
heutigen Mitteln nicht mehr beherrschbar sind. Man versucht zwar einerseits durch
den Bau leistungsfähigerer Schalter die Grenzen der Abschaltleistung heraufzusetzen,
ist jedoch nicht wesentlich über 500 MVA hinausgekommen. Andererseits versucht
man durch starke Unterteilung der Netze und Kraftwerke, durch Anwendung von Kurzschlußdrosselspulen,
durch Schnellentregungsmetlhoden und ähnliche Mittel de auftretenden Kurzschlußleistungenherabzusetzen,
jedoch (kommt man bei großen Kraftwerken nicht auf die eben genannte Zahlengrenze
herunter. Die Kurzschlußströme in den Netzen entwickeln, sich nicht plötzlich, sondern
sie erreichen ihren Spitzenwert erst innerhalb einer Halbwellendauer, bei 5operiodigen
Anlagen also nach 1/10o Sekunde, bei 15periodigen nach 3/100 Sekunde.
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Im oberen Teil der Abb. i stellt die Sinuskurve a den normalen Betriebsstrom
der Wechselstromanlage dar, der nach dem Kurzschlur; (angedeutet durch die Vertikale
i) auf den sogenannten Stoßkurzschlußstrom 3 ansteigt. Dieser Stoßkurzschlußstrom
klingt dann nach einer Anzahl von Perioden auf den Dauerkurzschlußstrom q. ab. Während
es früher üblich war, die Schalter erst nach dem Abklingen des Stromstoßes ausschalten
zu lassen, wodurch sie weitgehend geschont wurden, pflegt man heute die Schalter
schneller zu betätigen, um die schädlichen Wirkungen des Kurzschlußstromes auf die
anderen Anlageteile und das Herausfallen der Generatoren zu verhindern. Man sucht
dabei die Abschaltzeit bis auf den Wert von 1/4 Sekunde herabzudrücken. Das Auslösen
der Schalter bewirkt man dabei. durch Relais oder ähnliche Anordnungen, die ,auf
das Anwachsen des Kurzschlußstromes selbst in der einen oder .anderen Form ansprechen.
Dabei ergeben sich jedoch idie geschilderten hohen Abschaltleistungen, da im Moment
,des Abschaltens der Stoßkurzschlußstrom sich bereits zur vollen Größe ausgebildet
hat.
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Gemäß der Erfindung soll nun das Abschalten der Ströme vor sich gehen,
bevor die Kurzschlußströme ihren oben beschriebenen Spitzenwert erreicht haben.
Es ist dazu erfindungsgemäß ein die Auslösung des Schalter herbeiführendes und durch
die Ursache des Kurzschlusses ,gesteuertes Anzeigemittel vorgesehen, das von der
Wechselstrombetriebsspannun g im wesentlichen unabhängig ist und das bezüglich der
Auslösung des Schalters schneller arbeitet als der gewöhnlich
bisher
die Auslösung .des Schalters herbeiführende Betriebsstrom. In Kombination mit dieser
Anordnung besitzt der Schalter noch einen Schaltermechanismus, der das öffnen des
Schalters in einer wesentlich kürzeren Zeit als einer Halbwelle des Betriebsstromes
herbeiführt. Dies erfordert sehr schnell wirkende Schaltermechanismen, die innerhalb
der obengenannten Zeiten von j/"00 bis 3d00 Sekunde arbeiten. Dieses mechanische
Problem an sich kann äbnlj:ch gelöst werden wie bei den bekannten. Schnellschaltern
für Gleichstromumformer, bei denen Abschaltzeiten bis zu wenigen tausendstel Sekunden
.herunter erreicht werden. Die Anordnung kann ;derart sein, daß ein konstant erregter
Haltemagnet den Schalter entgegen der Kraft einer Feder in geschlossenem Zustande
erhält, wobei ,der Anker des Haltemagneten durch das von der Ursache des Kurzschlusses
gesteuerte Hilfsmittel zum Abreißen gebracht wird. Bei einer anderen Ausführungsform
wird durch. dieses Hilfsmittel eine Lamellenkupplung gelöst. Da sich innerhalb dieser
kurzen Zeit der Wechsel s*xomkurzschluß nicht bis zu seinem. Höchstwert ausbildet,
sondern noch sehr weit darunterbleibt, so treten die ob;engenannten großen Zahlen
für die Ausschaltleistung gar nicht erst auf. Das Ausschalten des Stromes ist daher
außerordentlich erleichtert und erfolgt um so einwandfreier, je schneller man nach
dem Eintritt des Kurzschlusses und nach dem Nulldurchgang des -#Vechselstromes die
Schaltbewegung einleitet.
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Das das Wechselstromnetz bezüglich .eines Kurzschlusses kontrollierende
Hilfsmittel, das schneller arbeitet als der Betriebsstrom, kann verschiedener Art
sein. Insbesondere eignet sich dazu eine idem Wechselstromnetz aufgedrückte höherperiodige,
insbesondere hochfrequente Hilfsspannung, die beiß einem Kurzschluß einen hochfrequenten
Strom bzw.:eisl,e Änderung eines bereits bestebend;en Hochfrequenzstromes erzeugt,
die die Auslösung des Schalters herbeiführt. Man könnte aber auch dem Netz eine
Gleichspannung überlagern (beispielsweise zum Schutz gegen Erdschlüsse). Nachdem
;diese Gleichspannung durch die betriebsmäßigen Vorgänge im Netze nicht beeinflußt
wird, so lassen sich Idcht Anordnungen treffen, <Ule bei. einem Erdschluß eine
sehr rasche Auslösung des Schalters durch .den beim Erdschluß eintretenden Strom
der Gleichspannung herbeiführen.
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Abb. 2 zeigt ein Ausführüngsbdsp@el der Erfindung. Es werden die Schalterbewegungen
nicht vom Kurzschlußstrom selbst ausgelöst, sondern es werden. Auslösiemittel verwendet,
die nicht auf der Wilrkung" des Kurzschlußstromes. beruhen, also auf einer Selb:stüberwachung
des Stromkreises, sondern die eine Fremdüberwachung der Stromkreise benutzen. Dias
Wesentliche dieser Verbesserung besteht in der Kombination eines auf den Schalter
einwirkenden Anzegemittels für Kurzschlüsse, das .schneller arbeitet als der gewöhnliche
Betriebsstrom, gemeinsam mit einem Schaltermechanismus, der den -Schalter in einer
wesentlich kürzeren Zeit als einer Halbwelle des Betriebsstromes zur wirkung bringt.
Es wird .dadurch der Kombinationseffekt erreicht, da.ß der Schalter bereits zur
Auslösung kommt, bevor der Betriebsstrom sich in einen Kurzschlußstrom umgewandelt
hat bzw. über seine normale Betriebsgröße hinausgestiegen ist. Beispielsweise kann
man die Leitungen, Apparate und Maschinen durch Hoichfrequenzströme überwachen,
die den Eintritt irgendeines D efektes, z. B. eines Kurzschlusseis, Erdschlusses,
Windungsschlusses, ihrer überwachungsapparatur sehr -viel schneller melden können
als Apparate, die mit der Betriebsfrequenz arbeiten. Benutzt man z. B. als i`berwachungsmittel
Hochfrequenzströme von 5o ooo Perioden pro Sekunde, so wird ein entstandener Fehler
tausendmal schneller gemeldet, als .es der Betriebsstrom vermag. Infolgedessen können
die Schalter bereits nach 1/00o Halbperiode des Betriebswechselstromes in Tätigkeit
gesetzt werden, wie es für das oben geschilderte Abschaltsystem erforderlich ist.
An Stelle des relativ trägen Betriebswechselstromes wird .a.l o hier der außerordentlich
schnelle Hochfrequenzstrom benutzt.
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In der Abb. z ist diese Wirkungsweise schematisch dargestellt. Die
obere Kurve stellt dar, wie der normale Betriebswechselstrom vom Zeitpunkt des Eintritts
des Kurzschlusses bis auf einen sehr hohen Spitzenwert ansteigt. Auch für den Hoch`_requenzstrom
ist dargestellt, daß er durch den Eintritt des Kurzschlusses .anwächst. Er ist aber
bereits auf seinem neuen Wert angelangt, wenn der Betriebskurzschlußstrom noch in
den Anfängen seiner Entwicklung steht. Man kann diesen daher bereits beim Punkte
a zur Abschaltung bringen, in dem er sich noch gar nicht erheblich über den Normalstrom
hinaus gesteigert hat. Im einzelnen bedeuten in Abb. 2 13 die zu überwachende Leitungsanlage,
die über den Schalter 14 von den Sammelschienen 15 gespeist wird. Der LeitUng
13 werden nun mittels des Hochfr equenzgenerators 16 über die Kupplungskondensatoren
17 und 18 hochfrequente Schwingungen überlagert. Damit diese Schwingungen
nicht .auf die Sammelschiene 15 übertreten und dort durch betriebsmäßige Zu-und
Abschaltungen beeinflußt werden, sind
zwischen der Leitung 13 und
den Sammelschienen 15 Sperrkreise i9 und 2o eingeschaltet. Parallel zu dem
Hochfrequenzgen:erator 16 ist noch ein Ausgleichswiderstand 2 i geschaltet,
der aus Ohmschen, induktiven oder kapazitiven Widerständen bestehlen kann. An den
einen Pol des Generators 16 ist die Mitte der Primärwicklung eines Differentialtransformators
2z angeschlßssen, wobei die beiden Enden der Primärwicklung einerseits mit der Leitung
13, andererseits mit dein Widerstand 21 verbunden sind. Der aus dem Hochfrequenzgenerator
16 austretende Strom ;durchfließt also die beiden Hälften der Primärwicklung des
Transformators 22 in entgegengesetztem Sinne. Durch entsprechende Abgleichung des
Widerstandes 21 kann man es daher erreichen, daß während des normalen Betriebszustandes
der Leitung 13 an der Sekundärwicklung des Transformators 22 im wesentlichen keine
Spannung auftritt. Stellt sich hingegen an der Leitungsanlage 13 ein Kurzschluß
ein, so ändert sich auch der hochfrequente Strom in der entsprechenden Hälfte der
Primärwicklung des Transformators 22, und der Transformator entwickelt sekundär
eine hochfrequente Spannung. Diese Spannung ist nun über eine als Gleichrichter
und als Verstärker wirkende Elektronenröhre 23 der Spule 24. des Haltemagneten 25
zugeführt. Der mit Gleichstrom über die Spule 26 erregte Halteinagnet hält den Schalter
14 entgegen der Kraft der Feder 27 in geschlossenem Zustande. Wird jedoch die Spule
21. in der geschilderten Weise mit gleichgerichtetem Strom erregt, so wird der Haltemagnet
.entmagnetisiert, und sein Anker 2ä wird durch die Feder 27 abgerissen und damit
auch der Schalter geöffnet. Damit sich die Entmagnetisierung durch die Spule 24.
voll auswirken kann, ist mit der Mab etisierungsspule 26 eine Drosselspule 29 in
Reihe geschaltet, die einer Änderung des Stromes in der Spulc 26 entgegenwirkt.
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In welcher Weise Hochfrequenzströme oder äquivalente Schnellwirkungsmittel
zur Überw-,ichung des Gesundheitszustandes der Leitung im einzelnen verwendet werden,
ist für die Erfindung gleichgültig. Man kann die Hochfrequenzströme allen Leitungen
parallel zu den Betriebsströmen überlagern und durch. sie das gesamte Verteilungsbild
ders@elhen kopieren lassen. Dann braucht man nur die Auslöser oder Relais ,selektiv
auf Hochfrequenzströme arbeiten zu lassen, was durch. einfach:, Sperrvorrichtungen
möglich ist. Man kann auch die Leitungen abschnittsweise durch Hochfrequenzströme
überwachen, um dadurch eine bessere Selektivität oder einen guten Fehlerstromschutz
zu erzielen. Schließlich kann man die Eigenfrequenzen der verschiedenen Leitungsteile,
die im allgemeinen sehr hoch über der Betriebsfrequenz liegen, überwachen und zur
Anzeige von Fehlern im System benutzen. In jedem Falle gelingt es durch derartige
Anordnungen, die Schalter sehr viel schneller zum Auslösen zu bringen als durch
die bisherigen Methoden, so daß der Ausschaltvorgang bereits beendet sein kann,
bevor sich die unmäßig großen und für die Schalter gefährlichen Kurzschlußströme
entwickelt haben.