DE555907C - Netzschutzeinrichtung mit Sprungrelais - Google Patents

Description

In elektrischen Hochspannungsnetzen sind häufig die Betriebsverhältnisse derartig, daß der Kurzschlußstrom zu einer gewissen Zeit kaum größer, unter Umständen sogar erheblieh kleiner als der Betriebsstrom zu anderen Zeiten ist. Wenn Nachts nur eine einzige Turbine läuft, vielleicht sogar mit sehr schwacher Erregung, so ist der Kurzschlußstrom gering (z. B. 50 bis 100 Amp. in einem bestimmten Falle), während am Tage die Vollast mehrerer parallel arbeitender Maschinen oder Werke einen großen Betriebsstrom erfordert (300 bis 400 Amp. im gleichen Beispiel). In solchen Fällen versagen alle Schutzsysteme, welche Überstrommagnete zur Auslösung oder zur Einleitung einer Auslösung mittels anderer Organe, wie Spannungsverlustsysteme, verwenden.

Man hat auch vorgeschlagen, Stromanstiegsrelais, d. h. solche, welche auf plötzliches oder schnelles Ansteigen des Stromes ansprechen, ohne Nachlaufrelais zu verwenden, aber man hat dabei den Fehler begangen, entweder den Stromsprung allein für die Auslösung entscheidend zu machen oder ihn gemeinsam mit irgendeiner Überstromeinrichtung zu benutzen oder eine vom Stromanstieg allein oder in Verbindung mit dem Spannungsverlust bestimmte Zeit zur Auswahl des auslösenden Schalters heranzuziehen. Der erste Weg bedeutet die gleichzeitige Öffnung aller Schalter, welche am Stromanstieg beteiligt sind, der zweite fügt dazu noch alle Nachteile des Überstromschutzes, und der dritte ergibt eine Abhängigkeit der Zeiten von einer der Wahlwirkung fremden Größe, nämlich dem Stromanstieg.

Schließlich hat man durch das Sprungrelais ein selektiv wirkendes Spannungsrelais in Tätigkeit gesetzt und dasselbe bei Rückgang des Stromes außer Betrieb gebracht. Wenn in Zeiten schwachen Betriebes ein Fehler eintritt, so ergibt sich zwar zunächst ein Stromsprung nach oben, dann aber bleibt der Strom auf dieser Höhe, welche an sich für die Auslösung nicht genügen mag, das Sprungrelais kehrt in seine Ruhestellung zurück und bringt das Zeitrelais trotz des Fehlers zur Ruhe.

Der Gegenstand der Erfindung ist nun die Verbindung eines Sprungrelais mit einem Nachlaufzeitrelais. Für die Ableitung der Bewegung werden folgende Bedingungen gestellt und erfüllt:

ι. Einleitung der Auslösung durch die schnelle oder plötzliche Änderung einer elektrischen Größe, etwa durch den Anstieg des Stromes, des kapazitiven Blindstromes oder der Leistung, oder durch den Abfall der Spannung,

2. die Verbindung dieser Einleitung, dieses Impulses, mit einer weiteren selektiven Einrichtung, welche die Auslösung zu Ende führt, z. B.

a) mit einer Einrichtung mit fester Zeiteinstellung, oder

b) mit nach der Spannung oder der Lage des Fehlerortes veränderlichen Zeiteinstellungen, die aber von der Größe des Impulses i, etwa dem Stromanstieg, unabhängig sind, oder

c) mit Strom-, Blindstrom- oder Leistungsdifferenzwirkungen oder Verschiedenheiten der Stromrichtung (Energieflußrichtung), sei es an der gleichen oder

ίο an einer anderen Stelle, oder

d) mit einem Erdanschlußrelais beliebiger Art oder

e) mit einem Phasenrichtungsrelais,

3. die Vermeidung irgendeiner Einwirkung durch Überschreitung einer bestimmten absoluten Größe des Überstromes oder Erdstromes, mit Ausnahme einer zeitlichen Änderung.

Der unter 1. angeführte Impuls soll also die Auslösungsvorrichtung in Tätigkeit setzen, aber auf ihre Wirkung weiter keinen Einfluß ausüben. Handelt es sich um mehrere Schalter, zwischen denen nach dem Selektivgrundsatz eine Auswahl zu treffen ist, so ist es erforderlich, die bisher geschilderte Einrichtung dahin zu ergänzen, daß bei Abschaltung des Fehlers an einem oder zwei Schaltern die übrigen Auslösevorrichtungen in den Ruhezustand zurückversetzt oder die betreffenden Schalter verriegelt werden, und dies erfolgt durch die Wiederkehr der normalen Verhältnisse. Diese Rückführung der Nachlaufrelais geschieht nach der Erfindung

4. durch einen dem Impuls zu 1. entgegengesetzten Impuls, wie den zeitlichen Abstieg des Stromes oder der Leistung oder den zeitlichen Anstieg der Spannung. Es kann auch z. B. die Einleitung der Auslösewirkung durch Stromanstieg, die Abstellung durch Spannungsanstieg bewirkt werden.

Als Energiequelle für die Ableitung der Auslösung wird im Wesentlichen eine unabhängige Stromquelle, etwa ein Gleichstromnetz oder eine Batterie, dienen, doch .wird

+5 gegebenenfalls auch Ruhestrom oder, wenn auch nur in Ausnahmefällen, eine Stromwandlerspeisung heranzuziehen sein.

Ein wichtiges Element der neuen Auslö-.sung ist das Sprungrelais, welches bei Änderung einer Stromstärke, Leistung, Phasenverschiebung oder Spannung im einen oder anderen Sinne Kontakte betätigt. Nachstehend wird eine neue Ausführungsform desselben beschrieben.

Abb. ι stellt ein Sprungrelais für beliebige Größen dar. An einem doppelarmigen Hebel greifen zwei von der gleichen Größe betätigte Systeme 2 und 3, z. B. Magnete, an, von denen das eine, 2, ohne Verzögerung, das andere, 3, mit Verzögerung (dargestellt durch einen Pumpenkolben 4, aber auch als Wirbelstrombremse oder in anderer Form ausführbar) arbeitet. Zwischen dem verzögerten System 3 und dem Hebel 1 ist ein elastisches Glied, etwa eine Feder 5, eingefügt, ein gleiches kann auch auf der anderen Seite Anwendung finden, doch ist dies nicht unbedingt erforderlich. Beim Anstieg der gemeinsamen Größe schlägt der Hebel nach dem ungedämpften System hin, beim Absinken nach dem gedämpften System hin aus, wodurch entweder der Kontakt 6 oder der Kontakt 7 betätigt wird. Beim Stromsprungrelais wird durch den Kontakt 6 die Auslösevorrichtung in Tätigkeit gesetzt, durch den Kontakt 7 unterbrochen. Ist letzteres bei Batteriespeisung nicht für Ruhestrom eingerichtet, so ist ein Zwischenrelais zum Übergang von der Arbeitsstrombetätigung auf Stromunterbrechung einzuschalten.

In Abb. ι ist ferner die Verbindung dieses Sprungrelais mit Zeitrelais für feste Staffelung gezeigt. Bei Stromanstieg wird durch Schließung des Kontaktes 6 die Spule 8 eines Zeitrelais eingeschaltet und durch Anziehung des Kernes 9 ein Nachlauf kontakt 10 geschlossen, der den Kontakt 6 überbrückt und die Wirkung sichert, falls das Sprungrelais nicht hinreichende Verzögerung besitzt, um den Kontakt 6 bis zum Ablauf des Zeitrelais geschlossen zu halten. Beim Hochgehen des Kernes 9 wird der Kraftspeicher 11 aufgeladen, z. B. eine Feder gedehnt und dadurch die Verzögerungsvorrichtung 12 zum Ablauf veranlaßt, wodurch schließlich der Kontakt 13 geschlossen und die Auslösespule 14 des ölschalters mittels der Batterie 15 betätigt wird.

Erfolgt aber vor Ablauf der Verzögerungsvorrichtung die Abschaltung des Fehlers an einem anderen Schalter (mit kürzerer Zeiteinstellung), so geht der -Strom plötzlich stark zurück, das Sprungrelais kippt in die andere Endstellung und öffnet den Kontakt 7, wodurch das Zeitrelais ausgeschaltet und die Auslösung verhindert wird.

Im Ruhezustand befindet sich das Sprungrelais, welches mit zusätzlichen, nach der Mitte wirkenden Richtkräften versehen sein kann, in der gezeichneten Mittelstellung, unabhängig von der absoluten Größe des Stromes. Wenn man die Zahlen des eingangs erwähnten Beispiels zugrunde legt, arbeitet die Einrichtung also bei einem Anstieg des Stromes von 50 auf 100 Amp. ebensogut wie bei einem solchen von 300 auf 350 Amp.

Diese Form der Auslösevorrichtung mit fester Zeitstaffelung ist für lineare Netze, insbesondere für Ausläufer großer Anlagen, verwendbar.

Eine Anwendung der Erfindung auf den Schutz von Maschennetzen ist in Abb. 2 dar-

gestellt. Der Stromwandler ι speist das Stromsprungrelais 2, welches nach Abb. 1 ausgeführt ist und dessen linke Seite u ungedämpft, dessen rechte Seite d gedämpft ist. Bei Stromanstieg schließt sich also der Kontakt 3, bei Stromabstieg dagegen 4. Der Spannungswandler 5 arbeitet auf das Spannungsverlustzeitrelais 6, dessen Kontakt 7 sich schließt, wenn die Spannung hinreichend lange einen entsprechend niedrigen Wert besitzt; hierdurch ist die Selektivwirkung erreicht. Wenn in diesem Zeitpunkt der Kontakt 3 (oder ein ihm zugeordneter Nachlaufkontakt; noch geschlossen ist, erfolgt die Schaltung der Batterie 8 auf die Auslösespule 9 des Ölschalters 10. Wird dagegen der normale Betriebszustand vorher wiederhergestellt, so fällt der Strom stark ab, der Kontakt 3 öffnet und 4 schließt sich, wodurch eine Hilfswicklung 11 erregt wird, die, evtl. im Verein mit der wiederkehrenden vollen Spannung, das Spannungsverlustzeitrelais 6 wieder in die Ruhelage zurückbringt. Die Hilfswicklung 11 wird am Kontakt 4 wieder abgeschaltet oder schaltet sich durch den bewegten Teil des Relais 6 selbst ab, womit der Ruhezustand wieder erreicht ist. Der Anker des Relais 6 kann auch durch eine Klinke im hochgehobenen Zustand gehalten werden, um ein Arbeiten des Relais beim Verschwinden der Spannung ohne Kurzoder Erdschluß zu verhindern; dann muß die Klinke durch den Kontakt 3, z. B. mittels eines Magneten, gelüftet werden.

Mit dieser Einrichtung läßt sich für die Anwendung in Knotenpunktstationen auch ein Energierichtungsrelais verbinden, welches bei Strom aus der Station heraus die Auslösung freigibt, bei einem Strom in die Station hinein aber verriegelt oder verzögert.

In dem geschilderten Beispiel ist durchweg eine elektrische Verbindung der Konstruktionselemente, Stromsprungrelais, Spannungsverlustzeitrelais, Energierichtungsrelais, Auslösevorrichtung des Ölschalters, beschrieben worden. Es steht für einen sachkundigen Konstrukteur nichts im Wege, die elektrischen Einwirkungen teilweise oder durchweg durch mechanische Betätigungen, Kupplungen oder Sperrungen zu ersetzen.

An die Stelle des Spannungsverlustzeitrelais kann auch ein Distanz-, Impedanzoder ähnliches Netzschutzrelais treten, insbesondere ein solches, bei dem der Einfluß des Stromes gegenüber dem der Spannung in den Hintergrund tritt. Es widerspricht dies nicht der Bedingung 3 des Erfindungsgegenstandes, denn die absolute Höhe des Stromes spielt hier keine bestimmende Rolle, sie verändert wohl überall die Auslösezeiten, aber doch überall in gleicher Weise, so daß die Staffelung der Zeiten von der Höhe des Stromes unabhängig bleibt. Natürlich muß aber die Einrichtung so getroffen sein, daß der kleinste vorkommende Kurzschlußstrom bei schwachem Nachtbetrieb noch ausreicht, um das Netzschutzrelais zu betätigen, wenn auch mit verhältnismäßig langen Zeiten.

Abb. 3 zeigt eine Anwendung der Erfindung auf zwei parallele Leitungen, welche von einer (unten gedachten) Zentrale Z nach einem (oben dargestellten) Speisepunkt Sp ohne eigene Stromquellen führen. Hier ist nur die Zentrale mit Sprungrelais ausgerüstet, der Speisepunkt dagegen mit einem Differential- oder Differenz- oder Energierichtungsschutz.

In der Zentrale speist der Spannungswandler ι das Spannungssprungrelais 2, die Stromwandler 3 und 5 die Stromsprung- 8n relais 4 und 6. Bei jedem Sprungrelais bedeutet u die ungedämpfte, d die gedämpfte Seite. Jede Leitung besitzt ein Zeitrelais 7 bzw. 8, welches bei Ablauf die zugehörige Auslösespule 9 bzw. 10 an die Batterie legt und damit die Ausschaltung bewirkt.

Es sei nun in der linken Leitung nahe an der Zentrale ein Schluß vorhanden. Dann sinkt die Zentralentspannung, der Strom in der linken Leitung steigt stark, derjenige in der rechten wesentlich schwächer an. Das Spannungssprungrelais 2 schließt seinen rechten, das Stromsprungrelais 4 seinen unteren Kontakt, das Zeitrelais 7 der linken Leitung wird erregt und bewirkt beim Ablauf die Ausschaltung der linken Leitung.

Es ist nun aber möglich, daß der Strom auch auf der rechten Seite so stark ansteigt, daß das Stromsprungrelais 6 seinen unteren Kontakt schließt und auch das Zeitrelais 8 eingeschaltet wird. Während der Laufzeit desselben wird nun der ungedämpft arbeitende Schutz im Speisepunkt das obere Ende der kranken, linken Leitung abtrennen, dadurch geht der Strom in der rechten Leitung auf Null oder nahezu Null zurück, das Stromsprungrelais 6 öffnet seinen oberen Kontakt und schaltet das Zeitrelais 8 ab, so daß eine Auslösung des Schalters auf der rechten Seite unterbleibt.

Verschwindet der Schluß während der Ablaufzeit der Zeitrelais, so führt das Umkippen der Spannungs- bzw. Stromsprungrelais die Ruhelage durch Ausschaltung der Zeitrelais wieder herbei.

Es scheint zunächst, als ob das Spannungssprungrelais überflüssig sei und die beiden Stromsprungrelais allein genügen. Dies ist aber bei stark veränderlichen laufenden Energiequellen nicht der Fall. Angenommen, bei Nachtbetrieb sei der Normalstrom 50 Amp., der Kurzschlußstrom der einen lau-

fenden Turbine ioo Amp. Dann muß jedes Stromsprungrelais bei einem Anstieg des Stromes um 50 Amp. arbeiten. Fällt aber am Tage die kranke Leitung heraus und muß 5 die rechte den ganzen Betrieb übernehmen, so erhält sie einen erheblichen Stromanstieg, der beim Arbeiten mehrerer Turbinen diesen Betrag von 50 Amp. nennenswert übersteigen kann. Wenn aber so viele Maschinen eingexo schaltet sind, so bewirkt eine zusätzliche Last von 50 oder auch 100 Amp. keine nennenswerte Senkung der Spannung, so daß das Spannungsrelais nicht anspricht und dadurch die für diesen Betriebsfall zu große Empfindlichkeit des Stromsprungrelais unschädlich macht. Das Spannungssprungrelais allein ist aber auch wieder nicht genügend, weil es die Auswahl der kranken Leitung nicht ermöglicht.

Wenn der Fehler in der linken Leitung weit von der Zentrale, also nahe am Speisepunkt auftritt, so führen beide Leitungen einen annähernd gleichen, starken Fehlerstrom, es werden also beide Zeitrelais laufen. Auch hier wird durch die Verschiedenheit der Richtung des Energieflusses in dem Speisepunkt (in der kranken Leitung heraus, in der gesunden hinein) die Abtrennung der kranken Leitung dort ungedämpft erfolgen, worauf in der Zentrale die gesunde Leitung durch Rückgang des Stromsprungrelais vor der Auslösung gesichert wird.

Am Speisepunkt kann eine der bekannten Differenzschaltungen, z. B. die Achterschaltung, Anwendung finden. In Abb. 3 ist eine neue Lösung mit Energierichtungsrelais ohne Stromdifferenzwirkung dargestellt, welche auf Fehler anspricht, da die eine Stromrichtung sich dabei umkehrt, die andere nicht, welche aber gegen Umkehr beider Ströme und gegen kleine Unsymmetrien in den Leitungen, z. B. durch einen unterwegs an eine der beiden Leitungen angeschlossenen Abnehmer, unempfindlich ist.

Der Spannungswandler 12 und die Stromwandler 13 und 14 speisen die Energierichtungsrelais 15 und 16, welche so geschaltet sind, daß ihre Kontakthebel bei Stromrichtung in die Station hinein sich im Uhrzeigersinne bewegen. Man sieht, daß bei Stromfluß links hinaus und rechts herein die Auslösespule 17 auf die Batterie 19 geschaltet wird, bei umgekehrten Stromflüssen aber die Auslösespule 18.

Wenn es sich nicht um einen Speisepunkt ohne eigene Stromquellen handelt, sondern auch hier Maschinen oder Anschlüsse an andere Zentralen vorhanden sind, so ist jedes der beiden Enden der Doppelleitung so zu behandeln, als sei es sowohl Zentrale wie Speisepunkt, denn je nach Lage des Fehlers und Betriebsverhältnissen kann der eine oder andere Fall eintreten. Dann ist also jedes Ende mit der Sprungrelaisanordnung sowie mit der Differenzschaltung (oder anderer gleichwertiger Schnellauslösung) auszurüsten.

Für mehr als zwei parallele Leitungen, insbesondere in Kabelnetzen, läßt sich der Sprungrelaisschutz entsprechend anpassen; jede Leitung erhält ein Stromsprung- und ein Zeitrelais sowie eine Auslösespule, Batterie und Spannungssprungrelais sind für alle Leitungen gemeinsam.

Für den /ergänzenden Stromvergleichsschutz sind Lösungen bekannt, es sei nur an den Polygonschutz von B auch erinnert. Eine neue Lösung, die ohne Abbildung verständlich ist, beruht darauf, daß durch die geometrische Summe der Ströme in einer Phase eine Seite eines Wagebalkens, durch einen dieser Ströme die andere Seite mit gleicher Kraft (Amperewindungszahl) beeinflußtwird, so daß der Balken bei normalem Betriebe in der Mittelstellung bleibt. Tritt ein Fehler ein, so wird die Summe der Ströme kleiner, im Grenzfall Null, während der einzelne Strom ansteigt. Man hat nur durch eine von den ölschaltern abhängige Umschaltung dafür zu.sorgen, daß nicht der Strom einer ausgeschalteten Leitung zum Vergleich mit dem Summenstrom herangezogen wird, sondern daß dann von Hand oder selbsttätig auf eine andere, im Betriebe befindliche Leitung umgeschaltet wird. Die Auswahl des auszulösenden Schalters erfolgt durch Energierichtungsrelais, welche jeder Leitung zugeordnet sind.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Netzschutzeinrichtung unter Verwendung eines von der zeitlichen Änderung einer elektrischen Größe (Strom, Blindstrom, Leistung, Spannung) gesteuerten Relais, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Relais bei einem Sprung der betreffenden elektrischen Größe ein selektiv wirkendes Nachlaufzeitrelais zur Einleitung der Auslösung in Tätigkeit setzt, letzteres aber bei Rückgang des Sprung- no relais in seine Ruhelage in seinem Ablauf nicht gestört wird, und daß nur durch den bei Abschaltung des Fehlers an anderer Stelle entstehenden, der Richtung des ersten Sprunges entgegengesetzten Rücksprung des Sprungrelais mittels eines Ausschlages nach der anderen Seite, über die Ruhestellung hinaus, das in Tätigkeit befindliche Nachlaufrelais in den Ruhestand zurückkehrt.
2. 2. Netzschutzeinrichtung für Doppelleitungen nach Anspruch 1, dadurch ge-

   kennzeichnet, daß jede Leitung am Speisepunkt ein Energierichtungsrelais besitzt, und daß die Sekundärkontakte dieser Relais so geschaltet sind, daß bei Energiefluß gleicher Richtung in beiden Leitungen keine Auslösung, bei ungleich gerichtetem Energiefluß die Auslösung der Leitung mit ausgehendem Strom erfolgt.
3. 3. Netzschutzeinrichtung für Mehrfachleitungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Speisepunkt ein Differentialrelais angeordnet ist, an dem einerseits die geometrische Summe aller Ströme in einer Phase, andererseits der Strom einer einzelnen Leitung derart angreifen, daß sie sich bei normalen Betriebsverhältnissen das Gleichgewicht halten, daß ferner bei Ausschaltung dieser Leitung das betreffende System auf eine andere Leitung umgeschaltet wird, und daß die Auswahl der kranken Leitung nach Ansprechen des Differentialrelais durch Energierichtungsrelais erfolgt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen