DE567853C - UEberstromschutz fuer Gleichstromverteilungsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überstromschutzeinrichtung für Gleichstromverteilungsleitungen, insbesondere für die Speiseleitungen elektrischer Gleichstrombahnen. Die

' 5 bisher auf diesem Gebiet gebräuchlichen L'berstromschutzeinrichtungen haben den Xachteil, daß sie hauptsächlich auf die .Spitzenwerte der Überströme ansprechen, also nicht zwischen Kurzschlüssen und zulässigen Überströmen unterscheiden, erst recht nicht, wenn die zulässigen Überströme größer als die Kurzschlußströme sind. Auf die Zeitdauer des Anstieges der Fehlerströme reagieren diese Schutzrelais nicht.

Diese Nachteile werden nach der Erfindung dadurch vermieden, daß die Xetzschalter einer Gleichstromverteilungsanlage durch einen Selektivschutz überwacht werden, der aus je einem Relais, das auf die Steilheit des ,Stromanstiegs und einem weiteren Relais, das auf die Steilheit des Stromanstiegs und dessen Dauer anspricht, besteht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.

Abb. ι zeigt ein Schaltbild der Schutzeinrichtung. Abb. 2 stellt schematisch den Gleichstromverteilungskreis dar. Das Schaubild der Abb. 3 zeigt die Abhängigkeit der Impulse des Kurzschlußstromes und des zulässigen Überstromes, die in den Relais während des Auftretens des in Abb. 2 eingezeichneten Leitungsfehlers wirksam werden, in Abhängigkeit von der Zeit. In Abb. 4 ist graphisch ein anderer Zustand der Stromverteilung in den Relais beim Auftreten eines Leitungsfehlers veranschaulicht. Entsprechend den in Abb. 4 dargestellten Fehlerströmen ist in Abb. 5 eine Abänderung des Schaltbildes nach Abb. 1 getroffen.

Xach Abb. 1 ist eine Gleichstromverteilungsleitung 10 durch einen Schalter 11 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Stromquelle verbunden. Der Schalter 11 wird durch Erregung seiner Schließspule 12 geschlossen, die von einem Hilfsstromkreis 13 beim Schließen des Schalters 14 erregt wird. Der Schalter 14 kann sowohl selbsttätig als auch von Hand gesteuert werden. Der Schalter 11 ist mit einer Klinkvorrichtung 11' versehen, die den Schalter nach dem Einklinken in der geschlossenen Stellung hält, so daß die Schließspule 12 stromlos gemacht werden kann, ohne daß der Schalter geöffnet wird. Es ist ferner eine Auslösespule 16 vorgesehen, die den Schalter 11 beim Auftreten von Leitungsfehlern aufklinkt, so daß der Schalter sofort durch die Wirkung der Feder 12' geöffnet wird.

In dem Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem Schalter 11 sind einige Impulstransformatoren 17 eingeschaltet. In dem Impulstransformator 17 wird vorübergehend eine Spannung induziert, sobald sich der Wert der Stromstärke im Speiseleitungsstromkreis ändert, wobei die Richtung der Spannung von der Richtung der Stromänderung abhängig ist. Zur Steuerung des ίο Schalters 11 sind Schutzrelais 20 und 21 vorgesehen, deren Spulen 18 und 19 in Reihe mit dem Impulstransformator 17 geschaltet sind. Diese Spulen werden von dem Überstrom erregt, der von der im Transformator 17 vorübergehend induzierten Spannung herrührt und der auftritt, wenn sich die Größe oder die Richtung des Stromes im Verteilungskreis 10 ändert.· In Reihe mit der beweglichen Spule 18 des Relais 20 liegt eine ao regelbare Induktionsspule 18", deren Zweck unten erläutert wird. Das Relais 20 ist ein ballistisches Galvanometerrelais, der Bauart D'Arsonval, dessen magnetischer Kreis von dem Elektromagneten oder permanenten Maas gneten 22 und der beweglichen Spule 18 gebildet wird. Der feste Teil des Galvanometers ist im vorliegenden Falle ein Elektromagnet, dessen Wicklung von dem Hilfsstromkreis 13 gespeist wird. Ein mit der beweglichen Spule 18 fest verbundener Kontakt 23 überbrückt bei entsprechender Drehung der Spule 18 die Kontakte 24. Die bewegliche Spule 18 des Relais 20 ist auf einen Aluminiumrahmen gewickelt, der sowohl als mechanischer Träger der Spule dient als auch eine induktive Dämpfungsvorrichtung bildet. Bekanntlich ist die Drehung der beweglichen Spulen von Galvanometerrelais sowohl von der Größe als auch von der Dauer des sie erregenden Stromes abhängig. Es spricht also das Relais 20 sowohl auf die Durchschnittsgeschwindigkeit als auch auf die Dauer der Stromänderungen im Verteilungsstromkreis an.

Außer dem Relais 20 ist ein Tauchkernrelais 21 vorgesehen, dessen Anker 25 die festen Kontakte 26 überbrückt. Durch die Spule 19 des Relais 21 fließt der gleiche Strom wie durch die bewegliche Spule 18 des Relais 20. Der Anker 25 des Relais 21 ist klein und leicht, so daß sich seine Bewegung fast augenblicklich vollzieht. Das Relais 21 spricht im allgemeinen auf den Spitzenwert der Stromstärke, in der Schaltung nach der Erfindung auf die Durchschnittsgeschwindigkeit der Stromänderung im Stromkreise 10 an. Das Relais 21 besitzt außer der Spule noch eine Polarisierungsspule 27, die dauernd an dem Hilfsstromkreis 13 liegt. Die 6a Polarisierungsspule 27 hat den Zweck, das Ansprechen des Relais 21 bei einer Stromabnahme im Stromkreis 10 zu verhindern. Die Wicklung 27 des Relais 21 ist so geschaltet, daß ihre magnetische Wirkung die Wirkung der Spule 19 unterstützt, wenn der Strom im Stromkreise 10 anwächst, daß sie jedoch der magnetischen Kraft der Spule 19 entgegenwirkt, wenn der Laststrom abnimmt. Es ist ferner ein Hilfsrelais 28 vorgesehen, dessen Spule einerseits an dem Hilfsstromkreis 13 liegt, andererseits zu einem der Kontakte 24 führt. Die Kontakte 24 und 26 sind zueinander parallel geschaltet. Die Hilfskontakte 29 des Schalters 11 werden beim Schließen des Schalters überbrückt. Wenn eines, der Relais 20 oder 21 infolge eines Leitungsfehlers im Stromkreis 10 anspricht, fließt ein Strom von dem einen Pol der Hilfsleitung 13 über die geschlossenen Schalterhilfskontakte 29, über die überbrückten Relaiskontakte 26 oder 24 und durch die Spule des Relais »28 zum anderen Pol der Hilfsleitung 13, das Relais 28 wird erregt und schließt seine Kontakte 30, so daß nunmehr ein Strom von dem einen Pol der Hilfsleitung 13 über die Schalterhilfskontakte 29 und Kontakte 30 des Hilfsrelais, über die Auslösespule 16 des Schalters zum anderen Pol der Hilfsleitung 13 fließen kann. Gleichzeitig besteht noch ein Stromkreis von der Hilfsleitung 13 über die Schalterhilfskon- go takte 29, Hilfsrelaiskontakte 30, durch die Spule des Hilfsrelais 28 zum andern Pol des Hilfsrelais 13, der parallel zu dem Stromkreis der Kontakte 24 und 26 liegt, so daß die Spule des Hilfsrelais 28 auch dann, wenn die Kontakte der Relais 20 und 21 bereits geöffnet sind, noch so lange erregt bleibt, bis der Stromkreis infolge der Wirkung der Auslösespule 16, die das Auslösen des Schalters zur Folge hat, an dem Kontakt 29 geöffnet wird.

\Vie bereits erwähnt, spricht das Relais 20 auf entfernte Leitungsfehler an, bei denen der Überstrom verhältnismäßig langsam ansteigt und längere Zeit andauert. Die langsam ansteigende Charakteristik des Überstrdmes ist 105· durch den verhältnismäßig hohen Ohmschen und induktiven Widerstand im Belastungsstromkreis bedingt.

Das Relais 20 spricht wegen seiner ballistischen Charakteristik auf eine langsame Stromzunahme an, deren Höchstwert zu gering ist, um die Spule 19 des Relais 21 mit der Spannung zu erregen, die im Impulstransformator induziert wird.

Das Relais 21 dient andererseits dazu, starke Kurzschlüsse abzutrennen, die durch verhältnismäßig nahe an der Stromquelle auftretendeLeitungsfehler hervorgerufen werden, in diesem Falle ist der Ohmsche Widerstand und die Induktanz des Stromkreises sehr gering, und die Durchschnittsgeschwindigkeit des Stromanstieges ist bedeutend größer, als

wenn eine zulässige Belastungszunahme eintritt. Beim Auftreten derartiger Kurzschlüsse spricht also das Relais 21 fast augenblicklich an.

Das Relais 20 tritt auch bei näher liegenden Kurzschlüssen in Tätigkeit, jedoch infolge seiner induktiven Dämpfung erst nach einer bestimmten Zeitverzögerung.

Die Schutzeinrichtung arbeitet also auf Kurzschlußfehler, die an irgendeinem Punkt des Verteilungsnetzes auftreten. Eine falsche Arbeitsweise der Schutzeinrichtung, die sich etwa aus einer Belastungszünahme ergibt, wird durch die von der Zeit abhängige Stromcharakteristik des Kurzschlußzustandes vermieden. Wie bereits erwähnt, spricht das Relais 20 nicht nur auf die Durchschnittsgeschwindigkeit der Stromänderung im Kreise 10 an, sondern auch auf die Dauer einer solchen Änderung. Die neue Schutzeinrichtung hat deswegen den Vorteil, Kurzschlüsse abzuschalten und gleichzeitig Betriebsstörungen im Belastungsstromkreise beim Auftreten zulässiger Überlasten zu vermeiden, auch dann, wenn der absolute Wert dieser Überströme bedeutend größer als der der Kurzschlußströme ist. Damit das Relais 20 nicht auf steilem Stromanstieg ansprechen kann, ist parallel zur beweglichen Spule 18 des Relais 20 ein Ohmscher Widerstand 18' geschaltet. Wenn im Impulstransformator 17 eine Übertragungsspannung infolge eines stark ansteigenden Überstromes induziert wird, so verteilt sich der auftretende Impulsstrom im Relaisstromkreis zwischen dem Widerstände 18' und der Spule 18 im umgekehrten Verhältnis zu den Wirkwiderstandswerten des Widerstandes 18' und der Spule 18, es fließt also nur ein Teil des Impulsstronies durch die Spule 18, während der übrige Teil durch den Widerstand 18 fließt. Durch eine derartige Stromverminderung in der Spule 18 ist das Relais 20 am Ansprechen behindert, wenn sich der Belastungsstrom mit einer sehr großen Geschwindigkeit \^erstärkt. Erfolgt die Stromzunahme jedoch nach einer langsam ansteigenden Charakteristik, so verteilt sich der Impulsstrom zwischen der Spule 18 und dem Widerstand 18' im wesentlichen im umgekehrten Verhältnis zu den Ohmschen Widerständen dieser beiden Teile, und die Spule 18 erhält nunmehr einen größeren Teil des Impulsstromes als im vorgenannten Falle. I )as Relais 20 überbrückt also beim Ansprechen auf eine langer andauernde, langsam ansteigende Stromzunahme die Kontakte 24, es wird jedoch bei einer Stromzunahme mit steil ansteigender Charakteristik nur wenig beeinflußt. Die Teilung des vom Impulstransformator 17 kommenden Impulsstromes kann durch Einstellen der veränderlichen Induktanzspule 18" in Reihe mit der beweglichen Spule 18 des Relais 20 geregelt werden.

in Abb. 2 sind einzelne Abschnitte 35, 36 und 7,y einer Fahrleitung oder einer Strom- ^führungsschiene gezeichnet. Diese Fahrleitungsabschnitte werden beispielsweise von den Generatoren 38 und 39 über die Schalter 40, 41 oder 42, 43 und die Speiseleitungsabschnitte 44, 45 und 46 gespeist. In gewissen Abständen sind die einzelnen Abschnitte des Fahrdrahtes mit den Abschnitten der Speiseleitung durch Abzweigleitungen47 verbunden. Angenommen, daß ein Kurzschluß bei A auftritt, so wird die Fehlerstelle von den beiden Generatoren 38 "und 39 über den Speiseleitungsabschnitt 45, die Fahrdrahtabzweigung bei B und dem Fahrdrahtstromkreis B₁A gespeist. Der große, aus dem Generator 39 fließende Fehlerstrom erzeugt in dem Fahrdrahtstromkreis B, A einen so hohen Spannungsabfall, daß von selbst der vom Generator 38 über den Schalter 41 gelieferte Strom wesentlich geschwächt wird. Sobald sich der Schalter 42 bei Ansprechen des Relais 21 (Abb. I) öffnet, steigt der durch den Schalter 41 fließende Strom auf denselben Endwert an, den er erreicht hätte, wenn der Kurzschluß A über den Schalter 41 allein gespeist worden wäre. Der durch den Schalter 41 fließende Strom steigt daher auf seinen endgültigen Wert in zwei Abstufungen an, wie das in der graphischen Darstellung der Abb. 3 in bezug auf den Leitungsfehler (Abb. 2) \-eranschaulicht ist.

Die aus der Abb.3 ersichtliche Kurve 50 zeigt, wie sich der von dem Generator 38 zur Fehlerstelle A fließende Strom verstärken würde, wenn kein Strom vom Generator 39 zur Fehlerstelle fließen würde. Die Kurve 51 veranschaulicht den Impulsstrom, der im Impulstransformator 17 durch eine Stromzunahme von der Charakteristik der Kurve 50 induziert wird. Wird die Fehlerstelle A von beiden Stromquellen 38 und 39 gespeist, so steigt der von der Stromquelle 38 durch den Schalter 41 fließende Strom nach dem Verlauf der Kurve 52 an. Das Merkmal der Kurve 52 ist, daß die Stromzunahme in zwei Stufen erfolgt, und es werden daher zwei gesonderte Impulse 53 und 54 im Transformator induziert. Das Relais 21 spricht nur auf die Impulsströme an, die einen Spitzenwert, nämlich den der Kurve 51. besitzen, während das Relais 20 auf dem Stromverlauf der Kurve 52 anspricht. Infolge seiner ballistischen Eigenschaften addiert dieses Relais die Wirkungen der beiden Impulse 53 und 54 und spricht an.

Nach der Abb. 4 hat der Fehlerstrom die durch die Kurve 60 angedeutete Charakteristik und der zulässige Überstrom die

Charakteristik der Kurve 61. Da die Kurven 60 und 61 von ihrem Ursprung bis zu dem Punkte 62 zusammenfallen, so ist es bei Betriebsverhältnissen dieser Art erforderlich, Zusatzeinrichtungen vorzusehen, deren Arbeiten durch die Stromwerte nach dem Zeitpunkt 62 bestimmt ist. Es ist deshalb in der Abb. 5 ein Schaltbild der Schutzeinrichtung gezeigt, das dem der Abb. 1 ähnlich ist, jedoch sich von diesem dadurch unterscheidet, daß das Relais 20 noch eine Kompoundwicklung 71 hat, die in Reihe mit einem Widerstand 73 an einen nicht induktiven Nebenschlußwiderstand 74 geschaltet ist. In Reihe mit dem Nebenschlußwiderstand 74 liegt eine Induktanz 72 und zu beiden im Nebenschluß der Ohmsche Widerstand 75; sonst unterscheidet sich die Schaltung nach Abb. 5 auch in der Wirkungsweise nicht von der Schalao tung der Abb. 1. Durch die Anordnung der Wicklung 71, der Induktanz 72 und der Nebenschluß widerstände 74 und 75 wird das Ansprechen des Relais nicht nur von der Geschwindigkeit und der Dauer der Änderungen des Stromes, sondern auch von deren Größe abhängig gemacht. Infolge der Induktanzspule 72 wird die Kompoundwicklung 71 erst von dem Zeitpunkt an erregt, von dem ab die Charakteristiken des Kurzschlusses und des zulässigen Überlaststromes auseinandergehen; denn die Induktanzspule 72 nimmt den größten Teil des Spannungsabfalles am Nebenwiderstand 75 auf, solange der Strom mit einer verhältnismäßig großen Geschwindigkeit ansteigt. Wegen des dazukommenden, durch die Kompoundwicklung 71 im magnetischen Stromkreis des Relais 20 induzierten Flusses erfährt die bewegliche Spule 18 beim Auftreten eines Fehlers nach dem Zeitpunkt 62 ein Zusatzdrehmoment, das dem durch die Kurve 60 dargestellten Überstrom entspricht und das größer ist als das Zusatzdrehmoment, das dem Strom der Kurve 61 entspricht. Das Drehmoment, das ohne Berücksichtigung der Kompoundwicklung 71 auf die beweglichen Teile des Relais ausgeübt wird, ist proportional zu der von den Kurven 80 und 81 eingeschlossenen Fläche. Die Linie 80 zeigt den durch die bewegliche Spule 18 des Relais 20 fließenden Strom, wenn ein Kurzschluß von der durch die Kurve 60 dargestellten Charakteristik im Stromkreise auftritt, während die Kurve 81 den Strom veranschaulicht, der durch die Relaiswicklung infolge einer Belastungszunahme fließt, die die durch die Kurve 61 dargestellte Charakteristik hat. Wie aus dem Schaubild zu ersehen ist, umschließt die Kurve 80 eine viel größere Fläche als die KurveSi, und ein Kurzschluß übt daher einen viel stärkeren Drehimpuls auf die beweglichen Teile des Relais 20 aus als ein zulässiger Überstrom von in ähnlicher Weise ansteigender Charakteristik. Die Arbeitsbedingungen für den Überstromschutz unterscheiden sich in beiden Fällen darin, daß bei zulässigen Oberlastungen, bei denen zunächst ein steiler Stromanstieg vorliegt, dieser Anstieg immer nur eine begrenzte Zeit andauert und dann langsam infolge der Wirkung der gegenelektromotorischen Kräfte der Verbraucher, z. B. der Fahrzeugmotoren einer Bahnanlage, abnimmt; im Falle eines Kurzschlusses nimmt der Strom hingegen stetig bis zu seinem Endwert zu, wobei die Steilheit des Stromanstiegs nur von den Konstanten des Kurzschlußkreises abhängt.

Aus den in der Abb. 4 dargestellten Kurven ist ferner ersichtlich, daß der auf die bewegliche Spule 18 des Relais 20 ausgeübte Drehimpuls bei Kurzschluß nach dem Zeitpunkt 62, von dem ab die Kurven 60 und 61 divergieren, noch beträchtlich stärker ist, wenn die Kompoundwicklung 71 vorgesehen wird.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Überstromschutz für Gleichstromverteilungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzschalter durch je zwei Relais (21, 20) überwacht werden, von denen das eine (21) auf die Steilheit des Stromanstiegs, das andere (20) auf die Steilheit des Stromanstiegs und dessen Dauer anspricht.

2. Überstromschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (11) sowohl durch ein Tauchkernrelais (21), das mehr auf starke, in der Nähe der Stromquelle auftretende Kurzschlußoder Überströme sofort anspricht, als auch durch ein Galvanometerrelais (20), das mehr auf von der Stromquelle weiter entfernt auftretende Kurzschluß- oder Überströme nach einem bestimmten Zeitablauf anspricht, gesteuert wird.

3. Überstromschutz nach Anspruch 1 ι mit in die Verteilungsleitung geschalteten Impulstransformatoren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wicklung eines Impulstransformators die Betätigungsspule (19) des Tauchkernrelais, die bewegliche Spule (18) des Galvanometerrelais (20) sowie ein regulierbarer, induktiver Widerstand (18") in Reihe geschaltet ist.

4. Überstromschutz nach den Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Spule des Galvanometerrelais dauernd von einem Hilfsstromkreise (13) erregt wird.

5. Überstromschutz nach den Ansprüchen ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchkernrelais (21) außer seiner Be-

tätigungsspule (19) noch eine vom Hilfsstromkreis 13 dauernd gespeiste Polarisationsspule (27) hat, welche die magnetische Wirkung der Spule (19) bei Stromzunahme verstärkt, dagegen bei Stromabnahme der Bewegung der Spule 19 entgegenwirkt.

6. Überstromschutz nach den Ansprüchen ι bis 5, wobei der Ausschaltstromkreis des Schalters in der betreffenden Leitung durch ein Hilfsrelais geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsrelais (28) sowohl durch die bewegliche Spule (18) des Galvanometerrelais (20) als auch durch den Tauchkern des Tauchkernrelais (21) gesteuert wird.

7. Überstromschutz nach den Ansprüchen ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu der beweglichen Spule (18) des Galvanometerrelais (20) ein regelbarer Ohmscher Widerstand (18') parallel geschaltet ist.

8. Überstromschutz nach den Ansprüchen ι bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Elektromagnet (22) des GaI-vanometerrelais (20) außer seiner Elektromagnetwicklung noch eine Kompoundwicklung (71) hat, die in Reihe mit einem regelbaren Ohmschen Widerstand (73) und einem in der Verteilungsleitung liegenden Xebenschlußwiderstand (74) geschaltet ist.

9. Überstromschutz nach den Ansprüchen ι bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Xebenschlußwiderstand (74) eine Induktionsspule (72) und parallel zu beiden ein Ohmscher Widerstand (75) geschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen