DE570835C - Einrichtung zum Selektivschutz und zur Fehlerortsbestimmung fuer Wechselstromnetze - Google Patents

Description

Bei Kurzschlüssen, Erdschlüssen, Lichtbogenüberschlägen und ähnlichen Störungen in Wechselstromnetzen, die Freileitungen, Kabel, Transformatoren,Drosselspulen u.dgl. s umfassen können, soll bekanntlich im allgemeinen nur der kranke Teil des Netzes durch die zugehörigen Schalter' ausgeschaltet worden. Um dies zu erreichen, ist es wünschenswert, zur Betätigung der Schalter oder zur

to Anzeige des Fehlers über solche Einrichtungen zu verfügen, die an Hand der an dem betreffenden Schalter vorhandenen Spannungen und Ströme selbsttätig feststellen, ob ein Fehler der erwähnten Art innerhalb eines gewissen, durch den Schalter gespeisten Netzabschnittes vorhanden ist. Erfindungsgemäß wird in derartigen Einrichtungen als Kennzeichen dafür, daß ein Kurzschluß bzw. ein Lichtbogen zwischen zwei Leitern oder einem Leiter und Erde innerhalb eines gewissen Abstandes vom Schalter vorhanden ist, die Phasenverschiebung des Stromes oder der Spannung am Schalter gegenüber der geometrischen Summe bzw. Differenz der Spannung und des Spannungsabfalles in einer von dem Strom durchflossenen Impedanz (Vergleichsimpedanz) benutzt.

Wie aus folgenden Überlegungen hervorgeht, gibt es verschiedene Möglichkeiten, um als Kennzeichen des Vorhandenseins und der Lage des Fehlers diese Phasenverschiebungen zu benutzen.

Wenn der Strom in der kurzgeschlossenen Leitungsschleife J ist, so ist die Spannung am Schalter E - _- I Z, .worin Z die Impedanz der Kurzschlußschleife bedeutet. Aus dieser Spannung E und dem Spannungsabfall in einer vom Strom / durchflossenen Vergleichsimpedanz Z' wird eine Spannung E' -.-_-_ E — IZ' zusammengesetzt und deren Phasenverschiebung gegenüber der Spannung E untersucht. Da I=. E Z und demgemäß E' — E (1— Z' Z), so ist die Phasenverschiebung gleich dem Winkel (Argument) der Vektorgröße (1—Z'jZ). Haben Z' und Z annähernd gleiche Winkel, d. h. sind die Verhältnisse zwischen induktivem und Ohmschem Widerstand gleich, was durch richtige Bemessung von Z' im allgemeinen erreicht werden kann, so liegt der Winkel der Vektorgröße (1 —Z'\Z) bzw. die Phasenverschiebung in der Nähe von o°, falls Z,~> Z.' ist, und in der Nähe von iSo°, falls Z <-Z' ist. Im letzteren Falle liegt der Kurzschluß innerhalb des Netzabschnittes, dessen Impedanz gleich TJ ist. Im ersteren Falle liegt der Kurzschluß entweder außerhalb dieses Netzabschnittes, oder es ist überhaupt kein Kurzschluß vorhanden. Liegt der Kurzschluß auf der anderen Seite (Sammelschienenseite) des Schalters und wird er durch diesen rückwärts gespeist, so ist infolge

der, umgekehrten Stromrichtung die Phasenverschiebung gleich dem Winkel der Vektorgröße (i+Z'/Z), der wieder etwa o° ist. Wenn also die Phasenverschiebung zwischen E und E in der Nähe von i8o° (z. B. zwischen 90⁰ und i8o° oder zwischen i8o° und 270⁰ liegt, so ist das ein Kennzeichen dafür, daß ein Kurzschluß auf der Leitungsseite des Schalters innerhalb eines Netzabschnittes mit

der Impedanz Z' vorhanden ist. Wegen der möglichen Vergrößerung des Ohmschen Teiles der Impedanz Z durch den Widerstand eines Kurzschlußlichtbogens ist es zur Erreichung annähernd gleicher Impedanzwinkel zweckmäßig, diesen zusätzlichen Ohmschen Widerstand bei der Bemessung der Vergleichsimpedanz Z' annähernd zu berücksichtigen.

Man kann auch aus der Phasenverschie-20

bung zwischen dem Strom J und der erwähnten Spannungssumme E'= E—IZ₁ ein Kennzeichen für die Lage des Fehlers erhalten. Weil E=IZ ist, so ist E' = I (Z-Z'), und ²S die Phasenverschiebung ist gleich dem Winkel der Vektorgröße (Z — Z'). Dieser Winkel ist positiv (d. h. liegt zwischen o° und + i8o°), wenn die induktive Komponente X der Impedanz Z größer ist als die induktive Komponente X' der Vergleichsimpedanz Z', und negativ (zwischen o° und — i8o°) im umgekehrten Falle. Im ersten Falle, wo der Strom der zusammengesetzten Spannung nacheilt, liegt also der Fehler außerhalb des Netzabschnittes, dessen Reaktanz dem induktiven Teil der Vergleichsimpedanz Z' entspricht, im letzteren Falle, wo der Strom voreilt, liegt der Fehler innerhalb dieses Abschnittes. W^reil hier nur die induktiven Teile der Vergleichsimpedanz und der Impedanz der Kurzschlußschleife miteinander verglichen werden, hat ein etwaiger Lichtbogenwiderstand keinen Einfluß auf die Zuverlässigkeit der Fehlerortbestimmung. Der Ohmsche Teil der Vergleichsimpedanz (Z') braucht nicht dem Ohmschen Teil desselben Xetzabschnittes zu entsprechen, dessen Reaktanz dem induktiven Teil der Vergleichsimpedanz entspricht. Es ist sogar vorteilhafter, wenn eine Übereinstimmung zwischen den beiden Ohmschen Komponenten nicht vorhanden ist, weil dadurch verhindert wird, cg daß die zusammengesetzte Spannung E' { = E—IZ) verschwendet, wenn der Kurzschluß in der Nähe der Grenze des Netzabschnittes liegt. Damit nicht ein zusätzlicher Lichtbogenwiderstand zufällig eine Überein-Stimmung zwischen den Ohmschen Widerständen hervorrufen kann, hält man am besten den Ohmschen Vergleichswiderstand kleiner als den des Netzabschnittes. Man kann die Ohmsche Komponente des Spannungsabfalls IZ' sogar negatig machen, indem man einen von dem Strom Ϊ in entgegengesetzter Richtung durchflossenen zusätzlichen Ohmschen Widerstand in den Spannungskreis einschaltet.

Es ist ferner nicht unbedingt notwendig, die oben beschriebene Fehlerortbestimmung auf einen Vergleich der induktiven Widerstände zu gründen, sondern man kann, besonders bei Netzstromkreisen mit großen Ohmschen Widerständen, die durch Lichtbogen nicht erheblich vergrößert werden können, die Einrichtung auch auf einen Vergleich der Ohmschen Widerstände gründen, wobei der Grenzwinkel der Phasenverschiebung (die kritische Phasenverschiebung) nicht o° (bzw. i8o°), sondern 90 ° (bzw. —90 °) ist. Oder allgemein: die Einrichtung kann auf eine Impedanz mit dem Winkel α (der für Ohmsche Widerstände = o, für induktive Widerstände = 90⁰ ist) abgestimmt werden, ^8s wobei die kritische Phasenverschiebung auch gleich α (bzw. i8o°'+ α) wird.

Wie oben gezeigt, kann die Phasenverschiebung sowohl zwischen den Spannungen E _Qo und E' als auch zwischen dem Strom / und der Spannung E' in verschiedenen Weisen als Kennzeichen des Vorhandenseins und der Lage eines Kurzschlusses verwendet werden. Anstatt der Spannung E oder des Stromes I können selbstverständlich auch andere Größen verwendet werden, die mit diesen durch eine feste Phasenverschiebung verknüpft sind, wodurch sich auch die kritischen Phasenverschiebungen dieser Größen in bezug auf die zusammengesetzte Spannung E' im gleichen Maße ändern. Schließlich können auch anstatt E und I Größen verwendet werden, die aus diesen beiden zusammengesetzt sind, z. B. in ähnlicher Weise, wie FJ aus E und 7 zusammengesetzt ist. Die Vektorgröße, deren Winkel gleich der gemessenen Phasenverschiebung ist, kann dadurch in verschiedener Weise aus der Impedanz der Kurzschluß- n₀ schleife und einer oder mehreren \^rergleichsimpedanzen zusammengesetzt werden. Durch richtige Wahl der Vergleichsimpedanzen erhält man dabei kritische Winkel bzw. Phasenverschiebungen, die die Lage eines Fehlers in bezug auf verschiedene Punkte im Netze kennzeichnen können.

Obwohl es also möglich ist, die neue Methode in vielerlei Weise abzuändern, ist sie doch immer dadurch gekennzeichnet, daß als Kriterium des Vorhandenseins eines Fehlers innerhalb eines gewissen Netzteiles die

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Phasenverschiebung zweier Größen verwendet wird, von denen wenigstens die eine der Summe bzw. Differenz einer von der Spannung und einer vom Strome abhängigen Komponente entspricht.

Sowohl die Feststellung der Phasenverschiebung als auch die Zusammenstellung der von Spannung und Strom abhängigen Größe kann mit solchen Vorrichtungen vorgenommen werden, die an und für sich nicht neu zu sein brauchen. Es wird daher nur die Zusammenstellung dieser Apparate als neu betrachtet. Zur Feststellung der Phasenverschiebung kann z. B. ein nach dem elektrodynamischen oder nach dem Ferraris-Prinzip gebautes, unter Umständen mit zwei Spannungsspulen (anstatt mit einer Strom- und einer Spannungsspule) versehenes, wattmetrisches Relais verwendet werden, das je nach dem kritischen Wert der Phasenverschiebung für Wirk-, Blind- oder eine gemischte Leistung geschaltet ist. Es kann auch ein nach dem Prinzip der Kreuzspul instrumente geballtes Relais zur Verwendung kommen oder überhaupt jedes andere,Relais^ das ...beinTTTQberschreiten. . einer ₌ gewissen l/hasenverschiebung zwischen den ihm zuge-"Tührten^ Wechselstromgrößen (Spannungen bzw. Strömen) anspricht, indem es z. B. einen_ Kontakt schließt oder öffnet. 1

Die von Spannung und Strom abhängige Größe kann z. B. dadurch erhalten werden, daß in Reihe mit der Spannung eine oder mehrere von Strom durchflossene Impedanzen eingeschaltet werden, und zwar in ähnlicher Weise, wie es z. B. bei Schnellreglereinrichtungen zur Erzielung einer kompoundierten Spannungsregelung der Fall ist. Die Spannung kann z. B. einem Spannungswandler, der Strom zur Speisung der Impedanzen einem Stromwandler, unter Umständen unter Verwendung von Zwischenwandlern entnommen werden, und die Anordnungen können auch sonst innerhalb der Grenzen der üblichen Praxis geändert werden. Die Resultante aus der Spannungs- und der Stromkomponente kann auch in einem Phasenverschiebungsrelais als magnetische Größe gebildet werden, indem z. B. dieselbe Spule oder auf demselben Kern angebrachte getrennte Spulen von Spannung und Strom gespeist werden.

Die Einrichtung kann zu verschiedenen Aufgaben im Selektivschutz verwendet werden: z. B. zum Anzeigen des Fehlers, zum Betätigen der Auslösevorrichtungen der Schalter, zum Sperren oder Verzögern der Auslösung durch andere Relais usw.

Eine weitere Entwicklung der Erfindung besteht darin, daß die Vergleichsimpedanz (oder allgemein das Verhältnis zwischen der spannungs- und der stromabhängigen Komponente der zusammengesetzten Spannung E') nach Eintritt des Kurzschlusses mit der Zeit stetig oder stufenweise verändert, und zwar im allgemeinen vergrößert wird. Hierdurch wird auch der entsprechende Netzabschnitt vergrößert, bis er den Kurzschlußpuhkt erreicht, wenn nicht der Kurzschluß inzwischen durch einen anderen Schalter abgeschaltet worden ist.

Auf der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt.

Abb. ι zeigt den Kurzschlußschutz einer durch einen Schalter 1 gespeisten Emphasenleitung (bzw. der von zwei Leitern gebildeten Phase einer Mehrphasenleitung). Den Spulen eines Relais 6 wird einerseits die Spannung eines Spannungswandlers 2, andererseits die Summe dieser Spannung und des Spannungsabfalls in einer von den Stromwandlern 3 gespeisten Impedanz (Vergleichsimpedanz) 5 zugeführt. Beim Überschreiten einer gewissen Phasenverschiebung (z. B. 90⁰) zwischen diesen beiden zugeführten Größen schließt das Relais 6, das z. B. ein mit zwei Spannungsspulen ausgerüstetes, wattmetrisches Relais sein kann, einen Kontakt zwischen den Leitungen α und führt dadurch z. B. das Öffnen des Schalters 1 herbei.

In Abb. 2 ist ein von den Stromwandlern 3 über einem Zwischenwandler 4 gespeistes Überstromrelais 7 als Ansprechorgan verwendet worden. Wenn dieses anspricht, wird das Relais 8 in Tätigkeit gesetzt. Die Stromspule dieses Relais ist in Reihe mit der Spule des Überstromrelais geschaltet, während an die Spannungsspule die Summe der Spannung aus dem Spannungswandler 2 und des Spannungsabfalls in den Stromspulen der beiden Relais gelegt wird. Die Impedanz 5 in Abb. 1 ist also hier zwecks Verminderung der Belastung der Stromwandler durch die beiden Relaisspulen ersetzt. Wenn die Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der zusammengesetzten Spannung einen gewissen Wert überschreitet, spricht auch das Relais 8 an und schließt einen Kontakt, wodurch die Leitungen α geschlossen und z. B. der Schalter ι geöffnet wird. Anstatt des Überstromrelais 7 in dieser Anordnung kann auch ein Spannungsrückgangsrelais, Impedanzrelais oder ein ähnliches Relais als Ansprechorgan verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich hier nur auf die Anordnung des Relais 8.

In Abb. 3 wird eine Kurzschlußschutzeinrichtung eines Drehstromabzweiges gezeigt. Der Übersicht halber sind die Relaiseihrichtungenfürnur eine Phase (zwei Leiter) eingezeichnetr~7nr*de"r hier gezeigten Anordnung ist die Erfindung zweimal verwendet, und zwar erstens als Ansprechorgan (Relais 6)

Claims (7)

1. und zweitens zur Regelung der Auslösezeit (Relais 8). Die eine Spannungsspule des Relais 6 wird von dem Spannungswandler 2 der betreffenden Phase gespeist, die andere Spule liegt an der Summe dieser Spannung und des Spannungsabfalls in der Vergleichsimpedanz 5, die von den Stromwandlern 3 über einen Zwischenwandler 4 der betreffenden Phase gespeist wird. Wenn die Phasenverschiebung zwischen diesen Spannungen einen gewissen Wert (z. B. 90⁰) überschreitet, spricht das Relais 6 an, schließt einen Kontakt und bringt dadurch mit Hilfe eines Kontaktrelais 7 das Relais 8 in Tätigkeit. Die Stromspule dieses Relais wird von den Stromwandlern 3 und dem Zwischenwandler 4, die Spannungsspule von der Sekundärwicklung des Spannungswandlers 2 in Reihe mit einem Teil der von dem Strom durchflossenen Impedanz 5 gespeist. Dieser Teil der Impedanz 5 wird mit Hilfe eines durch das Ansprechen des Relais 6 in Tätigkeit gesetzten Mechanismus mit der Zeit vergrößert, bis die Phasenverschiebung zwischen den beiden dem Relais 8 zugeführten Größen einen gewissen Wert erreicht hat und das Relais 8 anspricht.
2. Patentansi'uHcue:
3. i. Einrichtung zum Selektivschutz und zur Fehlerortsbestimmung für Wechselstromnetze, gekennzeichnet durch ein Relais, welches anspricht, wenn die Phasenverschiebung zwischen zwei von den Wechselspannungen und -strömen abhängigen elektrischen oder magnetischen Größen, von denen wenigstens die eine Größe die Differenz bzw. Summe einer spannungsabhängigen Komponente und
4. 4.0 einer durch eine Vergleichsimpedanz gebildeten stromabhängigen Komponente ist, unabhängig von ihren Absolutwerten einen gewissen kritischen Wert überschreitet.
   2. Als Ansprechrelais für den Selektivschutz und zur Felllerortsbestimmung verwendbare Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die eine Größe von der Spannung, die andere Größe von der Differenz der spannungs- und stromabhängigen Komponenten abhängig ist und der kritische Wert der Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Größen etwa 90⁰ beträgt.

   3. Zum Betätigen, Sperren oder Verzögern der Schalterauslösung oder zur Fehlerortsbestimmung verwendbare Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Größe vom Strom, die andere Größe von der Differenz der spannungs- und stromabhängigen Komponenten abhängig ist.

   4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet durch eine solche Zusammensetzung der spannungsabhängigen und stromabhängigen Komponenten, daß ihr Effektivwer-t bei Kurzschluß oder Lichtbogenüberschlag im Netz nur dann Null werden kann, wenn sowohl Spannung als Strom Null sind.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der spannungs- und der stromabhängigen Komponente nach Eintritt einer Störung mit der Zeit stetig oder stufenweise verändert wird.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den spannungs- und stromabhängigen Komponenten zusammengesetzte Größe durch Reihenschaltung der Sekundärwicklung eines Spannungswandlers mit einer oder mehreren Vergleichsimpedanzen erhalten wird, die von Stromwandlern, gegebenenfalls über Zwischenwandler gespeist werden.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspulen von Relais und Meßinstrumenten ganz oder zum Teil die Vergleichsimpedanzen bilden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen