DE585952C - Einrichtung zum Schutz elektrischer Leitungsstrecken - Google Patents

Description

Im Patent 563 138 ist angegeben, daß die Einstellung eines unverzögert ansprechenden Widerstandsrelais sich selbsttätig der Höhe der Belastung anpaßt.

Gemäß der Zusatzerfindung wird der Ansprechwert des Widerstandsrelais aber nur bei solchen Änderungen der Belastung, welche langsam erfolgen, geändert. Dadurch werden die Schwierigkeiten überwunden, welche entstehen, wenn sich die Einstellung eines Relais infolge der plötzlichen Leistungsänderung bei Eintritt eines Fehlers in der Anlage ändert. Außerdem ist diese Beeinflussung der Relaiseinstellung durch langsame Leistungsänderungen nicht nur bei Schutzanordnungen ■ für parallele Leitungen, sondern auch bei einfachen Leitungen anwendbar.

Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Figuren.

Fig. ι ist eine schematische Darstellung einer elektrischen Bahnanlage.

Fig. 2 dient zur Erläuterung der Richtung und Stärke des Belastungsstromes und Fehlerstromes unter bestimmten Bedingungen.

Fig. 3 zeigt im einzelnen einen Teil der Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung, die in Verbindung mit den in Fig. 1 und 2' dargestellten Stromkreisen zu verwenden ist.

In Fig. ι ist 10 eine Hochspannungsübertragungsleitung, zu welcher eine zweite Leitung 11 hinzukommen kann. Die elektrische Energie wird den Lokomotiven der Bahn durch Oberleitungen 12, 13, 14 und 15 zugeführt. Diese Oberleitungen können durch Streckenschalter an geeigneten Stationen längs der Leitung bei 16, 17 und 18 ^-aufgetrennt werden. Die Schalter sowie die zugehörigen Schutzrelais sind durch kleine Kreise 19 bis 26 angedeutet.

Wenn die Schalter 19 bis 26 geschlossen sind, sind die Leitungen 12 bis 15 mit den Sammelschienen 27 und 28 in den Unterstationen 16 und 17 verbunden. Entsprechende Sammelschienen 29 und 30 sind vorgesehen, um die Energie zu den Leitungen der Nachbarstationen zu leiten. Jede der Unterstationssammelschienen 27 bis 30 ist mit einer Transformatorwicklung 31 durch Schalter verbunden,, welche schematisch angedeutet und mit Relaiseinrichtungen 32, 33, 34 und 35 ausgestattet sind. Das andere Ende der Sekundärwicklung des Leistungstransformators kann

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über einen Schalter geerdet werden, welche zusammen mit ihren Relais bei 36, 37, 38 und 39 angedeutet sind. Die Primärwindungen der Transformatoren sind mit den Hochspannungsübertragungsleitungen 10 und 11 in üblicher Weise über Ölschalter und Trennschalter verbunden.

Spannungswandler 40 sind an verschiedenen Punkten des Stromverteilungsnetzes vorgesehen für Meßzwecke und Schutzzwecke. Die Schalter und Relaiseinrichtungen, die durch schmale Kreise 41, 42 und 43 dargestellt sind, vermögen die Sammelschienen der Unterstationen 16, 17 und 18 unter geeigneten Bedingungen miteinander zu verbinden.

Am Ende jedes Fahrdrahtabschnitts liegen Drosselspulen 44 und 45, wie bei 12 dargestellt ist. Notwendig sind diese Drosselspulen aber nicht;

In der vorliegenden Erfindung werden die Drosselspulen 44, 45 mit Rücksicht auf Impedanzrelais angewendet, wie im folgenden noch erläutert wird. Dadurch ist es möglich, von Impedanzrelais Gebrauch zu machen, welche auf Fehler bis zu einer Entfernung von 80 oder o.o°/₀ des Gesamtwiderstandes des Leitungsabschnittes eingestellt sind. Bei den Drosselspulen lassen sich die Fehlergefahren sehr klein machen. Auch dadurch, daß die Leitungsabschnitte an ihren Enden besser isoliert werden als in ihrer Mitte, oder, wenn es sich um den Fahrdraht von elektrischen Bahnen handelt, dadurch, daß die Speiseleitung erst in einer gewissen Entfernung von der Unterteilungsstation mit dem Fahrdraht verbunden wird, kann man eine ähnliche Wirkung erzielen.

Es ist erforderlich, daß Fehler, die auf dem Fahrdraht oder auch in der Unterstation entstehen, mit der geringsten Verzögerung beseitigt werden, um zu verhüten, daß in der Nähe der Bahn verlaufende Nachrichtenleitungen beeinflußt werden. Ebenso wichtig ist es ferner, daß unnötige Betriebsunterbrechungen vermieden werden müssen. Es ist deshalb wünschenswert, daß die Schutzeinrichtung die Eigenschaft hat, daß sie sehr schnell arbeitet und vollkommen selektiv ist, wobei gleichzeitig die Größe der Belastung zu berücksichtigen ist.

Das Grundsätzliche des neuen Schutzsystems sei an Hand von Fig. 1 erläutert. Die Schalter und die zu ihrer Betätigung dienenden Relais sind durch kleine Kreise angedeutet. Die Schalter zur Abschaltung des ■ Fahrdrahtes, 19 bis 26, werden durch Impedanzschnellrelais gesteuert, welche eine von der Betriebslast beeinflußte Spule enthalten, die später näher beschrieben wird.

Die Transformatorenschalter 32 bis 39 einschließlich werden durch an sich bekannte Rückstromrelais gesteuert. Differentialrelais sind vorgesehen zum Schutz gegen Kurzschlüsse im Transformator und Erdschlüsse auf der Leitung. Für den letzteren Zweck können auch Spannungsrelais vorgesehen sein. Die Schalter 41 bis 43 für die Sammelschienen werden durch Differentialrelais gesteuert, die in Tätigkeit treten, wenn ein Fehler auf den Unterstationsleitungen entsteht; es werden dann alle Streckenschalter, Transformatorenschalter und Sammelschienenschalter zur Auslösung gebracht.

In Fig. 2 sind die Verhältnisse, welche in dem Leitungssystem bei Auftreten eines Erd-Schlusses oder anderen Fehlers entstehen, dargestellt, wobei die Transformatorenschalter, Induktionsspulen, Sammelschienen usf. in Übereinstimmung mit Fig. 1 bezeichnet sind. Außerdem sind angegeben die Spannung der Unterstationssammelschienen in den Stationen 16 und 17, wenn am Punkt 46 auf dem Fahrdraht 12 in der Nähe der Sammelschienen 28 ein Erdschluß auftritt, sowie auch die Größe der in den verschiedenen Leitern der betroffenen Stromkreise fließenden Ströme. Eine Belastung ist bei der Stelle 47 angedeutet. Es sei angenommen, daß das Verteilungsnetz für eine Spannung von 12 Goo Volt gebaut ist.

Wenn an der Stelle 46 ein Erdschluß auftritt und an der Stelle 47 Energie betriebsmäßig entnommen wird, so wird der Fehlerstelle Energie von beiden Seiten zufließen. Dann ist die Energierichtung in dem Fahrdraht 12 zwischen der angeschlossenen Sammelschiene 28 und der Fehlerstelle 46 entgegengesetzt der Energierichtung in den anderen Fahrdrahtstrecken 13 bis 15. Dieser Umstand wird zur Verriegelung der in diesen anderen Fahrdrahtstrecken liegenden Schalter 24 bis 26 benutzt.

Fig. 3 zeigt die Einzelheiten des Schutzsystems. Die Hochspannungsübertragungsleitung, der Leistungstransformator, der Schalter, der zu diesem Transformator gehört, die Unterstationssammelschienenanlagen, die Fahrdrähte und ihre Schalter sind in der gleichen Weise bezeichnet wie in Fig. 1 und 2. Die Einrichtung, die nur zur Betätigung des Streckenschalters 23 der Fahrdrahtstrecke 12 dient, ist im einzelnen dargestellt. Die Einrichtungen für die anderen Fahrdrahtstrecken sind alle entsprechend und daher nicht gezeichnet.

Die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung enthält ein Impedanzschnellrelais 50 und ein schnell arbeitendes Richtungsrelais 51, deren beider Kontakte 52 und 53 in Reihe in einem Stromkreis liegen, der eine Batterie 54 und eine Auslösespule 55 für den Schalter 23 enthält. Das Impedanzschnellrelais 50 be-

sitzt eine Betätigungswicklung 54', welche von dem über die kranke abzuschaltende Leitung 12 fließenden Strom erregt wird, und außerdem zwei Rückzugswicklungen 55' und 55", die von der Spannung dieser Leitung erregt werden. Die Strom- und Spannungsspulen 54', 55' und 55" werden von Stromwandlern und Spannungswandlern 56 bzw. 57, welche an der Fahrdrahtleitung 12 und der Sammelschiene 28 liegen, gespeist.

Die Spannungswicklungen 55' und 55" bilden zwei Spulen mit getrennten Ankern. Um die Phasenlage der Erregerströme ungleich zu machen, liegt eine Induktionsspule 57' in Reihe mit der Spule 55' und ein Widerstand 57" in Reihe mit der Spule 55". Dadurch wird die Kraftwirkung des Relais verbessert, so daß das Vibrieren der Anker vermindert wird, was gerade für Impedanzschnellrelais,

ao die in einer halben bis dreiviertel Periode des üblichen Bahnwechselstromes oder in längstens einer Periode eines Wechselstromsystems mit der Frequenz 60 oder noch schneller ansprechen sollen, eine noch zu überwindende Schwierigkeit ausmachte.

Außer mit diesen Strom- und Spannungswicklungen ist das Impedanzrelais 50 noch ausgerüstet mit einer Vorrichtung, welche von der Belastung des Netzes beeinflußt wird und eine Wicklung 58 in Reihe mit der Stromwicklung 54' enthält. Der Anker der Spule 58' ist mittels einer Feder 58' mit dem Kontakt 52 des Relais 50 gekuppelt, so daß durch die Erregung der Windung 58 eine zusätzliche Rückzugskraft auf den Kontakt des Relais 50 ausgeübt wird, so daß erst bei einer stärkeren Erregung der vom Strom erregten Wicklung .54' oder bei einer kleineren Erregung der von der Spannung erregten Rückzugsspulen die Schließung des Kontaktes 52 des Impedanzrelais möglich ist. Eine Verzögerungseinrichtung, z. B. eine Kolbendämpfung 59, sorgt dafür, daß die entsprechend der Belastung der Anlage wirkende Vorrichtung nicht sofort auf Schwankungen des in dem Fahrdraht 12 fließenden Stromes reagiert.

Das 'Rückstromrelais 51 enthält einen E-förmigen Magnetkörper 59° und. 'eine damit zusammenwirkende, in der Mitte drehbar gelagerte Kontakteinrichtung 51'. Die Wicklungen 61 und 61' des Rückstromrelais 51 sind auf den äußeren Schenkeln des Magnetkörpers 59^a angeordnet und werden von dem Strom, den der Transformator 56 an die Fahrdrahtleitung 12 liefert, gespeist. Die Windungen 61 und 61' sind entgegengesetzt geschaltet.

Die Wicklung 60 des polarisierten Relais dient zur Magnetisierung des Relaisankers; sie ist auf dem mittleren Balken des Magnetkörpers 59^a angebracht. Diese Spule ist an einen Stromtransformator 63 in der Speiseleitung der Sammelschiene 28 angeschlossen. Wäre sie an den Spannungswandler 57 angeschlossen, so könnte bei einem schweren Fehler, der die Spannung stark absinken läßt, die polarisierende Wirkung der Spannungsspule des Rückstromrelais unter Umständen durch die übermäßige Stärke der Strommagnete überwunden werden. Mit der beschriebenen Ausführung läßt sich immer eine sehr schnelle Einstellung des polarisierten Relais erzielen. Dies ist vor allem wichtig, wenn das polarisierte Relais seine Kontakte 53 öffnen soll,-um dadurch den Leitungsschalter zu verriegeln, wenn der Strom zur benachbarten Sammelschienenanlage, d. h. entgegen der normalen Stromrichtung fließt.

Der Stromwandler zur Erfassung des Speisestromes der Sammelschienenanlage wird zweckmäßig in die geerdete Leitung der Sekundärwicklung des Leistungstransformators 31 gelegt, weil dadurch die Notwendigkeit, einen für Hochspannung isolierten Stromwandler zu verwenden, fortfällt.

Die Wicklungen 60, 61 und 61' des Rückstromrelais 51 sind derart geschaltet, daß, solange die normale Energierichtung herrscht, das Relais 51 wegen der gegenseitigen Phasenlage zwischen den Kraftflüssen, welche durch den über die Sammelschiene 28 und den über die Leitung 12 fließenden Strom hervorgerufen werden, seinen Kontakt 53 zu schließen sucht. Die Schließung des Kontaktes 53 ist aber unwirksam, solange der Kontakt 52 des Impedanzrelais offen bleibt. Wenn sich die Richtung der Energie umkehrt, sucht das Relais 51 den Kontakt offen zu halten. Der Kontakt 53 wird momentan geöffnet, wenn er vorher geschlossen war.

Das Impedanzrelais 50 und das Richtungsrelais 51 sind Schnellrelais, d.h. also keine Zeitrelais, welche durch Zeitstaffelung selektiv wirken. Infolgedessen soll das Richtungsrelais 51 seinen Kontakt 53 genau so schnell oder zweckmäßigerweise noch schneller öffnen, als das Impedanzrelais seinen Kontakt 52 schließt, d. h. also etwa innerhalb einer halben Periode oder einer noch kürzeren Zeit. Aus diesem Grunde werden auch bei dem Rückstromrelais zur Unterdrückung des Vibrierens des Ankers Nebenschlüsse angewendet, die eine Phasenverschiebung der Erregerströme hervorrufen, wenn es nicht angängig ist, die Trägheit des Kontaktarmes oder Ankers 51' hinreichend groß zu machen.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, kann der Relaisanker 51' des polarisierten Relais 51 mit einem Gewicht oder einer Gegenfeder 6i° versehen werden, welche die Öffnungsbewegung des Relaiskontaktes gegenüber der Schließbewegung beschleunigt und dadurch

das Relais S ι befähigt, schneller als das Impedanzrelais 50 zu arbeiten.

Außer dem Impedanzrelais 50 und dem Rückstromrelais 51 ist auch ein Differentialstromrelais 62 vorgesehen, welches durch die Differenz der einerseits vom Transformator 3.1 zu den Sammelschienen 25 und anderseits des in allen übrigen mit den Sammelschienen 28 verbundenen Leitern fließenden Gesamtstromes erregt wird. Das Relais 62 ist an eine geeignete Brückenschaltung angeschlossen und erhält Strom, wenn der in dem Sammelschienenstromwandler 63 fließende Strom nicht mit der Summe der Ströme der übrigen Stromwandler übereinstimmt, welche an die vier Bahnoberleitungen 12 bis 15 und die Kupplungsleitung mit dem zugehörigen Schalter 42 angeschlossen sind. Das Relais 62 besitzt vier Kontakte 65, durch welche die Stromkreise der Ausschaltspulen 55 der vier zu den Leitungsstrecken gehörenden Schalter 23 bis 26 und außerdem die Stromkreise für die Auslösespule 66 des Schalters 33 am Transformator und für die Auslösespule 67 des Schalters 42 der Kupplungsleitung zwischen den Sammelschienen gesteuert werden, um im Falle eines auf der Unterstation auftretenden Fehlers eine vollkommene Isolierung der Sammelschienenanlage 28 zu erreichen.

Das Impedanzrelais 50 ist ein Kipprelais, welches anspricht, wenn das Größenverhältnis Spannung durch Strom unter einen festgelegten Mindestwert sinkt. Soweit in der Erfindung von Impedanz die Rede ist, kann darunter auch irgendeine Komponente der Impedanz verstanden sein. Solange ein Fehler besteht, stellt die Impedanz der Strecke

■ selbst den vom Relais überwachten Widerstand dar, der bekanntlich im wesentlichen induktiver Art ist.

Durch die Hinzufügung der von der Belastung der Strecke abhängigen Spule 58 darf

■ nicht die Charakteristik des Impedanzrelais, sondern nur die Einstellung des Relais entsprechend dem Betrag des unmittelbar vor dem Auftreten des Fehlers über die Leitung fließenden Stromes geändert werden. Damit die Spule 58 nicht plötzlich wirken kann, ist eine Feder und eine Dämpfungseinrichtung 58' vorgesehen. Die Belastungsströme ändern ihre Größe langsamer als der durch einen Fehler hervorgerufene Strom. Wenn der Belastungsstrom größer wird, wird die Spule 58 stärker erregt und übt eine stärkere Rückzugskraft auf das bewegliche Glied des Relais 50 aus, so daß dieses nicht in Tätigkeit kommt. Bei einem plötzlichen Anschwellen des über die Leitung fließenden Stromes dagegen wird das Relais 50 betätigt, weil seine Betätigungsspule 54' plötzlich stärker erregt wird, während die Gegenwirkung der Spule 58 infolge der Verzögerungseinrichtung 59 nicht ebenso schnell anwächst. Die Einrichtung 58 ist nicht unter allen Umständen notwendig, so daß also unsere Erfindung nicht auf Anordnungen, welche eine solche Einrichtung besitzen, beschränkt ist.

Aus den vorangehenden Ausführungen geht hervor, daß das Impedanzrelais 50 in Verbindung mit der Einrichtung 58, 59 nur auf fehlerhafte Zunahme der Stromstärke anspricht, da die betriebsmäßige Last eine ihrer Größe entsprechende Gegenwirkung ausübt, welche die Wirkung des Relais 50 auch bei Änderungen des Laststromes verhindert. Die Schutzeinrichtung nach der Erfindung ist den bekannten Schutzeinrichtungen dadurch überlegen, daß zu Zeiten hoher betriebsmäßiger Belastung des Netzes eine Schalterauslösung bei Kurzschlußwiderstand außerhalb der eigenen Strecke nicht eintreten kann, während keine Gefahr besteht, daß zu Zeiten schwacher Netzbelastung ein Kurzschluß in der eigenen Strecke möglicherweise nicht zur Auslösung des Schalters führt, weil kein genügender Fehlerstrom auftritt.

Das Richtungsrelais 51 tritt in Tätigkeit, wie vorhin beschrieben, um die Auslösung der Schalter so· lange zu verhindern, als die Energie in Richtung auf die angrenzende Unterstation bzw. Nachbarstrecke zufließt. Bei einem Fehler in der Nähe des Endes einer Leitungsstrecke ist die Richtung der Energie in allen übrigen Leitungsstrecken zu diesem Ende des kranken Leiters hin gerichtet. Mittels des Richtungsrelais 51 wird dieser Umstand dazu benutzt, die Auslösung der Schalter an den gesunden Strecken zu verhindern.

Das Differentialrelais 62 spricht an, wenn ein Fehler in der Unterstation 28 auftritt, wobei der den Sammelschienen zufließende Strom, der vom Transformator 31 ausgeht, verschieden ist von dem Gesamtstrom, der von den Sammelschienen 28 an die Leiter 12 105 ' bis 15 und an die Kupplungsleitung mit dem Schalter 42 abgegeben wird. In diesem Falle bewirkt das Relais 62, daß die Fahrdrahtstrecken durch die Schalter 23 bis 26 abgeschaltet werden und gleichzeitig auch der Transformator durch den Schalter 33 und daß die Kupplungsleitung zwischen den Sammelschienen durch den Schalter 42 geöffnet wird. Auf diese Weise werden Fehler in den Sammelschienen schnellstens allseitig abgeschaltet, und die Teile des Netzes, welche normalerweise über die nunmehr abgeschalteten fehlerhaften Sammelschienenanlagen versorgt wurden, können dann von den Nachbarstationen mitversorgt werden,

Wenn die Relais 50 und 51 beide ihre Kontakte geschlossen haben, ist dies ein

Zeichen dafür, daß die Leitungsimpedanz so klein ist, wie sie nur bei einem Fehler sein kann, und daß der Fehler in der Leitungsstrecke entstanden ist, zu welcher diese Relais gehören. Der Schalter, der diese Strecke von den übrigen Leitungen abtrennt, wird dann unverzüglich geöffnet und dadurch die kranke Leitung spannungslos gemacht. Das Impedanzrelais 50 stellt den Widerstand des

ισ Fahrdrahtstromkreises fest und berücksichtigt dabei selbsttätig vermittels der Einstellvorrichtungen 58 und 59 die Größe der herrschenden Belastung. Dieses Relais entscheidet also, ob es mit Rücksicht auf die Stromstärke angezeigt ist, den Schalter zu öffnen; das Richtungsrelais entscheidet dann, ob aus der Energierichtung hervorgeht, daß der Fehler in der Leitung liegt, und verhütet auf diese Weise, daß der Schalter einer Leitung, in welcher der Strom zur Nachbarstation hinfließt, ausgelöst wird.

Die Verzögerungsrelais, welche in Fig. 1 angegeben sind, und. weitere Einzelheiten der Schutzeinrichtungen, welche bei der praktischen Anwendung der Erfindung ebenfalls zweckmäßiger weise vorgesehen sind, sind nicht im einzelnen beschrieben worden, da sie zum Verständnis des Erfindungsgedankens nicht notwendig sind.

Die Schutzeinrichtung ist zwar für eine •Bahnanlage besehrieben worden, trotzdem aber ist die Einrichtung auch bei anderen elektrischen Energieverteilungssystemen anwendbar. Es sind dafür nur naheliegende und selbstverständliche Abweichungen von der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung notwendig. Die Erfindung ist deshalb nicht auf eine Schutzeinrichtung nur für Bahnstromkreise, sondern ganz allgemein für elektrische Energieverteilungsanlagen gerichtet.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zum Schutz elektrischer Leitungsstrecken nach Patent 563 138, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansprechwert des schnell wirkenden Impedanzrelais (50) nur bei langsamen Änderungen der Belastung der zu schützenden Anlage selbsttätig in Abhängigkeit von der Leitungsbelastung geändert wird.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mit den Impedanzrelais ein Richtungsrelais zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (51') des Richtungsrelais (51) die zur Verriegelung des zugehörigen Streckentrennschalters erforderliche Bewegung schneller ausführt als die Bewegung zur Auslösung des Schalters.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung an den Streckenenden Widerstände, Drosselspulen oder Kapazitäten enthält, welche eine höhere Sicherheit gegen Fehler besitzen als die Leitungen.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß für die Leitungsstrecken Widerstandsrelais (50) und Richtungsrelais (51) und für die angrenzenden Unterstationen Differentialrelais (62) vorgesehen sind, welche die Verbindung zwischen den Leitungsstrecken (12, 13, 14, 15) und Stromquellen (31) einerseits und den Sammelschienen (28,30) anderseits durch öffnen der Streckenschalter (23, 24, 25, 26) in den angrenzenden Leitungsstrecken und in den Speiseleitungen lösen.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialrelais (62) einerseits von dem aus der Speiseleitung zur Sammelschiene fließenden Strom und anderseits von dem Strom aller an die Sammelschienen angeschlossenen Leitungen erregt werden.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 2 und 4 für elektrische Bahnanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelschienen (28, 30) von einem Transformator (31) mit einer mit einem Pol geerdeten Wicklung gespeist werden und daß ein in dieser Erdverbindung liegender Stromwandler (70) gleichzeitig zur Erregung der einen Spule des Differentialrelais (62) und der einen Spule (60) des Richtungsrelais (51) dient, dessen andere Spule (61) von dem Strom der zugehörigen Leitungsstrecke erregt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen