DE592143C - Einrichtung zum Betrieb von durch Loeschspulen geschuetzten Hochspannungsnetzen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN Al
2. FEBRUAR 1934

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE

A 65042 VIIIb[21 c

Patentiert im Deutschen Reiche vom 10. Februar 1932 ab

Beim Normalbetrieb von Hochspannungsnetzen, insbesondere solchen, bei denen die Teilkapazitäten der Netzleiter gegen Erde nicht alle den gleichen Wert haben, ergibt sich bekanntlich der Nachteil, daß sich bei Verwendung von Erdungsinduktivitäten (Löschspulen) zum Erdschlußschutz die Spannung" des Netzes gegen Erde um so mehr verlagert, je näher die Löschspule,auf

ίο Resonanz mit den genannten Kapazitäten abgestimmt ist. . Um diese Verlagerung zu vermeiden, ist daher die sogenannte Dissonanzabstimmung der Löschspulen vorgeschlagen worden, welche die Spannungsver-

-.5 Lagerung des Netzes in engen Grenzen hält, ohne die Löschfähigkeit der Schutzeinrichtung wesentlich herabzusetzen. Eine andere Möglichkeit, die Spannungsverlagerung zu vermeiden, besteht darin, daß im Normalbetrieb des Netzes die Löschspule durch einen Stromkreis von sehr geringem Widerstand überbrückt wird, der aber im Falle eines Erdschlusses selbsttätig geöffnet wird, so daß also im Normalbetrieb die Spannungsverlagerung nahezu auf Null gebracht wird, im Erdschlußfalle dagegen die Löschspule in voller Wirksamkeit ist. Hierfür sind aber Selbstschalter erforderlich, die unter dem Einfluß der Spannung zwischen Nullpunkt und Erde stehen und die · in kürzester Zeit beim Anstieg dieser Spannung den Überbrückungsstromkreis unterbrechen. Nun sind aber Schalter gewöhnlicher Art für diesen Zweck ganz ungeeignet, da sie viel zu träge arbeiten und für die in Frage kommenden

Abschaltleistungen viel zu groß ausfallen. Es ist nämlich zu beachten, daß die maximal am Schalter auftretende Spannung gleich der Phasenspannung des Netzes und der im Erdschlußfalle auftretende Strom in der Überbrückung von der Größenordnung des Erdschlußstromes sein kann. Die Abschaltleistung entspricht also der Größenordnung nach dem Produkt aus Phasenspannung X Erdschlußstrom. Derartige Schalter erfordern zur Abschaltung eine relativ lange Zeit, und in dieser ist das Netz ungeschützt.

Diese Nachteile werden aber vollkommen vermieden, wenn man erfindungsgemäß als Schalter gittergesteuerte Vakuumzellen, verwendet, die den Stromkreis selbsttätig in außerordentlich kurzer Zeit abschalten und dabei ohne Schwierigkeit für die genannten Spannungen und Ströme bemessen werden können.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Einrichtung zum Betrieb von durch Löschspulen geschützten Hochspannungsnetzen so-^: wie zum selbsttätigen Einschalten und Einstellen der Löschspulen, bei welcher im. Normalbetrieb des Netzes die Löschspule durch einen die Verlagerungsspannung auf einen kleinen Wert herabsetzenden Stromkreis überbrückt ist, in welchem sich gittergesteuerte Vakuumzellen befinden, deren Gitter in Abhängigkeit von der Größe der Spannung zwischen Netznullpunkt und Erde so gesteuert werden, daß beim Steigen dieser Spannung über einen gewissen Wert der Stromdurchgang durch die Vakuumzelle ge-

sperrt und damit der Uberbrückungskreis unterbrochen ist,.während beim Herabsinken der Spannung unter diesen Wert das Gitter ein Potential erhält, welches den Stromdurchgang freigibt.

Als Ventilzellen könnte man, weil es sich um den Durchfluß von Wechselstrom handelt, Zellen verwenden, die nur Elektronen emittierende Elektroden besitzen, sei es, daß sie

ίο als Glühkathoden oder als Quecksilberelektroden ausgebildet sind. Eine vorteilhaftere Ausbildung der Einrichtung ergibt sich aber aus der Verwendung zweier Vakuümventilzellen entgegengesetzter Durch-

X5 laßrichtung, die sich im überbrückungsstromkreis in Parallelschaltung befinden und die gleichzeitig und im gleichen Sinne gesteuert werden.

Der Erfmdungsgegensfand soll nun an Hand der Ausführungsbeispiele der Fig. ι bis 3 näher erläutert werden.

In Fig. ι bedeutet C die Teilkapazität des Netzes gegen Erde, L die Löschspule, JJ eine Überbrückungsleitung, V₁, V₂ zwei parallel geschaltete Ventilzellen entgegengesetzter Durchlaßrichtung. Es sei angenommen, daß das Potential der Gitter G₁ bzw. G₂ so eingestellt ist, daß der Stromdurchgang durch die Zellen V₁ und V₂ freigegeben ist. Die Löschspule befindet sich dann über die Ventilzellen im Kurzschluß, und das Netz ist somit direkt geerdet. Dies bedeutet aber keineswegs, daß die Überbrückungsleitung U stromfrei ist. Die auf den Erdungskreis wirkende Unsymmetriespannung ruft in ihm einen Unsymmetriestrom hervor, der sich über den Uberbrückungskreis 'U schließt. Der Unsymmetriestrom hat die Frequenz des Netzes. An der Löschspule L tritt als Folge dieses Stromes aber eine Spannung auf, welche gleich ist dem Spannungsverbrauch des Überbrückungskreises. Dieser setzt sich aus dem Spannungsabfall im Widerstand dieses Kreises und in den Vakuumzellen zusammen.

Verwendet man als Ventilzellen, Quecksilberdampf röhren, dann beträgt der Lichtbogenabfall etwa 20 Volt. Entsprechend der Spannung an der Löschspttle geht somit auch ein Teil des Unsymmetriestromes durch diese Spule. Um den Stromdurchgang durch die Ventilzellen V₁ und V₂ nach beiden Richtungen zu ermöglichen, sind sie mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung parallel geschaltet, d. h. es ist die Anode A₁ mit der Kathode K₂, die Anode A₂ mit der Kathode K₁ verbunden. Es muß nun dafür Sorge getragen werden, daß bei Zunahme der Spannung an der Löschspule (also im Erdschlußfalle) der Stromdurchgang durch beide Ventilzellen, von denen jede nur die Halbwellen gleichen Vorzeichens durchläßt, selbsttätig gesperrt wird. Hierzu dient die durch die Steuertransformatoren T₁, T₂ und den Steuergleichrichter G_x gebildete Einrichtung, welche den Gittern G₁ bzw. G₂ gegenüber ihren Kathoden K₁ bzw. K₂ bei kleiner Löschspulenspannung ein positives (Durchlaß-), bei großer Löschspulenspannung dagegen ein negatives (Sperr-) Potential erteilen.

Die Arbeitsweise dieser Einrichtung ist folgende: Die Primärwicklungen P₁ und P₂ der Transformatoren T₁ und T₂ sind in Reihe geschaltet, und diese Reihe wird von der ■Spannung der Sekundärwicklung Q₁, des Spannungstransformators S₁, gespeist, welcher primär an der Löschspulenspannung liegt. Die Spannung an der Reihe P₁ und P₂ ist also proportional der Spannung an der Löschspule. Die Transformatoren T₁ und T₂ besitzen nun je zwei Sekundärwicklungen, und es ist je eine Sekundärwicklung des Transformators T₁ einer Sekundärwicklung des Transformators T₂ entgegengeschaltet, so daß an diesen beiden Wicklungsreihen die Differenz der Sekundärspannungen herrscht. Die eine Sekundärwicklungsreihe ist nun zwischen Kathode K₁ und Gitter G₁ der Ventilröhre V₁, die andere zwischen Kathode K₂ und Gitter G₂ der Ventilröhre V₂ geschaltet. Die Übersetzung der Transformatorwicklung ist so gewählt, daß die Spannung an der Sekundärwicklung von T₁ größer ist als die an der Sekundärwicklung von T₂. Der Anschluß der Sekundärwicklungsreihe an die Elektroden erfolgt nun so, daß die an dieser Reihe herrschende resultierende Spannung das Gitter gegenüber der Kathode positiv aufladet. Zur Umkehr der Richtung der Gitterspannung beim Anstieg der Löschspulenspannung dient die gleichstromgespeiste Wicklung Y auf dem Mittelschenkel des Transformators T₁. Diese Wicklung erzeugt im Eisen des Transformators T₁ ein Gleichstromfeld, welches das Eisen der beiden äußeren Schenkel in entgegengesetztem Sinne sättigt.

Die. MMK des Wechselstromes wirkt daher während einer Halbwelle auf den einen Schenkel im Sinne, auf den anderen gegen den Sinn der Gleichstromsättigung, für die andere Halbwelle kehrt sich der Sinn der MMK in beiden Schenkeln entsprechend um. Man erreicht dadurch eine symmetrische Form der beiden. Halbwellen der Sekundärspannung und einen annähernd sinusförmigen Verlauf der Spannungskufven. Das den Transformator T₁ sättigende Gleichstromfeld ist nun eine Funktion der Spannung am Transformator Sp, da es von einem Gleichstrom erzeugt wird, welcher durch Gleichrichtung aus der Transformatorspannung· von S_p ge-

wonnen wird. Dieses Gleichstromfeld nimmt also je nach der Größe der Spannung an der Löschspule verschiedene Werte an, und je nach der Größe des Gleichstromfeldes ist die durch die MMK des Magnetisierungsstromes im Transformator T₁ erzeugte Spannung größer oder kleiner. Nun setzt sich die Sekundärspannung dieses Transformators aus zwei Teilspannungen zusammen, die in

ίο den beiden Spulen der Spulenreihe i, 3 bzw. 2, 4 induziert werden. Diese beiden Spulen liegen aber auf verschiedenen Schenkeln des Transformators, deren Sättigung von dem Erregerwechselstrom. entgegengesetzt beeinflußt wird. Trägt man die Magnetisierungskurven über eine gemeinsame Abszisse, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen derart auf, daß sie sich beim Wert des jeweiligen Gleichstromfeldes schneiden (s. Fig. 2, Punkt P bzw. P'), so ergibt sich die jeweilige FeIdänderung im Transformator T₁ unter Einfluß des Erregerwechselstromes, wenn man von Punkt P ausgehend die magnetische Amperewindung dieses Wechselstromes nach links und rechts auf der Abszisse aufträgt und die zugehörigen Ordinaten einzeichnet. Die zwischen den Magnetisierungskurven liegenden Abschnitte der Ordinaten stellen dann die Summe der Feldpulsation in den Schenkein des Transformators T₁ dar. Ihnen entsprechen dann die in den Wicklungen 1, 3 (bzw. 2, 4) induzierten EMKe E₁. Tm ungesättigten Transformator T wird dann, wie in Fig. 2 angedeutet, die EMK E₂ induziert.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hängt die Größe von E₁ wesentlich von der Größe des Gleichstromfeldes bzw. der dieses Feld erzeugenden Spannung E_g ab. Bei E_gm-_m liegt der Schnittpunkt P' der Magnetisierungskurven auf dem geraden Teil der Charakteristik, und JS₁' ist erheblich größer als für ein der Erregerspannung E_{g max} entsprechendes Gleichstromfeld. Diese Abhängigkeit der Spannung E₁ und der Änderung des Gleichstromfeldes hat

zur Folge, daß das Spannungsverhältnis -^'

sich mit der Spannung an der Löschspule ändert und daß bei entsprechender Bemessung der Sekundärwicklungen derTransformatoren T₁ und T₂ die Differenz dieser Spannungen bei sich ändernder Löschspulenspannung ihr Vorzeichen wechselt. Die Differenzspannungen werden nun den Gittern der Entladungsröhren V₁ und V₂ zugeführt. Für eine größere Löschspulenspannung und Gleichstromerregung ist die resultierende Spannung an der Reihe der Sekundärwicklungen von T₁ und T₂ gleich Null. Die Gitter haben das Potential der Kathode und sperren den Stromdurchgang durch die Ventilzellen V₁ und V₂. Bei weiterer Steigerung der Gleichstronicrrcgung überwiegt die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators T₂ gegenüber der an T₁, und die Gitter werden relativ zur Kathode negativ aufgeladen. Es ist nur noch notwendig, die Gleichstromerregung der Wicklung Y selbst von der Löschspulenspannung abhängig zu machen. Dies wird mit Hilfe des Steuergleichrichters Gi und der Sekundärwicklung O_p erreicht, welche ■ ebenfalls auf dem Spannungstransformator S_p untergebracht ist. Die Spannung am Gleichrichter G[ ist proportional der Löschspulenspannung, demgemäß ist auch der Gleichstrom proportional dieser Spannung. Um die Zeitkonstante dieses Erregerkreises klein zu halten, ist der Ohmsche Widerstand W in diesen Gleichstromkreis eingeschaltet. Das erzeugte Gleichstromfeld kann dadurch konstant gehalten werden, daß auf dem Mittelschenkel des Transformators T₁ eine in sich kurzgeschlossene Wicklung oder Windung D angebracht ist. Die beschriebene Gittersteueiung wirkt also derart, daß bei kleiner Spannung an der Löschspule die Gitter ein den Strom durchlassendes positives Potential erhalten, während ihnen, wenn die Löschspulenspannung einen gewissen Wert überschreitet, ein gegenüber ihrer Kathode negatives Potential erteilt würde, welches den Stromdurchgang sperrt. Der Überbrückungskreis öffnet oder schließt sich somit automatisch, wenn die Spannung an der Löschspule steigt oder fällt.

Diese Einrichtung eignet sich nun aber ganz besonders auch zur selbsttätigen Einstellung der Löschspule auf der jeweiligen Netzlänge angepaßte Werte. Zu diesem Zweck wird in den Überbrückungskreis U ■ eine Wechselstronimaschine H₁ eingeschaltet, welche nach Art einer gleichstromerregten Synchronmaschine geba,ut sein kann. Man wird zweckmäßig die Frequenz dieser Hilfsmaschine von der Netzfrequenz verschieden wählen, um den Einfluß der Netzfrequenz auf die Messung des jeweiligen Blindleitwertes der aus C und L gebildeten Kombination auszuschalten. Soll die Löschspule stets auf

einen bestimmten Kompensationsgrad ν — -γ-

■i-'d

eingestellt sein, wo γ- das Verhältnis der gewählten Induktivität L der Löschspule zu der Induktivität L₀ der auf Resonanz abgestimmten Löschspule bedeutet, dann ist es vorteilhaft, die Frequenz ω_χ der Hilfsmaschine so zu wählen, daß für sie sich L und C in Resonanzabstimmung befindet. Ist ω die Bctricbsfrcqucnz des Netzes, dann ist

O)_x — O)]Zv = ω U j—■ Bei einer Einstellung der Löschspule auf den gewünschten Wert

von ν wird dann der Strom der Hilfsmaschine stets ein Minimum sein. Um aber zu erkennen, ob bei abweichender Einstellung der Löschspuleninduktivität diese zu groß oder zu klein ist, ist es notwendig, festzustellen, ob der Strom der Hilfsmaschine in diesem Falle kapazitiven oder induktiven Charakter hat. Zu diesem Zwecke wird man ihn in Beziehung zur Spannung der Hilfsmaschine. oder besser

ίο noch zur Spannung einer zweiten Hilfsmaschine H₂ von gleicher Frequenz und Phase setzen, indem man ein wattmetrisches Instrument R sowohl vom Strom der Hilfsmaschine H₁ wie auch von der Spannung der Hilfsmaschine H₂ speist. Da die an den Klemmen der Hilfsmaschine H₂ herrschende

Spannung nur die Frequenz ω -/■■■ aufweist,

scheidet der Einfluß der Stromkomponente von Netzfrequenz für die Messung vollständig aus. Die beiden synchron miteinander zu

■ betreibenden Hilfsmaschinen H₁ und H₂ wird man zweckmäßig von einem gemeinsamen Synchronmotor M unter Zwischenschaltung einer entsprechenden Geschwindigkeitsübersetzung betreiben, wobei der Motor M vom gegebenen Netz aus gespeist werden kann. Das Instrument R kann nun nach Art eines Anzeigeinstrumentes, eines Relais oder eines Reglers ausgebildet sein. Im letztgenannten Falle wird man es so ausbilden, daß es. den Kontakt J, welcher Windungen der Löschspule zu- oder abschaltet, so beeinflußt, daß der Reglerstrom stets seinem Minimalwert zustrebt. Dadurch wird die Einstellung der Löschspule auf den gewünschten bestimmten Kompensationsgrad selbsttätig erreicht.

,Das Verhalten und die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung im Netzbetrieb ist nun folgende:

In Fig. 3 ist die Spannung an der Löschspule eines Hochspannungsnetzes in Abhängigkeit von dem Kompensationsgrad aufgetragen. Bei Resonanzabstimmung· (Kompensationsgrad = 1) hat die Spule ihre höchste Spannung, welche größer sein kann als die Phasenspannung E₁, des Netzes. Im allgemeinen gibt man der Spule bekanntlich in Rücksicht auf Netzunsymmetrien eine geringe Verstimmung. Bei gesundem Netz ist wegen der Verstimmung der Löschspule die Verlagerungs spannung des Netzes gegen Erde, also die Spannung an der Löschspule selbst, sehr gering. Wählt man den Kompensationsgrad beispielsweise zu 0,9, dann wäre in Fig. 3 E₁ die sich normal einstellende Verlagerungsspannung. Die Gitter der Vakuumzellen erhalten deshalb ein den Stromdurchgang freigebendes (positives) Potential. Damit ist aber der Überbrückungskreis geschlossen und die Spannung an der Löschspule auf einen sehr kleinen Wert E₂ giesbracht. Der Strom der Hilfsmaschine H₁ · betätigt nun den Regler R in der Weise, daß auch bei Änderungen der Netzlänge, also bei Ab- und Zuschalten von Netzteilen, die Löschspule stets auf den bestimmten Kompensationsgrad ν eingestellt wird. Tritt nun ein Erdschluß auf, dann steigt die Spannung an der Löschspule auf den Wert der Phasenspannung E₁₁, die Gitter erhalten ein den Stromdurchgang sperrendes (negatives) Potential, und so wird der Überbrückungsstromkreis automatisch geöffnet. Die Löschspulc unterdrückt den Erdschlußstrom an der Fehlerstelle. Ist der Erdschluß beseitigt, dann sinkt die Spannung an der Löschspule wieder auf den Wert E₁, so daß die Gitter den Stromdurchgang durch den Überbrückungskreis freigeben und diesen schließen. Dieses Spiel wird sich in jedem Erdschlußfalle wiederholen.

Bei Netzen sehr hoher Spannung kann man für die ganze Einrichtung oder einen Teil davon Spannungswandler verwenden, so daß die Hilfsmaschinen und Apparaturen in Niederspannungskreisen liegen.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Betrieb von durch . Löschspulen geschützten Hochspannungsnetzen sowie zum selbsttätigen Einschalten und Einstellen der Löschspulen, bei welcher im Normalbetrieb des Netzes die Löschspule durch einen die Verlagerungsspannung auf einen kleinen Wert herabsetzenden Stromkreis überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Überbrückungsstromkreis sich gittergesteuerte Vakuumzellen befinden, deren Gitter in Abhängigkeit von der Größe der .Spannung zwischen Netznullpunkt und Erde so gesteuert werden, daß beim Steigen dieser Spannung über einen gewissen Wert der Stromdurchgang durch die Vakuumzelle gesperrt und damit der Überbrückungskreis unterbrocherTTstTwärt-'" rend beim Herabsinken der Spannung unter diesen Wert das Gitter ein Potential erhält, welches den Stromdurchgang freigibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Überbrückungsleitung zwei Vakuumventilzellen entgegengesetzter Durchlaßrichtung in Parallelschaltung befinden, die gleichzeitig und in gleichem Sinn ge-

' steuert werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter der Vakuumzelle mit ihrer Kathode über zwei gegeneinandergeschaltete Sekundärwicklungen zweier primär hintereinanderge-

schalteter Transformatoren verbunden ist, von denen der eine, welcher eine Steuerspannung im Sinne des Stromdurchganges liefert, bei steigender Spannung rascher gesättigt ist als der andere, so daß bei kleiner Spannung an der Transformator reihe die resultierende Sekundärspannung den Stromdurchgang freigibt, während sich bei höherer Spannung· an

to der Transformatorreihe eine den Stromdurchgang sperrende resultierende Sekundärspannung einstellt, wobei als .Erregerspannung für die Transformatorreihe die Spannung zwischen Netznullpunkt und Erde bzw. eine ihr proportionale Spannung dient.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Spannungskomponente im Sinne des Stromdurchganges liefernde Transformator drei Magnetschenkel besitzt, von denen die äußeren den magnetischen Stromkreis für die Wicklungen dieses Transformators darstellen, während der Mittelschenkel zwei Wicklungen trägt, von denen die eine durch einen sich mit der Spannung zwischen Netznullpunkt und Erde gleichsinnig ändernden Gleichstrom erregt wird, während die andere in sich kurzgeschlossen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Mittelschenkel magnetisierende Gleichstrom einem von der Spannung zwischen NuIlpunkt und Erde (bzw. von einer dieser proportionalen Spannung) gespeisten Gleichrichter entnommen wird, und daß sich im Gleichstromkreis dieses Gleichrichters ein Ohmscher Widerstand zur Herabsetzung der Zeitkonstante dieses Stromkreises befindet.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Überbrückungsstromkreis eine Wechselstrommaschine von konstanter, gegebenenfalls aber auch regelbarer Spannung und Frequenz eingeschaltet ist.

7. Einrichtung¹ nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Dissonanzabstimmung der Löschspule die Frequenz der Wechselstrommaschine gleich dem ]/i'-fachen Wert der Betriebsfrequenz gewählt ist, wo ν den Kompensationsgrad der Spule bedeutet.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zu einer solchen Einstellung der Windungszahl der Löschspule in Abhängigkeit von dem Strom der Frequenz der Wechselstrommaschine vorgesehen ist, daß der gewünschte Abstimmungsgrad bei allen Netzverhältmssen gewahrt bleibt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Löschspulenwindungszahl regelnde Einrichtung außer von dem Strom der Wechselstrommaschine auch von ihrer Spannung bzw. einer frequenzgleichen Spannung einer zweiten Hilfsmaschine gespeist wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrommaschine und die Hilfsmaschine von einem gemeinsamen, mit der Betriebsfrequenz vom Netz gespeisten Synchron-' motor unter Zwischenschaltung einer entsprechenden Übersetzung angetrieben werden.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückung der Löschspule im Sekundärkreis eines primär parallel zur Löschspule angeschlossenen Transformators liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen