DE592378C - Selektivschutzsystem fuer Verteilungsnetze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Selektivschutzsystem für Verteilungsnetze, insbesondere mit nichtgeerdetem Nullpunkt, mittels Relaisgruppen, die als Momentan- und Zeitrelais arbeiten, und wattmetrischen Relais, von denen das eine ein Kurzschlußrichtungs- und das andere ein Erdschlußrichtungsrelais ist, deren Stromspulen in Reihe geschaltet sind.

Die bekannten derartigen Schaltungen arbeiten nicht in allen Fällen einwandfrei.

Wenn nämlich z. B. ein einfacher Erdschluß entsteht, so fließt von den Sammelschienen zur Fehlerstelle ein kapazitiver Strom, der auch die Stromspulen der wattmetrischen Kurzschlußrichtungsrelais durchfließt und eine Abschaltung der Fehlerstelle, in fehlerhafter Weise vom Kurzschlußrichtungsrelais zur Folge haben würde.

Andererseits könnte bei gewissen Fällen eines doppelten Erdschlusses, der vom Kurzschlußrichtungsrelais abgetrennt werden soll, unerwünschter- und fehlerhafterweise die Abschaltung vom Erdschlußrichtungsrelais durchgeführt werden.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung ein Sternpunktsleistungssperrelais vorgesehen, das von den Winkelabweichungen der bei Erdschluß auftretenden Summenströme bei"einfachem und doppeltem Erdschluß in bezug auf die Sternpunktsspannung abhängig ist, um zu verhindern, daß das Kurzschlußrichtungs-'relais bei einem einfachen Erdschluß und das Erdschlußrichtungsrelais bei einem doppelten Erdschluß die Schalter auslöst.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.

Abb. ι zeigt ein vollständiges Schaltbild einer neuen Schutzschaltung, die dann Anwendung findet, wenn zwei oder mehr parallele Leitungen in Betrieb sind.

Die übrigen Abbildungen erläutern Varianten, bei denen sämtliche vorher dargestellten Schaltungselemente unter denselben Bezugszeichen beibehalten sind, die aber noch durch die Abb. 1 sinngemäß zu ergänzen sind. Und zwar zeigen:

Abb. 2 eine Schutzschaltung, die dann Anwendung findet, wenn nur eine Leitung in Betrieb ist,

Abb. 3 eine Schutzschaltung, die dann Anwendung findet, wenn es sich um eine einzige von einer Zentrale ausgehende Leitung handelt ;

Abb. 4 erläutert eine Schaltung, die dann Verwendung findet, wenn zwei Leitungen von einer Zentrale ausgehen, sich jedoch jeweils nur eine in Betrieb befindet.

In Abb. ι sind die parallelen Leitungen I und II an die Sammelschienen B, C mit den Phasen R, S, T angeschlossen.

An jedem Ende eines auf diese Weise gebildeten Abschnittes sind in an sich bekannter Weise in sogenannter Achterschaltung zwei dreiphasige, in Stern und gegeneinander geschaltete Stromwandler H angeschlossen und durch die drei Leitungen G verbunden, an die wiederum die Stromspulen D₁ eines dreiphasigen Kurzschlußrichtungsrelais D angeschlossen sind. Der Sternpunkt S der Stromspulen des ίο Kurzschlußrichtungsrelais P ist über eine Leitung S₁, eine Stromspule eines Sternpunktsleistungssperrelais W, die Stromspule E₁ eines Erdschlußrichtungsrelais E mit der Verbindungsleitung G₀ der Sternpunkte H₀ der Stromwandler if verbunden.

An die Sammelschienen B ist ein als künstlicher Nullpunkt ausgebildeter TransformatorN₀ angeschlossen und primär über den Nullwandler N mit der Erde verbunden. Die Sekundärwicklungen N₁ des Nullpunkttransformators N₀ sind an die in Stern geschalteten Spulen D₂ des Kurzschlußrichtungsrelais D angeschlossen. Die Sekundärwicklungen N₁ des Nullpunkttransformators sind ebenfalls in Stern geschaltet, und die Sternpunktesindmiteinanderverbunden. Die Sekundärwicklung des Nullwandlers Λ^Γ ist parallel an die Spannungsspulen eines Sternpunktsspannungssperrelais r₀, des Sternpunktsleistungssperrelais W und des Erdschlußrichttmgsrelais E angeschlossen.

Wenn infolge eines Kurzschlusses und einer hierdurch hervorgerufenen unsymmetrischen Stromverteilung in beiden Leitungen I und II ein oder mehrere wattmetrische Systeme des 5 Kurzschlußrichtungsrelais erregt sind, wird der Kontakt D₃ geschlossen. In gleicher Weise sind dem Sternpunktsspannungssperrelais r₀ ein Kontakt r₃, dem Sternpunktsleistungssperrelais W ein Kontakt W₃, dem Erdschlußrichtungsrelais schließlich ein Kontakt E_a zugeordnet, der wiederum die Relais F und P₁ überwacht. Diese sehließen gegebenenfalls mit einer vorgeschriebenen zeitlichen Verzögerung die ihnen zugeordneten Kontakte F₃ und F₁₃ für die Schalter K₁ und K₂ der Leitungen I und II, die gleichzeitig mit den ihnen zugeordneten Kontaktpaaren K_u, K₁₁ und K₂₃, K₂H von den Spulen K₅ und K_e betätigt werden. L ist eine örtliche Hilfsstromquelle.

go Um das Arbeiten der bekannten Schaltung zu erläutern, sei angenommen, daß der Stromkreis C durch den Kontakt W₃ des Sternpunktsleistungssperrelais andauernd geschlossen sei und der Kontakt r₃ die obere gestrichelte Lage einnimmt. Wird bei einem Kurzschluß der Kontakt D₃ nach rechts geschlossen, so fließt ein Strom von der Stromquelle L durch die Leitungen C₁ Kontakt D₃, Kontakt K_2i, Spule K_e. Diese öffnet die Trennschalter K₂ und über die Kontakte K_m den kurz vorher hergestellten Stromkreis C, D₃, K₆, L.

Wird der Kontakt D₃ nach links bewegt, so spielt sich der gleiche Schaltvorgang bei den der Linie I zugeordneten Schaltungselementen K₁, K₅, K₁₃ und If₂₃ ab.

Wird bei einem Erdschluß der Kontakt E₃ des Erdschlußrichtungsrelais E nach rechts oder nach links bewegt, so werden entsprechend die Relais F und F₁ erregt und über deren Kontakte die Schalter Ji₁ und K₂ mit vorgeschriebener zeitlicher Verzögerung geöffnet und alsdann selbsttätig der kurz vorher gebildete Stromkreis unterbrochen.

Es müssen nun folgende Bedingungen erfüllt sein, damit der Schutz in allen möglichen Fällen gesichert ist: -

1. Beim Auftreten eines Kurzschlusses zwischen zwei Phasen muß das Kurzschlußrichtungsrelais ansprechen und die Schalter öffnen.

2. Beim Auftreten eines einfachen Erd-Schlusses muß die Fehlerstelle vom Erdschlußrichtungsrelais abgetrennt werden und das Kurzschlußrichtungsrelais darf nicht arbeiten, da in diesem Falle von ihm gesunde Leitungsabschnitte abgeschaltet würden.

3. Beim Auftreten eines doppelten Erdschlusses muß zum mindesten eine Fehlerstelle von dem Kurzschlußrichtungsrelais abgetrennt werden, während das Erdschlußrichtungsrelais nicht arbeiten darf, das unzeitgemäß ansprechen könnte.

Um diese Bedingungen zu erfüllen, schließt man gemäß Abb. 1 ein wattmetrisches elektrodynamisches Relais, das sogenannte Sternpunktsleistungssperrelais, in Reihe mit den übrigen Richtungsrelais an. Das Relais ist derart ausgebildet, daß der Strom in der Spannungsspule sich in Phase mit der angelegten Spannung befindet, d. h. dann ein Drehmoment Null erzeugt, wenn die Phasenverschiebung zwischen Sternpunktsspannung und Summenstrom 90 ° beträgt, Drehmomente bestimmten Wertes jedoch bei allen von 90 ° verschiedenen Phasenverschiebungen. Das Sternpunktsleistungssperrelais W steuert einen Doppelkontakt W₃, der, wenn er geschlossen ist, den Stromkreis C auch dann schließt, wenn er durch das Öffnen des Kontaktes r₃ unterbrochen ist.

Dieses neue erfindungsgemäße System gewährt einen Schutz gegen die hauptsächlich möglichen no Fehler, insbesondere jedoch in folgenden Fällen:

1. Entsteht ein Kurzschluß zwischen zwei Phasen, so sind E, W, r₀ spannungslos, sprechen demgemäß nicht an. Der Stromkreis C bleibt geschlossen, und das Ansprechen des Kurz- n₅ schlußrichtungsrelais bewirkt eine Abschaltung der gestörten Leitung.

2. Handelt es sich um einen einfachen Erdschluß, so stehen die Relais E, W und r₀ unter Spannung, jedoch ist das Drehmoment von W infolge der Phasenverschiebung gleich Null, r₀ öffnet den Kontakt r₃ und somit den Strom-

kreis C. Das Kurzschlußrichtungsrelais kann nicht arbeiten, und die Abschaltung der Fehlerstrecke wird vom Erdschlußrichtungsrelais durchgeführt.

3. Handelt es sich um einen doppelten Erdschluß, so sind die Stromspulen der Relais D, E, W erregt,-und ferner sind die Spannungsspulen der Relais E und W sowie das Relais r₀ gespeist, da der Nullpunkt gegenüber der Erde ein Po-

tential von etwa—hat. r₀ öffnet seinen Kontakt

r_s und den zugehörigen Stromkreis C. Gleichzeitig aber schließt das Sternpunktsleistungssperrelais seinen Kontakt W₃ und somit auch den Stromkreis C. Das Ansprechen des Richtungsrelais D bewirkt somit, daß, falls die Zeitverzögerung der den Erdschlußrichtungsrelais zugeordneten Relais F entsprechend eingestellt ist, mindestens «ine Fehlerstelle vom Kurzschlußrichtungsrelais abgetrennt wird. Sobald das Sternpunktsleistungssperrelais nach Verschwinden eines der beiden Erdschlüsse in seine Ruhelage zurückkehrt, da ja dann sein Drehmoment Null wird, beginnt das Erdschluß- _# richtungsrelais mit vorgeschriebener Verzögerung zu arbeiten und schaltet den zweiten verbleibenden Erdschluß ab.

Obwohl diese Schaltung für die weitaus größte Anzahl aller möglichen Fälle genügt, so spricht sie jedoch nicht ordnungsgemäß in dem Sonderfall an, in dem bei doppeltem Erdschluß der

. Strom in dem Sternpunktsleistungssperrelais gleich Null ist, was dann vorkommen kann, wenn nur eine Leitung in Betrieb ist. In diesem Falle würde der Stromkreis C nach öffnen des Kontaktes r_s unterbrochen bleiben und der doppelte Erdschluß in unerwünschter und fehlerhafter Weise vom Erdschlußrichtungsrelais abgeschaltet werden.

Um diese weitere Bedingung zu erfüllen, sieht man gemäß Abb. 2 eine Überbrückung der Stromspule des Erdschlußrichtungsrelais und ein Sternpunktsstromsperrelais C₁ vor, das beim Ausbleiben des Stromes im Sternpunktsleistungssperrelais anspricht, den Stromkreis C schließt und hierdurch wiederum bewirkt, daß wenigstens einer der beiden Erdschlüsse vom Kurzschlußrichtungsrelais abgeschaltet wird.

Die dahingehende Schaltung kann beispielsweise in der in Abb. 2 erläuterten Weise ausgeführt sein. Man findet hier wieder die Relais D, E, W und r_Q sowie den Stromkreis C und die Kontakte^ und W_s, außerdem das Sternpunktsstromsperrelais C₁ mit einer Reihe von Kontakten C₃, 1, 2, 3, 4, 5, 6, welch letzte von einem im Stromkreis C₁ angeordneten Hilfsrelais T₁ gesteuert werden.

Der vom Sternpunktsspannungssperrelais r₀ überwachte Kontakt r_s steuert parallel zum Kontakt W₃ des Sternpunktsleistungssperrrelais W über ein Relais r₆ den Kontakt C₃₁ des Stromkreises C des Kurzschlußrichtungssperrrelais.

Die Relais r₀ und C₁ sind elektrodynamischer Art, und zweckmäßig ist zur Erhöhung ihrer 6g Empfindlichkeit das eine vom Quadrat der Spannung, das andere vom Quadrat des Stromes abhängig. Bei dieser Schaltung tritt folgendes ein:

1. Bei einem einfachen Kurzschluß sprechen die Relais E_t C₁, W und r_a nicht an, D arbeitet und bewirkt ein Abschalten des Fehlers.

2. Bei einem einfachen Erdschluß ist.W untätig, r₀ spricht an und öffnet über r₅ den Kontakt C₃₁. In der zugehörigen parallelen Leitung sind die Kontakte 1, 2 geschlossen, jedoch der Kontakt C₃ vom Relais C₁ geöffnet. D₁ kann also nicht wirken.

3. Bei einem doppelten Erdschluß sind folgende Fälle zu unterscheiden:

a) E₁ C₁ und W sind stromlos und sprechen demgemäß nicht an, dagegen arbeitet r₀ und öffnet den Kontakt C₃₁. Da aber C₁ nicht erregt ist, bleibt der Kontakt C₃ und über die Kontakte i, 2 auch der Stromkreis C geschlossen;

b) ein Strom fließt durch E, C₁ und W, diese Relais sprechen demgemäß gleichzeitig mit r₀ an. W schließt seinen Kontakt PF₃ und T₁ zieht seinen Anker an. Gleichzeitig werden die Kontakte 3, 4 und 5, 6 geschlossen und die Kontakte 1, 2 geöffnet. Der Stromkreis C wird durch den Kontakt C₃₁ zwar an einer Stelle unterbrochen, jedoch durch die Kontakte 5 und 6 wieder hergestellt, während die Stromspule des Erdschlußrichtungsrelais durch die Kontakte 3,4 kurzgeschlossen wird. Somit arbeitet in beiden Fällen nur das Kurzschlußrichtungsrelais.

Wenn nur eine einzige Leitung eingeschaltet ist, so wird die Summe der Ströme in der Ausgangsleitung der Zentrale bei einem einfachen Erdschluß gleich Null und das Sternpunktsspannungssperrelais r₀ stromdurchflossen, jedoch können die Relais E, C₁ und W nicht arbeiten, weil ihre Stromspulen nicht erregt sind.

Demgemäß können auch die Ausschalter nicht von dem Erdschlußrichtungsrelais E geöffnet werden. Andererseits wird das Kurzschlußrichtungsrelais D die Schalter sperren, no Der entstandene Erdschluß kann somit nicht abgeschaltet werden.

Es ist aber unter diesen Umständen ebenfalls erwünscht, die Stromverteilung zu unterbrechen oder aber zum mindesten durch ein optisches oder akustisches Signal von dieser Störung in Kenntnis gesetzt zu werden. Zu diesem Zweck löst man in Abhängigkeit von dieser bestimmten Schaltstellung ein Relais aus, das den oder die Ausschalter des gestörten Leitungsabschnittes öffnet oder aber ein Signal erscheinen läßt. Das Relais spricht mit einer solchen Verzögerung an,

daß das normale Arbeiten des Selektivschutzsystems von ihm nicht beeinflußt wird.

Eine Schaltung dieser Art ist der Abb. 3 zu entnehmen.

Man sieht, daß durch das Schließen des Kontaktes r_z infolge der, Tätigkeit des Sternpunktsspannungssperrelais r₀, verbunden mit der gleichzeitigen Betätigung des Kontaktes C₃, infolge Nichterregung des Sternpunktsstrom-Sperrelais C₁ der Stromkreis eines Relais r₆ über den Kontakt C₈ geschlossen wird. Auf diese Weise wird ein Signal g oder aber mit vorbestimmter Zeitverzögerung ein Relais, ausgelöst, das die zugehörigen Schalter des Abschnittes öffnet.

Bei einem doppelten Erdschluß wirkt das Kurzschlußrichtungsrelais ebenso wie das Relais ?₆ auf das die Schalter öffnende Zeitrelais ein.

Will man dieses Schutzsystem für eine Anlage mit parallelen Leitungen benutzen, von denen jeweils die eine oder die andere eingeschaltet ist, so vervollständigt man die Schaltung in der aus Abb. 4 ersichtlichen Weise. In dieser Abbildung sind / und /° zwei Leitungen zugeordnete Ausschalter, derenHilfskontakte bei geschlossenem Schalter auf den Seiten 10 und 11 anliegen, bei geöffnetem Schalter die Kontakte io° und ii° überbrücken.

• Wenn die beiden Leitungen stromdurehflossen sind und demgemäß auch die Kontakte 10 und 11 überbrückt oder aber wenn sich beide Leitungen außer Dienst befinden und somit ihre Kontakte io° und ii° geschlossen sind, so sind die Relais >·_β1 und r ₆₂ nicht erregt.- Wenn jedoch eine der beiden Leitungen abgeschaltet ist, so ist ein Ausschalter geschlossen und der andere geöffnet und demgemäß 10 und ii° geöffnet oder aber 11 und io° geöffnet. In diesem Falle wird bei einem Erdschluß in der eingeschalteten Leitung eines der Relais r₆₁ oder r₆₂ erregt, das somit über ein Zeitrelais den dieser Leitung zugeordneten Ausschalter öff-.net.

Bei dem erläuterten Selektivschutzsystem soll das Drehmoment des Sternpunktsleistungssperrrelais nur dann den Wert Null haben, falls die Sternpunktsspannung und der Summenstrom um 90⁰ phasenverschoben sind, d.h. in nicht geerdeten Netzen normalerweise bei einem einfachen satten Erdschluß.

Wenn dagegen eine Freileitung auf die Erde fällt, kann jedoch infolge des hohen Übergangswiderstandes entgegen dieser Annahme im Erdschlußkreis ein Widerstand entstehen, der einen beträchtlichen Wert erreichen kann. Aus diesem Grunde wird die Phasenverschiebung in den Spulen des Sternpunktsleistungs-Sperrelais von 90 ° abweichen und das Drehmoment" hat nicht mehr den Wert Null.

Um auch für einen solchen Fall ein einwandfreies Arbeiten des Selektivschutzes zu gewährleisten, wird das SternpunktsleistungssperrelaisW derart abgestimmt, daß es seinen Kontakt erst nach Überschreiten eines vorbestimmten Drehmomentwertes schließt.

Auch bei der ungünstigsten Möglichkeit wird das bei einem hohen Übergangswiderstand und bei einfachem Erdschluß erzeugte Drehmoment P' = cos φ' · e'i' nur ein Bruchteil des bei einem doppelten Erdschluß erzeugten Momentes P" = e" · i" cos ψ". Es wird demgemäß der Grenzwert für das Ansprechen des Relais infolge dieser erheblichen Lmterschiede ohne Schwierigkeit gewählt werden können.

Sind die verschiedenen Apparate den Vorschriften der Erfindung entsprechend abgestimmt, so erhält man einen Selektivschutz, der alle möglichen Fehler beseitigt.

Es können selbstverständlich im einzelnen Abänderungen von den erläuterten Ausführungen vorgenommen werden, ohne daß deswegen vom Wesen der Erfindung abgewichen zu werden braucht.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Selektivschutzsystem für Verteilungs netze mit nicht oder nur-über einen hohen Widerstand geerdetem Nullpunkt mittels Relaisgruppen, die als Momentan- und Zeitrelais arbeiten, und wattmetrischen Relais, von denen das eine ein Kurzschlußrichtungs-, das andere ein Erdschlußrichtungsrelais ist, deren Stromspulen in Reihe geschaltet sind, gekennzeichnet durch ein Sternpunktsleistungssperrelais (W), welches von den Winkelabweichungen der Summenströme bei einfachem und doppeltem Erdschluß in bezug auf die Sternpunktsspannung abhängig ist, um zu verhindern, daß das Kurzschlußrichtungsrelais bei einem einfachen Erdschluß anspricht.

2. Selektivschutzsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Hilfsstromkreis (C), der mittels eines Sternpunktsspannungssperrelais (r₃) geschlossen wird und so den Steuerkreis des Kurzschlußrichtungsrelais (D) schließt, wenn bei doppeltem Erdschluß kein Strom fließt und folglich das Sternpunktsleistungssperrelais (W) nicht ansprechen kann.

3. Selektivschutzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sternpunktsleistungssperrelais (W) als elektrodynamisches Instrument ausgebildet ist und der Strom in der Spannungsspule in Phase mit der angelegten Spannung ist.

4. Selektivschutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ansprechen des Sternpunktsleistungssperrrelais (W) gleichzeitig die Stromspule des

Erdschlußrichtungsrelais (E) kurzgeschlossen und somit ein Wirken des Erdschlußrichtungsrelais (E) bei doppeltem Erdschluß • unterbunden ist.

5. Selektivschutzsystem nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Sternpunktsstromsperrelais (C₁) zum Steuern des Stromkreises (C) und damit auch des Steuerkreises des Kurzschlußrichtungsrelais (D).

6. Selektivschutzsystem nach Anspruch 1 oder folgenden, gekennzeichnet durch ein Sternpunktsspannungssperrelais (r₀), das unmittelbar oder mittelbar (über ein weiteres Relais r_s) den den Steuerkreis des Kurzschlußrichtungsrelais (D) überwachenden Stromkreis (C) steuert, ein weiteres Hilfsrelais (f₄) mit drei Kontaktpaaren (1, 2, 3, 4, 5, 6), das vom Sternpunktsleistungssperrrelais (W) gesteuert wird, einen Stromkreis zum Kurzschließen der Stromspule des Erdschlußrichtungsrelais (E) über das Kontaktpaar (5,6) und schließlich einen Kontakt (C₃), der vom Sternpunktsstromsperrelais (C₁) überwacht wird, wodurch erreicht wird, daß bei einem Kurzschluß das Erdschlußrichtungsrelais (E) und das Sternpunktsleistungssperrelais (W) nicht ansprechen, bei einem durch einen einfachen Erdschluß erzeugten kapazitiven Strom das Sternpunktsstromsperrelais (C₁) und das Erdschlußrichtungsrelais ansprechen, während das Sternpunktsleistungssperrelais (W) und das Kurzschlußrichtungsrelais (D) nicht ansprechen und bei einem doppelten Erdschluß entweder das Erdschlußrichtungsrelais, Sternpunktsstromsperrelais und das Sternpunktsleistungssperrelais nicht ansprechen oder aber arbeiten, wodurch dann die Stromspule des Erdschlußrichtungsrelais (E) durch Schließen der Steuerkontakte (5, 6) des Relais (r₄) überbrückt wird (Abb. 2).

7. Selektivschutzsystem nach Anspruch 1 oder folgenden, angewandt bei einer Verteilungsanlage, bei der von den Sammelschienen einer Zentrale nur eine einzige Leitung abgezweigt ist, gekennzeichnet durch einen von einer örtlichen Stromkreisquelle gespeisten Hilfsstromkreis mit folgenden Schaltungselementen, einem Kontakt (r₃), der vom Sternpunktsspannungssperrelais (r₀) gesteuert ist, einem vom Sternpunktsstromsperrelais (C₁) überwachten Kontakt (C₃₂), der für gewöhnlich bei nichtansprechendem Sternpunktsstromsperrelais geschlossen ist, und einem Relais (r„), das bei geschlossenem Kontakt (r₃) und bei geöffnetem Kontakt (C₃₂) erregt ist.

8. Selektivschutzsystem nach Anspruch 1 oder folgenden, bei einer Anlage mit zwei

. parallelen Leitungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (r_n, r_e2) nur dann erregt ist, wenn einer der in Abhängigkeit von den Trennschaltern (K₁, .K₂) der beiden Leitungen gesteuerten Ausschalter'(/ oder /°) geöffnet und gleichzeitig der andere geschlossen ist.

9. Selektivschutzsystem nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Sternpunktsleistungssperrelais (W) seinen Kontakt bei einem Drehmoment schließt, das zwischen dem höchsten bei einfachem Erdschluß und dem niedrigsten bei doppeltem Erdschluß zu erwartenden Drehmomentswert liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen