DE608198C - Schutzeinrichtung fuer elektrische Leitungsnetze - Google Patents

Description

Im Hauptpatent 594403 ist eine Schutzeinrichtung für elektrische Leitungsnetze beschrieben, bei welcher ein bestimmter Netzabschnitt durch zwei an den Endpunkten dieses Netzabschnittes vorgesehene stromrichtungsabhängige Relais überwacht wird. Bei dieser Einrichtung erfolgt die Übertragung der Stromrichtungsanzeige vermittels eines der Kraftleitung überlagerten Signalstromes netzfremder Frequenz. Zu diesem Zwecke überträgt ein Röhrensender, der an einem Ende des zu schützenden Netzabschnittes liegt, nur während der aufeinanderfolgenden Halbwellen des Kraft- oder Netzstromes. Ein Röhrensender, der auf die gleiche Welle abgestimmt und am anderen Ende des Netzabschnittes liegt, ist nur wirksam bei den aufeinanderfolgenden Halbwellen (gleichen Vorzeichens) an dieser Stelle des Netzteiles. Normalerweise und bei Fehlern außerhalb dieser zwei Stellen sind die Ströme beider Stellen im wesentlichen in Phase, dagegen bei Fehlern innerhalb des Netzabschnittes um i8o° phasenverschoben. Wenn die Phasenlage des Stromes anzeigt, daß der Fehler nicht zwischen den beiden Stellen liegt, so werden der Röhrensender und Röhrenempfänger durch entsprechende Gittersteuerung gleichzeitig wirksam und der Netzstromkreis hierdurch nicht geöffnet. Wenn dagegen die Phasen der Ströme an zwei Stellen um etwa i8o° verschoben sind, so daß also der Fehler zwischen diesen zwei Stellen liegt, so werden der Röhrensender und Röhrenempfänger durch entsprechende Gittersteuerung nicht gleichzeitig wirksam, und ein ölschalter oder sonstiger Stromkreisunterbrecher wird unter der Einwirkung des Röhrenempfängers geöffnet. Obgleich auf diese Weise die Öffnung des Stromkreises nur bei sehr großer Abweichung der Phase der Ströme zu erfolgen braucht, so treten doch Bedingungen auf, insbesondere bei langen Leitungen, bei welchen die Stromphasenlage auch bei Vorhandensein eines Fehlers sehr stark von i8o° abweicht.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den Bereich der Phasenlage, innerhalb welcher eine Öffnung der Stromkreise eintreten kann, zu erweitern^ ohne daß unnötige Netzunterbrechungen hervorgerufen werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:

Abb. ι eine Schaltungsanordnung, S Abb. 2 Darstellungen des Stromverlaufes an den zwei Netzstellen in rechtwinkligen Koordinaten,

Abb. 3 und 4 Darstellung der Stromverhältnisse in Polarkoordinaten. In der Abb. 1 ist ein Mehrphasensystem, beispielsweise ein Dreiphasensystem 10, 11 und 12, dargestellt, das vermittels der Schutzeinrichtung gegen Erdschlüsse geschützt werden soll. Der zu schützende Netzabschnitt liegt zwischen zwei Stationen, zwei Anschlußstellen oder Sammelschienenanschlüssen 13, 14. Hiervon kann der Leitungszug 10, 11,12 mittels Ölschalter 15 und 16 durch Erregung der Schaltschütze 17 abgeschaltet werden. Für die Abschaltung der ölschalter bzw. zur Steuerung der Schaltschütze 17 sind in beiden Stellen Abschaltrelais 18 vorgesehen; diese werden beeinflußt von je einem Empfangsrelais 19, das von einem Röhrensender T und Röhrenempfänger R gesteuert wird, wobei der Empfänger der einen Station jeweils auf die Sendefrequenz der anderen Station abgestimmt ist. Wie aus der Abb. 1 hervorgeht, ist hierbei das Relais 18 ein Überstromverzögerungsrelais, das, um auf durch Erdschlüsse verursachte Fehler anzusprechen, mit seiner Betätigungsspule 9 in Serie mit den parallel geschalteten Sekundärwicklungen der Stromwandler 20, 21 und 22, die je besonders in die Leitungen 10, 11 und 12 eingeschaltet sind, liegt, wodurch dieses in Abhängigkeit von der geometrischen Summe der Ströme in diesen Leitungen erregt wird. Als Empfangsrelais 19 ist ein polarisiertes Kipprelais vorgesehen. Das Abschaltrelais und das Empfangsrelais wirken über ihre in Reihe geschalteten Kontakte 23 und 24 gemeinsam auf den Stromkreis des Abschaltschaltschützen 17 ein, wobei der Anker des polarisierten Relais 19 vermittels einer Feder 8 jeweils in der zuletzt eingenommenen Stellung festgehalten wird. Um nun/eine falsche Betätigung des Abschaltrelais 18 zu vermeiden, wird zweckmäßig auf diesem noch eine Gegenwicklung 25 aufgebracht, die von dem Empfangsrelais 19 über dessen Kontakte 26 ' gesteuert wird. Wenn diese Wicklung 25 erregt ist, vermag das Abschaltrelais 18, unabhängig davon, wie groß der Strom in seiner Arbeitswicklung 9 ist, seine Kontakte 23 nicht zu schließen.

Die Sender T und die Empfänger R sind

Röhrensender und erhalten ihre Gitter- und Anodenspannung aus dem Netz 10,11 und 12, und zwar über einen Transformator 27j der an die parallel geschalteten Sekundärwicklungen der Stromwandler 20, 21 und 22 angeschlossen ist, so daß die Spannung der Röhren also abhängig ist von der geometrischen Summe der drei Phasenströme und damit 6g auch von etwa auftretenden Erdschlüssen. Um zu hohe Anoden- und Gitterspannungen zu vermeiden, was bei Auftreten sehr schwerer Fehler eintreten könnte, werden die Wandler 27 (in beiden Stationen) zweckmäßig mit Spannungsreglern versehen. Ein derartiger Spannungsregler besteht beispielsweise aus zwei Entladungsgefäßen 30, die in Serie mit der Sekundärwicklung 29 geschaltet sind und mit der Windung 31 eines Ausgleichstransformators verbunden sind, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß, wenn eine Röhre zündet, die Spannung der anderen Röhre plötzlich so stark vergrößert wird, daß sie ebenfalls zum Zünden kommt. Auf diese Weise werden zwei parallele Stromwege von hinreichender Leitfähigkeit geschaffen, so daß auch den ungünstigsten Bedingungen beim Auftreten von Störungen Rechnung getragen ist.

Die Sender T und die Empfänger R werden in beiden Stationen in Tätigkeit durch die aufeinanderfolgenden Halbwellen gleichen Vorzeichens des Netzstromes versetzt. Die Sender vermögen entweder gleichzeitig oder nacheinander zu arbeiten und ebenso der Empfänger. Um aber die Zahl der benötigten Frequenzen zu vermindern, arbeiten zweckmäßig beide Sender mit der gleichen Frequenz. In diesem Falle werden Sender und Empfänger so angeordnet, daß, wenn die Sender gleichzeitig senden, kein Empfänger empfangen kann, aber wenn die Sender nacheinander senden, die Empfänger jeder Station nur den Sender der anderen Station zu empfangen vermögen.

Die Sender T bestehen bei dem Ausführungsbeispiel aus zwei elektrischen Entladungsröhren 32 und 33, wobei die eine als eigentlicher Röhrensender und die andere als Kraftverstärker dient. Die Steuerelektrode bzw. der Gitterkreis des Senderohres 32 enthält die Abstimmspule 34, die verstellbaren Kondensatoren 35 und einen Ableitwiderstand 36. Der Anodenkreis enthält einen Teil der Sekundärwicklung 37 des Stromwandlers 27 und die Drossel 38. Der Gitterstromkreis der Kraftverstärkerröhre 33 enthält den Anodensperrkondensator 39, den Kopplungswiderstand 40, den Kopplungswiderstand 41, die Drossel 42 und den Ableitwiderstand 43. Der Anodenstromkreis der Verstärkerröhre 33 enthält die Sekundärwicklung 37 und die Anodendrosselspule 44. Die Ausgangsstromkreise der Sender enthalten die Kondensatoren 45 und die Wicklung 46 eines Kopplungstransformators 47, der seinerseits über

Induktanzen 48 und Kondensatoren 49 an den Verbindungskanal angeschlossen ist. Dieser führt, wie auch aus der Abb. 1 hervorgeht, über die Phasenleiter 10 und 12, kann aber auch über irgendeinen anderen Leiter verlaufen; auch kann die Übertragung vermittels Raumwellen erfolgen. Um nun zu erreichen, daß die Trägerwellen der Sender nur in dem Netzabschnitt verbleiben, dem sie zugeordnet sind, sind in die Phasenleiter, über welche der Trägerstrom ausgesandt wird, die entsprechend abgestimmten Sperrkreise 50 vorgesehen, welche gegenüber den Sendewellen einen hohen induktiven Widerstand, gegenüber dem Kraftstrom aber einen verschwindend geringen Widerstand aufweisen.

Gemäß der Erfindung ist nun die Anordnung weiter so getroffen, daß das Empfangsrelais 19 in Abhängigkeit von der Phasen- lage des Stromes an den Stationen 13 und 14 differential betätigt wird. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Empfänger R Mittel enthalten, zwei gleiche Ströme zu erzeugen, die von der Phasenlage des Stromes, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von dem Erdschlußstrom, = abhängig sind, und zwar innerhalb derjenigen Stellen, an welchen die Sender T und die zusammenarbeitenden Empfänger R aufgestellt sind. Zu diesem Zweck und auch um keine Störungen in der Beeinflussung in der Arbeitsfolge jedes Senders und des mit diesem zusammenarbeitenden Empfängers auftreten zu lassen, insbesondere dann, wenn beide Sender mit derselben Frequenz arbeiten, wird erfindungsgemäß ein Empfänger besonderer Art verwendet. Dieser Empfänger besteht eigentlich aus zwei Empfängern, die am besten mit einem direkten Empfänger und einem Kompensationsempfänger bezeichnet werden können. Die Anodenstromkreise dieser Empfänger speisen die Arbeitswicklung 7 des Empfangsrelais 19, so daß dieses in Abhängigkeit von der Differenz der Spannung der Empfänger erregt wird. Der direkte Empfänger enthält einen Steüerdetektor, z. B. das mit Gittervorspannung versehene Detektorrohr 51, während der Konpensationsempfänger einen Steuerdetektor, z. B. das ebenfalls mit Gittervorspannung versehene Detektor rohr 52 und damit zusammenarbeitend ein Steuerrohr 53, welches normalerweise nicht an der Gittervorspannung liegt, enthält. Die Anodenstromkreise der Röhren 51 und 53 sind differential mit der Arbeitswicklung 7 des Empfangsrelais verbunden.
. Die Gitter der Detektorröhren 52 und 53 sind mit dem Übertragungsstromkreis über einen Abstimmstromkreis verbunden, der die Windungen 54 des Kopplungstransformators 47, einen Abstimmkondensator 55 und die Primärwicklung 56 eines Angleichtransformators enthält. Die Sekundärwicklungen 57 und 58 dieses Transformators sind je besonders mit einem in Nebenschluß liegenden Kondensator 60 versehen und mit einem Gitterstrombegrenzungswiderstand 61 verbunden, der seinerseits an einem Teil der Sekundärwicklung 62 des Stromwandlers 27 verbunden ist. Jeder Gitterstromkreis enthält einen Gitterstrombegrenzungswiderstand 63. Der Anoden- oder Ausgangskreis des Detektorrohres 51 enthält einen Teil der Betätigungswicklung 7 des Empfangsrelais und wird erregt durch einen Teil der Sekundärwicklung 62 des Transformators 27. Die Ausgangsleistung der Detektorröhre 52 wird indessen gemäß vorliegender Erfindung benutzt, um die Kompensationssteuer röhre 53 zu betätigen. Zu diesem Zwecke enthält der Anodenstromkreis der Detektorröhre 52 außer seiner Erregerstromquelle die Transformatorwicklung 64, einen Gitterableitwiderstand 65 und den Gitterstromkreis der Röhre 53. Der Anoden- oder Ausgangskreis der Kompensationssteuerröhre 53 enthält die andere Betätigungswicklung 7 des Empfangsrelais und wird von der Sekundärwicklung 62 des Transformators 27 gespeist. Die Verbindungen und die Anordnung dieser Teile ist hierbei so vorgenommen, daß die resultierende magnetomotorische Kraft der Betätigungswicklung 7 des Empfangsrelais von der Differenz zwischen den Strömen im Anodenkreis der Detektorröhre 51 und des Kompensationsteuerrohres 53 abhängig ist.

Die Sekundärwicklungen des Transformators 27, die zur Speisung der Röhren dienen, werden zweckmäßig mit Kondensatoren 66 versehen, die so dimensioniert werden, daß sie für die Hochfrequenzströme praktisch einen Kurzschluß darstellen. Sofern die geometrische Summe der Ströme in den einzelnen Phasenleitern 10, 11 und 12 praktisch Null ist, was außer im Falle eines Erd-Schlusses stets der Fall ist, so herrscht normalerweise keine Spannung an den Anoden und Gittern der Sende- und Empfangsröhren. Infolgedessen können, um eine schnelle Arbeitsweise beim Auftreten von no Störungen zu erzielen, die Kathoden der Röhren normalerweise auf der vollen Emissionstemperatur gehalten werden. Dies erfolgt zweckmäßig durch eine Stromquelle, die in der Zeichnung durch plus und minus dargestellt ist und deren Strom über Widerstände 6y den Heizfäden der Kathoden zugeführt wird.

Da die Belastung jeder der Sekundärwicklungen des Transformators 27 während einer Halbperiode aus dem Senderverbrauch, also einer meßbaren Belastung, und während

der nächsten Halbperiode aus dem Empfängerverbrauch, also einer praktisch verschwindend kleinen Belastung, besteht, so können durch diese Belastungsschwankungen bzw. durch diese unausgeglichenen Belastungen harmonische Oberwellen in der von dem Transformator 27 gelieferten Spannung auftreten. Wenn der Primärstrom bzw. der Erdschlußstrom von Sinusform ist, ermöglicht ein Kondensator 68, der parallel zu den parallel geschalteten ^Sekundärwicklungen der Transformatoren 20, 21 und 22 geschaltet ist, die notwendige Verzerrung in dem Primärstromkreis des Transformators 27, wodurch eine gute Charakteristik der Anodenspannung erreicht wird, so daß sie im wesentlichen Sinusform annimmt. Auch gleicht im Falle von Störungen der Kondensator 68 die Magnetisierungsströme der Stromwandler und des Spannungstransformators 27 ab, wodurch ein besserer Leistungsfaktor, d. h. ein Leistungsfaktor von nahezu == 1 erzielt wird. Während so gleichzeitig der Leistungsfaktor der Belastung des Stromwandlers, der den Fehlerstrom führt, verbessert wird, wird außerdem die verfügbare Erregung für das Schutzsystem mit Vorteil ausgenutzt.

Die Wirkungsweise der Erfindung wird nun an Hand der Abb. 2, 3 und 4 erläutert. In Abb. 2 stellt α die Trägerwelle dar, die von einem Sender T während der aufeinanderfolgenden Hälbwellen des Fehlerstromes ausgesandt wird. Wenn der Fehlerstrom am Sendeort in Phase ist mit dem Fehlerstrom am Einbauort des mit diesem Sender zusammenarbeitenden Empfängers, dann empfangen die Empfängerröhren 51 und 52 Strombeträge, die beispielsweise in den schraffierten Kurven der Abb. 2 b dargestellt sind, d. h. die positiven Halbwellen der Anodenströme beider Röhren treten zu gleicher Zeit auf.

Wenn aber ein Erdschluß zwischen den Einbaustationen der Schutzeinrichtung vorhanden ist, so fließen die Fehlerströme von jeder Station aus nach der Stelle des Erdschlusses; sie sind also um 180° in der Phase gegeneinander verschoben, so daß die beim Empfänger auftreffenden Halbwellen dem schraffierten Teil der Abb. 2 c entsprechen. Wenn die Fehlerströme in den zwei Stationen um 90⁰ gegeneinander verschoben sind, dann sind auch die Ahodenströme der beiden Röhren um 90 ° gegeneinander verschoben. Der Anodenstrom, der in der Röhre auftritt, welche den Strom der benachbarten Station empfängt, entspricht dem schraffierten Teil der Abb. 2 d.

Da nun parallel zu den Arbeitswicklungen 7 des Empfangsrelais Kondensatoren 69 angeschlossen sind, werden in den Relaiswicklungen die Mittelwerte der pulsierenden Ströme wirksam. Wenn man die Mittelwerte der Anodenströme jeder der Röhren 51 und 52 in Abhängigkeit von der gegenseitigen Phasenlage der Fehlerströme in den beiden Stationen aufdrückt, so erhält man in Polarkoordinaten die voll ausgezogene Kurve m der Abb. 3.

In Abb. 3 ist weiterhin um die Nullinie ein Kreis η gezeichnet, der den Mittelwert desjenigen Stromes angibt, der notwendig ist, um das Empfangsrelais zur Schließung seiner Kontakte 26 zu veranlassen. Das Relais 19 wird also nur dann seine Kontakte 26 offen und seine Kontakte 24 geschlossen halten, d. h. den Schalter auslösen, wenn ein Strom auftritt, der kleiner als η ist. Da nur innerhalb des Winkels Φ die Radiusvektoren der Kurve m kleiner sind als der Radius des Kreises n, ist nur in diesem Falle eine Auslösung möglich.

Betrachtet man nun den Teil des Empfängers R, der die Röhren 52 und 53 enthält, so sieht man, daß die Entladungsröhre 53 keine Gittervorspannung besitzt, wenn das Detektorrohr 52 keinen Anodenstrom führt, da das Gitter der Röhre 53 direkt mit der Kathode der Röhre 52 über den Koppelungswiderstand 65 verbunden ist. Aus diesem Grunde liefert die Röhre 53 vollen Anodenstrom, wie dies durch die schraffierten Teile unterhalb der Horizontalachse in Abb. 2 c dargestellt ist, stets dann, wenn die notwendige Anodenspannung vorhanden und die ankommende Welle bzw. das ankommende Zeichen um i8o° gegen die Anodenspannung verschoben ist. Wenn dieser Winkel sich ändert, so ändert sich die von der Röhre 52 gelieferte Gittervorspannung für die Röhre 53 und bestimmt hierdurch den Wert des Kornpensationsstromes, der den Stromwert der Röhre 51, so wie er durch die schraffierten Teile unterhalb der Horizontalachse in Abb. 2 dargestellt ist, aufheben soll. Die beiden Röhrenempfänger haben also eine umgekehrte Polarcharakteristik, so daß für die Röhre 52 die in Abb. 3 punktiert dargestellte Polarcharakteristik 0 gilt, die der Charakteristik m der Röhre 52 entspricht, aber um i8o° verschoben ist.

Da nun die Ausgangsströme der zwei Empfänger im entgegengesetzten Sinne auf das Empfangsrelais 19 einwirken, die eine Röhre also den Einfluß der anderen zu kompensieren sucht, so ist die Betätigungscharakteristik dieses Relais gleich der Differenz zwischen den Polarcharakteristiken m und 0 der Abb. 3. Diese Differenz entspricht der voll ausgezogenen Kurve r und der strichpunktierten r' der Abb. 4, je nachdem welche Röhre in ihrem Einfluß überwiegt. Längs der Kurve r' ist die Wirkung des resultieren-

den Stromes derart, daß die Kontakte 24 des Relais geschlossen bleiben, wodurch der Ausschaltstromkreis des Schalters 15 vorbereitet ist. Dies ist über den ganzen Bereich der Phasendifferenz zwischen den Fehlerströmen bis zu den Enden des Abschnittes, der durch den Winkel Φ bestimmt ist, der Fall, also über i8o° hinaus, d.h. über eine Verschiebung der Phasenlage, die etwas mehr als 90⁰ auf jeder Seite der i8o°-Achse beträgt.

Dieser Abschaltwinkel, innerhalb dessen die Abschaltung erfolgen kann, ist also, wie aus der Zeichnung hervorgeht, bestimmt durch die Schnittpunkte der Kurve η mit der Kurve r. Längs des unteren Teiles . der Kurve r, d. h. in dem Teil, der durch die Relaiskurve η abgeteilt wird, ist die Differenz der Stromwerte größer als der Ansprechstrom des Relais, aber der Differenzstrom ist von einer solchen Richtung, daß das Empfangsrelais 19 zum Ansprechen kommt, also seine Kontakte 24 öffnet, wodurch die Abschaltung der Netzschalter verhindert wird. Die Auslösung des Schalters wird also dann gesperrt, wenn die Fehlerströme eine Phasenverschiebung besitzen, die einer Lage des Fehlerortes außerhalb des zu schützenden Gebietes entspricht.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Schutzeinrichtung für elektrische Leitungsnetze unter Benutzung eines Röhrensenders und Röhrenempfängers für Ströme netzfremder Frequenz an jedem Ende eines zu schützenden Leitungsabschnittes nach Patent 594403, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Netzschalters ein Differentialrelais (19) vorgesehen ist, das von zwei jeweils von den Fehlerströmen an den beiden Leitungsenden abhängigen Empfangsröhren (51 und 52), bei einer Röhre (52) unter Zwischenschaltung eines Steuerrohres (53), derart beeinflußt wird, daß es, solange die Fehlerströme nahezu phasengleich sind, die Auslösung verhütet.
2. 2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialrelais (19) polarisiert ausgebildet ist, derart, daß die Ströme beider Empfängerröhren nach Größe und Richtung verglichen werden.
3. 3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden und die Gitter des Senders (T) und der Empfänger- (R) von einem an das zu überwachende Netz angeschlossenen Spannungswandler (27) gespeist werden.
4. 4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler (27) an in Unsymmetrieschaltung angeordnete Stromwandler (20, 21, 22) angeschlossen ist.
5. 5. Einrichtung nach den Ansprüchen r bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Relais (18) für die Betätigung des Schaltschützes (17) zur Abschaltung der Kraftschalter (15) in Serie mit der Primärspule (28) des Spannungswandlers (27) geschaltet ist.
6. 6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Überspannungen an den Gittern und Anoden der Sender und Empfänger der Spannungswandler (27) mit Regeleinrichtungen (30, 31) versehen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen