DE612968C - Von Spannung und Strom abhaengiges Schutzzeitrelais - Google Patents

Description

Deutsches reich

AUSGEGEBEN AM
9. MAI 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE 6850

Patentiert im Deutschen Reiche vom 23. Februar 1932 ab

Es ist bekannt, zum Schütze,, elektrischer Anlagen Relais zu verwenden, deren Ablaufzeit von einer der am Relaiseinbauort vorhandenen Spannungen abhängig ist. Dies trifft insbesondere auch für Relais zu, deren Ablaufzeit eine Funktion der Leitungsimpedanz oder Reaktanz zwischen Relaiseinbauort und Fehlerstelle ist, wie beispielsweise bei den sogenannten Impedanz- oder Reaktanzzeitrelais. Je nach der Fehlerart, Kurzschluß oder mehrfacher Erdschluß, ist hierbei die Impedanz bzw. Reaktanz zwischen je zwei kurzgeschlossenen Leitern oder aber zwischen einem erdgeschlossenen Leiter und der Erde wirksam. Die der Fehlerart entsprechende Wahl zwischen diesen beiden Impedanzen (Reaktanzen) erfolgt durch Umschaltrelais, welche bei den einzelnen Ausführungsformen in verschiedener Weise erregt werden und über deren Kontakte entweder die verkettete Spannung zwischen zwei Leitern, natürlich entsprechend transformiert, oder die unverkettete Spannung zwischen einem Leiter und der Erde dem Relais zugeführt werden. Bei allen derartigen bekannten Relais wirken auf die Ablauf zeit außer dem Strome jeweils nur eine Spannung, entweder eine verkettete oder eine unverkettete ein.

Die Nachteile aller dieser bekannten Einrichtungen bestehen darin, daß für die Vornähme der besagten Umschaltungen eigene Relais und meistens auch eigene Niederspannungswicklungen in den speisenden Spannungswandlern erforderlich sind. Außerdem erfolgen bei Doppelerdschluß die Leitungsabschaltungen rein zufalisgemäß, nämlich entsprechend den Impedanzen bzw. den Entfernungen der Fehlerorte von den jeweiligen nächstgelegenen Relaiseinbaustellen. Es können deshalb die beiden als erste zur Auslösung kommenden Relais zu verschiedenen Fehlerstellen gehören, so daß, bei entsprechender Entfernung der Fehlerstellen voneinander, große Netzteile unnötigerweise spannungslos werden. Auch ist es ungünstig, daß die Ablaufzeiten bei Doppelerdschluß vergleichsweise sehr kurz sind; sie besitzen nämlich beinahe nur die halben Werte gegenüber denjenigen bei zweiphasigem Kurzschluß.

Diese Nachteile, vor allem die Notwendigkeit eigener Umschaltrelais und zugehöriger

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Ing. Erich Gasteiger in Wien,

eigener Meßwandlerwicklungen, sollen bei dem in vorliegendem angegebenen selektiven Schutzrelais vermieden werden, welches sowohl bei Kurzschlüssen als auch bei Erd-Schlüssen zweckentsprechend arbeitet, ohne daß Umschaltungen in Abhängigkeit von der Fehlerart vorgenommen werden müssen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf das Relais zumindest in manchen Störungsfällen gleichzeitig sowohl Spannungen zwischen Phasen und Erde als auch Spannungen zwischen zwei verschiedenen Phasen mittelbar oder unmittelbar auf die Größe der Ablaufzeit einwirken. Dabei können zweckmäßigerweise nicht nur die verschiedenen Spannungen selbst, sondern auch Komponenten derselben (bezogen auf irgendeine Vektorrichtung) zur Wirkung kommen.

Dieser allgemeine Erfindungsgedanke kann in verschiedener Weise angewendet werden. Beispielsweise ist bei einem besonders einfachen und günstigen Anwendungsfall die Ablaufzeit des Relais abhängig von dem Pro-,dukt der Spannung einer Phase gegen Erde und der Spannung derselben Phase gegen eine zweite Phase und dem Kosinus des zwischen den Vektoren dieser beiden Spannungen eingeschlossenen Winkels. Dies heißt, anders ausgedrückt, daß eine Abhängigkeit der Laufzeit von dem Produkt der Spannung zwischen zwei Phasen und der Komponente der Spannung zwischen 'einer der Phasen und der Erde in Richtung der ersteren Spannung besteht. Ein Relais dieser Art sei an einem Ausführungsbeispiel, dessen Aufbau ähnlich einer bekannten Bauart des Impedanzrelais gewählt ist, näher erläutert. Des leichteren Verständnisses wegen sei vorerst die betreffende bekannte Bauart auseinandergesetzt. In Fig. 1 stellt 3 eine Ferrarisscheibe dar, auf welcher \*on zwei symbolisch dargestellten elektromagnetischen Triebsystemen ι und 2 je ein Drehmoment in einander entgegengesetzter Richtung ausgeübt wird. Der Umfang der Ferrarisscheibe 3 sei spiralförmig ausgebildet, und zwar so, daß die mittlere Eintauchtiefe T₁ in den Triebkern 1 bei Drehung der Scheibe in der Pfeilrichtung um dien Winkel α proportional mit demselben zunimmt, hingegen die mittlere Eintauchtiefe r₂ in den Triebkern 2 in umgekehrt proportionalem Maße mit dem Drehwinkel ο abnimmt. Bei dem bekannten Impedanzrelais wird nun das Triebsystem 1 vom Phasenstrome / oder eventuell von der Differenz zweier Phasenströme erregt, das Triebsystem 2 je nach Fehlerart entweder von der Spannung zwischen zwei Phasen oder von der Spannung zwischen einer Phase und der Erde E. Da die Drehmomente, welche von den Triebsystemen ausgeübt werden, der mittleren Eintauchtiefe Y₁ bzw. r₂ und dem Quadrate von / bzw. von E annähernd proportional sind, betragen dieselben

M₁ = fei P α bz,w. M₂ == k₂ E² —.

Die Ferrarisscheibe nimmt nun jene Ruhelage ein, bei welcher die beiden Drehmomente einander gleich sind; der Ausschlagwinkel α ergibt sich somit aus der Gleichung

~kT E

t'T

J-²a = k₂E-²^,mita= \ ^-^-

d. h. der Ausschlagwinkel α ist proportional der durch die Größen E und / dargestellten Impedanz. Die Konstruktion ist nun weiterhin derart, daß beim Ablauf der Kontaktteil 4 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit gegen den mit der Ferrarisscheibe 3 verbundenen zweiten Kontaktteil 5 bewegt wird, so daß also die Ablauf zeit des Relais mit dem Ausschlagwinkel α und daher auch mit der Impedanz linear zunimmt.

Im Gegensatz zu dieser bekannten Relaisbauart wird bei der angeführten speziellen Ausführungsmöglichkeit der Erfindung das Triebsystem 2 als an sich bekanntes wattmetrisches System sowohl von der Spannung zwischen einer Phase und Erde als auch von der Spannung zwischen dieser Phase und einer zweiten Phase erregt. Das von diesem Triebsystem ausgeübte Drehmoment ist 'daher unter Zugrundelegung der in Fig. 2 angegebenen Bezeichnungen der Größe E₁, E₁₂ cos ψ proportional. Das in Fig. 2 dargestellte symmetrische Spannungsdiagramm gilt selbstveriständlich nur für * symmetrischen dreiphasigen Kurzschluß. In diesem Falle ist, wie ersichtlich, das vom Triebsystem 2 ausgeübte Drehmoment proportional dem Quadrate der verketteten Spannung E₁₂, da E₁ cos ψ gleich ist ¹J₂ E₁₂.

Bei zweiphasigem Kurzschluß tritt eine Verzerrung des Spannungssystems ein, etwa wie dies in Fig. 3 für Kurzschluß zwischen den Phasen 1 und 2 dargestellt ist. Auch in diesem Falle ist E₁ cos ψ angenähert ^x/₂ E₁₂ und somit das vom Triebsystem 2 herrührende Drehmoment proportional dem Quadrat der 110 ' verketteten Spannung E₁₂. Das neuartige Relais ergibt also, wie erwünscht, in Übereinstimmung mit der vorhin beschriebenen bekannten Bauart gewöhnlicher Impedanzrelais bei drei- und zweiphasigem Kurzschluß eine n₅ mit der Impedanz in den kurzgeschlossenen Phasen linear zunehmende Ablaufzeit.

Bei doppeltem Erdschluß in den Phasen 1 und 2 nimmt das S.pannungsdiagramm in der Nähe der Erdschlußstelle der 'Phase 1 eine etwa der Fig. 4 ähnliche Form an. Es ergibt sich in diesem Falle keine genau lineare Ab-

hängigkeit der Ablaufzeit von der Impedanz zwischen der Leitung ι und Erde, da das vom Triebsystem 2 ausgeübte Drehmoment nicht genau mit dem Quadrate der Spannung E₁ wächst. Die Ablaufzeit als Funktion der Entfernung vom Fehlerort erscheint vielmehr als leicht gekrümmte Linien, wie für mittlere Verhältnisse in Fig. 5 dargestellt. Die Krümmung der Kurve ist gering, so daß sie die selektive Wirkung des Relais nicht beeinträchtigt. Aus der Fig. 5 ist auch ersichtlich, daß die Ablaufzeiten im Falle eines Doppelerdschlusses beim neuen Relais etwas größer, bei den gewöhnlichen Impedanzrelais. (Gerade C) hingegen bedeutend kürzer sind als bei zweiphasigem Kurzschluß (Gerade B), bezogen auf gleiche Entfernung des Fehlerortes. Es ist selbstverständlich vorteilhaft, daß die Charakteristiken der Ablaufzeit des neuartigen Relais beiden Störungsfällen annähernd gleich sind. Die gezeigte Charakteristik A gilt natürlich nur dann, wenn beide einwirkende Spannungen den kranken Phasen angehören. In unserem Beispiel entsprechend Fig. 5 ist sie also nur bei demjenigen Relais vorhanden, auf welches die Spannungen E₁ und E₁₂ einwirken. Die Relais der übrigen Phasen weisen, da sie unter der Einwirkung höherer Spannungen stehen, größere Ablaufzeiten auf. Dadurch ergibt sich gegenüber den bekannten Selektivschutzeinrichtungen mit mehrphasiger Ausrüstung der Vorteil, daß die Relais, der einen betroffenen Phase bei Doppelerdschiuß rascher ablaufen als die Relais der anderen betroffenen Phase, so daß also mit großer Wahrscheinlichkeit zuerst die eine der beiden Fehlerstellen beidseitig abgeschaltet wird.

Selbstverständlich ist durch das Vorangegangene nur eine der vielen Ausführungsmöglichkeiten des Erfindungsgedankens beschrieben. Beispielsweise könnte an Stelle des Produktes E₁, E₁₂ cos ψ ein Produkt treten, welches aus irgendwelchen Funktionen dieser drei Größen besteht. Zweckmäßig wären beispielsweise die Funktionen von E₁ und -E₁₂ linear gewählt, während die Funktion von cos φ weniiger als linear mit cos φ zunähme. Es würden dadurch, was unter Umständen wünschenswert sein kann, die Ablaufzeiten bei doppeltem Erdschluß im Vergleiche zu denen bei Kurzschlüssen herabgesetzt werden, da der Wert von cos ψ bei Doppelerdschluß annähernd das Maximum von 1 erreicht.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Schutzrelais derartig auszuführen, daß die Ablaufzeit von einem Werte abhängig ist, welcher dem Produkte der Spannung einer Phase gegen Erde und des Kosinus des zwisehen dem Vektor dieser Spannung und dem Vektor der Spannung derselben Phase gegen eine zweite Phase eingeschlossenen Winkels annähernd proportional ist. Beispielsweise kann ein derartig gekennzeichnetes Relais in ähnlicher Weise wie das vorhin beschriebene konstruiert und etwa zugleich als Reaktanzrelais ausgebildet sein.

Das Triebsystem 2 bleibt in diesem Falle dasselbe wie vorhin, es ist von einer verketteten und einer unverketteten Spannung erregt, die mittlere Eintauchtiefe der Ferrarisscheibe in das Triebsystem ist jedoch verkehrt proportional der Quadratwurzel aus dem Ausschlagwinkel cc. Das Triebsystem 1 ist ebenfalls ein wattmetrisches System, welches von einem Strom, zweckmäßig dem Differenzstrom zweier Phasenströme, und von der zugehörigen Spannung erregt wird; die Eintauchtiefe nimmt mit der Quadratwurzel aus dem Ausschlagwinkel α zu. Das vom Triebsystem 1 ausgeübte Drehmoment beträgt dann annähernd M₁ = Ti₁ E₁₂ J₁₂ cos φ ]/<z, wobei φ annähernd gleich ist dem elektrischen Phasenverschiebungswinkel zwischen Spannungsabfall in der Leitung und dem denselben bewirkenden Strom. Da das vom Triebsystem 2 ausgeübte Drehmoment

- M₂ = k.₂ E₁₂ E₁ cosy —

""

ist, ergibt sich für den Ausschlagwinkel

α =

₁₂ y₁₂ cos φ

Für einen Winkel φ von annähernd 45 °, wie dies für Freileitungen in Betracht kommt, besteht nun die Beziehung sin φ =

halb α auch annähernd gleich ist

k E₁ cos ψ

= — · sin φ.

2 COS φ

wes-

E₁ cos ψ stellt, wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, bei dreiphasigem und bei zweiphasigem Kurzschluß annähernd ¹J₂ E₁₂ dar. Der Ausschlagwinkel α ist somit in diesen Fällen proportional der Reaktanz der Kurzschlußschleife zwischen den zwei kurzgeschlossenen Phasen. Im Falle des doppelten Erdschlusses ist hingegen cos ψ annähernd gleich i, und es entspricht, wie indiesemFalle zu fordern, α dem doppelten der Reaktanz einer erdgeschlossenen Phase.

Eine andere Möglichkeit, eine günstige Wirkungsweise des Schutzrelais zu erzielen, besteht bei Drehstromanlagen erfindungsgemäß darin, daß die Ablaufzeit von einem dem Produkt der Spannung einer Phase gegen Erde und der Spannung zwischen den beiden anderen Phasen des Drehstromsystems und dem Sinus des zwischen den Vektoren dieser beiden Spannungen eingeschlossenen Winkels

annähernd proportionalen Werte abhängig gemacht ist.

Die Erfindung läßt sich auch in günstiger Weise bei einsystemigen Anordnungen von Drehstromimpedanzschutzeinrichtungen anwenden, bei welchen nur ein Impedanzrelais in Verbindung mit zwei oder drei Anwurfrelais (außer dem Energierichtungsrelais) vorhanden sind. Bei den bekannten derartigen ίο Einrichtungen nehmen die Anwurfrelais eine Umschaltung der Spannungen und allenfalls der Ströme entsprechend den vom Fehler betroffenen Phasen vor, und außerdem ist eine gesonderte Umschalteinrichtung für den Fall eines mehrfachen Erdschlusses erforderlich. Letztere Umschalteinrichtung wird erfindungsgemäß vermieden, wobei das betreffende einsystemige Relais zweckmäßig so ausgebildet werden kann, daß j e nach den vom Fehler betroffenen Phasen entweder gleichzeitig sowohl Spannungen zwischen Phasen und Erde als auch- Spannungen zwischen Phase und Phase oder nur erstere oder letztere Spannungen mittelbar oder unmittelbar auf die Größe der Ablaufzeit einwirken.

Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, besonders einfache Anwurfrelaisumschalteinrichtungen anzuwenden. Zweckmäßig macht man nun die Ablaufzeit bei Doppelerd-Schlüssen nicht nur von der Impedanz des zwischen Erdschlußstelle und Relaiseinbauort liegenden Leitungsstückes, sondern auch von der Gesamtimpedanz des betreffenden Kurzschlußkreises abhängig. Bei mehrphasigen Anordnungen soll mit der vorliegenden Erfindung außerdem erreicht werden, daß die Ablauf zeiten derjenigen Relais eines Mehrphasennetzes, aufweiche auch gesunde Phasenspannungen einwirken, stets größer sind als die des von den Spannungen der kranken Phasen 'erregten Relais, was bei manchen anderen Relaiskonstruktionen nicht der Fall wäre. Erfindungsgemäß werden diese Vorteile dadurch erzielt, daß die Ablaufzeit des Schutzrelais abhängig gemacht wird von der aus einer Funktion der Spannungen gegen Erde und der verketteten Spannungen und aus einer Funktion der verketteten Spannungen allein bestehenden Summe. Besonders zweckmäßig ist hierbei eine Anordnung, bei welcher die Ablaufzeit der aus einem dem Produkte der Spannung E₂ einer Phas,e gegen Erde und dem Kosinus des zwischen dem Vektor dieser Spannung und dem Vektor der Spannung E₁₂ derselben Phase gegen eine zweite Phase proportionalen Wert und aus einem der letzteren Spannung E₁₂ proportionalen Wert bestehenden Summe annähernd proportional ist. Die Wirkungsweise eines solchen Schutzrelais sei im folgenden erläutert: In die drei Phasen eines Drehstromsystems 1, 2 und 3 seien drei Schutzrelais eingebaut. In jedem dieser Relais wirkt Strom und Spannung gegen Erde der betreffenden Phase und außerdem die verkettete Spannung zwischen dieser Phase und z. B. der voneilenden Phase in der Weise zusammen.;, daß die Ablaufzeit der Größe

.E₂ cos ip.₂ -f- c E₁₂

/2

proportional ist, wobei ψ ₂ der elektrische Phasenverschiebungswinkel zwischen E₂ und E₁₂ und c eine beliebig wählbare Konstante, beispielsweise 0,25, ist. Es ist ohne weiteres klar, daß dann die Ablaufzeit bei Kurz-Schlüssen wie bei gewöhnlichen Impedanzrelais dem Verhältnis der verketteten Spannung zum Phasenstrom proportional ist, und zwar ergibt sich die Auslösezeit entsprechend dem kleinsten dieser drei im Drehstromsystem vorhandenen Verhältnisse. Bei doppeltem Erdschluß, beispielsweise zwischen den Phasen 1 und 2, ergibt sich infolge des Umstandes, daß die Spannungen gegen Erde E₁ und JS₂ um fast 180° elektrische Grade gegeneinander phasenverschoben sind, die Ablaufzeit des Relais in Phase 2 ebenfalls entsprechend der Impedanz zwischen Erdschlußstelle der Phase 2 und Relaiseinbauort, jedoch mit einer Abweichung, die von der

Größe der Abweichung des Gliedes c ---

Werte c abhängig ist; diese Ab-

J₂

weichung der Ablaufzeit von dem bei Kurz-Schlüssen auftretenden Wert ist aber, wie leicht einzusehen, stets sehr gering und spielt praktisch keine Rolle. Die Ablaufzeit des Relais der Phase 1 entspricht der Größe

E₁ COS^₁ + CJS₃₁

und könnte, wenn das zusätzliche Glied c E_sl nicht wirksam wäre, unerwünschterweise geringer als die des Relais der Phase 2 sein, da cos Xj)₁ unter Umständen außerordentlich klein ist; das Glied c E_S1 bewirkt jedoch, da die Spannung E_n bei dem angenommenen Doppelerdschluß nicht zusammenbricht, eine bedeutende Vergrößerung der Ablaufzeit, so daß das Relais 2, dessen Ablaufzeit der gewünschten Gesetzmäßigkeit entspricht, früher zur Auslösung gelangt als Relais 1.

Das vorhin beschriebene Relais kann beispielsweise ein Leistungssystem und ein zweites wattmetrisches System enthalten, dessen Triebkraft der Funktion

E_s - E₁₂ · cos φ₂ + c E'i*

entspricht; dies ist mit an sich bekannten Mitteln, wie Spaltpole und Kurzschlußringen usw., leicht zu erreichen.

Claims (8)

1. Patentanspruch^ :
   ι. Von Strom und Spannung abhängiges Schutzzeitrelais, welches sowohl bei Phasenkurzschlüssen als auch bei mehrfachen Erdschlüssen mit entsprechender Verzögerung selektiv wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in manchen Störungsfällen gleichzeitig sowohl Spannungen zwischen Phasen und Erde als ίο auch Spannungen zwischen zwei verschiedenen Phasen mittelbar oder unmittelbar auf die Größe der Ablaufzeit einwirken.
2. 2. Schutzzeitrelais nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die mittelbare oder unmittelbare Einwirkung einzelner Spannungen auf die Ablaufzeit abhängig ist von der Größe von Komponenten der betreffenden Spannungsvektoren bezogen auf irgendeine Vektorrichtung, vorzugsweise auf die Richtung einer der einwirkenden Spannungen.
3. 3. Schutzzeitrelais nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufzeit von einem dem Produkte einer Funktion der Spannung einer Phase gegen Erde und einer Funktion der Spannung derselben Phase gegen eine zweite Phase und einer Funktion des Kosinus des zwischen den Vektoren dieser beiden Spannungen eingeschlossenen Winkels annähernd proportionalen Werte abhängig ist.
4. 4. Schutzzeitrelais nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faktoren des Produktes den betreffenden Spannungen bzw. dem Kosinus zwischen den Vektoren der Spannungen linear proportional sind.
5. 5. Schutzzeitrelais nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufzeit von einem dem Produkte der Spannung einer Phase gegen Erde und des Kosinus des zwischen dem Vektor dieser Spannung und dem Vektor der Spannung derselben Phase gegen eine zweite Phase annähernd proportionalen Werte abhängig ist.
6. 6. Schutzzeitrelais nach Ansprüchen τ und 2 für Drehstromanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufzeit von einem dem Produkte der Spannung einer Phase gegen Erde und der Spannung zwischen den beiden anderen Phasen des Drehstromsystems und dem Sinus des zwischen den Vektoren dieser beiden Spannungen eingeschlossenen Winkels annähernd proportionalen Werte abhängig ist.
7. 7. Schutzzeitrelais nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufzeit von der aus einer Funktion der Spannungen gegen Erde und der verketteten Spannungen und aus einer Funktion der verketteten Spannungen allein bestehenden Summe abhängig ist.
8. 8. Schutzzeitrelais nach Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufzeit der aus einem dem Produkte der Spannung (E₂) einer Phase gegen Erde und des Kosinus des zwischen dem Vektor dieser Spannung und dem Vektor der Spannung (E₁₂) derselben Phase gegen eine zweite Phase proportionalen Wert und aus einem der letzteren Spannung (E₁₂) proportionalen Wert bestehenden Summe annähernd proportional ist.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen