DE622497C - Differentialschutzeinrichtung gegen Kurzschluss und Erdschluss fuer Teile einer elektrischen Anlage - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 30. NOVEMBER 1935

REICHSPATENTAMT

■"PATENTSCHRIFT.

KLASSE 21 c GRUPPE 68 so

Siemens & Halske Akt.-Ges. in Berlm-Siemensstadt*)

Diiferentialschutzeinrichtung gegen Kurzschluß und Erdschluß für Teile einer elektrischen Anlage

Patentiert im Deutschen Reiche vom 12. August 1930 ab

Es ist bekannt, elektrische Maschinen und Leitungen gegen Überlastungen dadurch zu schützen,, daß man den Strom, der an einem Ende zufließt, mit dem am anderen Ende äbfließenden Strom vergleicht und die Abschaltung der Maschinen bzw. Leitungen von dem Unterschied dieser beiden Ströme abhängig macht.

Die Erfindung hat eine nach diesem Prinzip arbeitende Einrichtung zum Schutz von Teilen einer elektrischen Anlage zum Gegenstand. Wenigstens von einer der Meßstellen aus wird der Wert einer dort gemessenen Betriebsgröße, z. B. der Wert des Stromes (des iCurz-Schluß- oder Erdschlußstromes, Summenstromes), oder der Wert der Leistung, nach dem Impulsfrequenzverfahren, zu einem Differentialrelais übertragen. ~
Bei Verwendung eines Wirkleistungsmes-

ao sers kann man bei Anwendung eines von der Spannung erregten Bremsmagneten die Größe des in der Leitung fließenden Wirkstromes zum Differentialrelais übertragen. Ist das Meßgerät ein Blindleistungsmesser, so vergleicht man in entsprechender Weise die Blindströme. Es ist auch möglich, durch Anwendung phasenverschiebender" Mittel im Stromsystem oder Spannungssystem oder beiden die Anordnung so zu treffen, daß bei einer beliebig einstellbaren Phasenverschiebung, beispielsweise von 45⁰ oder 6o°, das größte Drehmoment entwickelt wird.

Die Impulse können in an sich bekannter Weise erzeugt "werden dadurch, daß ein Zähler, z.B. ein-Amperestundenzähler öder ein Wattstundenzähler, eine Unterbrechungsvorrichtung antreibt, die den. Stromkreis einer Hilfsstromquelle; abwechselnd öffnet und schließt. -Um immer eine ausreichende Umdrehungszahl des Impulsgebers zu bekommen, empfiehlt es sich, gesättigte Spannungswandler oder gesättigte Spannungstriebkerne bei Ferrarissystemen zu verwenden, die auch bei starker Spannungsabnahme eine genügende Erregung liefern. Als Hilfsstromquelle kann eine Gleich- oder Wechselstromquelle dienen. In diesem Falle werden die Impulse über besondere Hilf sleitungen von einem Ende der zu schützenden Leitung zum anderen übertragen. Es kann aber auch eine Hochfrequenzerzeugereinrichtung zur Verwendung kommen, wobei die mit Hilfe der UnterbrechungsvorrichtunghervorgerufenenHochfrequenzimpulse über die zu schützende Leitung selbst zur Differentialanordnung geleitet werden.

Nach der weiteren Erfindung setzen die an den beiden Enden_; erzeugten Impulse je ein Vergleiqhsglied einer Differentialanordnung in Bewegung, so daß deren Umlaufgeschwindigkeiten der . gemessenen Betriebsgröße pro-

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

Or .-Ing. M^anfred Schleicher in Eerlin-CharloUenbwg.

portional sind. Bei ungleicher Impulshäufigkeit haben ■die-rVergleichsglieder nicht mehr dieselbe Geschwjn^gkeitj so daß sie .-einen Kontakt schließen-xtnd-damit die Abschaltung der Leitung bewirken.

Bei Auftreten eines Fehlers sind die Unterschiede der Impulshäufigkeit groß, welchedie Dififerentialanordnüng zum .Ansprechen bringen. Kleine Unterschiede in der 'Impulshäufigkeit haben daher ihre Ursache nicht in einem Fehler, sondern in geringfügigen Abweichungen der benutzten Apparate. Es muß dafür gesorgt werden, daß bei solchen kleinen Unterschieden der zu vergleichenden Impulshäuflgkeiten die Leitung nicht abgeschaltet werden kann. Zu dem Zweck wird in regelmäßigen Zeitabständen eines der beiden rotierenden Vergleichsglieder in die normale NuJlage zurückgestellt, beispielsweise dadurch, daß es von seinem Antrieb entkuppelt wird. Die Größe dieser Zeitabstände richtet, sich nach der. gewünschten Empfindlichkeit der Differentialanordnung. Es kann.unter.Umständen von Nutzen sein, diese Empfindliehkeit in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße oder in Abhängigkeit von der Zeit Mer irgend-: einem Schaltzustand der Anlage verschieden zu machen. *

Um ein Abschalten-zu verhindern, wenn infolge einer Betriebsstörung; der Vergleichs^ _v einrichtung oder der Übertragungseinrichtung

eine Kontaktgabe zustande kommt, .wird- in den . Aüslösestromkreis. der Leitüngshauptschalter zweckmäßigerweise noch ein Kontakt gelegt, der mitHilfe eines Überwachungs-

relais erst beim Auftreten eines. Fehlers in der zu schützenden Leitung; geschlossen, wird.

Als tiberwachungsrelais kann man z.B..Drehfeldscheider oder, andere Unsyrnmetrierelais verwenden, etwa solche, "die in irgendeiner Weise auf · die Flächenänderung des · Spännungsdiagramms ansprechien., . - .

Wenn: die zu schützende ^Leitung von beiden Seiten gespeist werden kann, beispielsweise dadurch, daß sie in 'einem mehrfach vermischten Netz angeordnet ist, wird gemäß der weiteren Erfindung dafür gesorgt, daß die Impulszahlen, die-an den,beiden Enden durch die Meßeinrichtungen hervorgerufen, werden, auch in dem Falle, wenn von beiden Enden her gleiche Energiemengen in die geschützte Leitung hineinfließen, nicht- gleich groß werden können. Das erreicht man durch Verwendung· von Meßeinrichtungen, deren Umlauf ssinn von der Richtung des Energieflusses in der Leitung abhängig ist,. und indem man dafür-., sorgt, daß-zu. den Impulszahlen der beiden' Meßemrichtungen bei gleicher Bewegungsrichtung ~ zusätzlich eine gleiche Anzahl von Impulsen hinzuaddiert wird. Bei .ungleichem Drehsinn der Meßgeräte an den beiden Streckenenden wird also bei dem einen Meßgerät die zusätzliche Impulszahl addiert, bei dem zweiten subtrahiert. Es empfiehlt sich, die zusätzliche Impulszahl größer zu machen als die Hälfte der im Höchstfall von einer "Meßeinrichtung erzeugten Anzahl von Impulsen. Zur Einfügung der zusätzlichen Impulse verwendet man eine zusätzliche Einrichtung, welche z. B. auf mechanischem Wege (mittels Differentialgetriebes oder durch rotierende Bürsten) eine konstante Anzahl, von Impulsen zu den Meßimpulsen hinzuaddiert. In den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Fig. ι zeigt eine Schutzeinrichtung für eine einseitig ,gespeiste Leitung 1, 2. Mit 3 ist ein am linken Leitungsende angeordneter Amperestundenzählerbezeichnet, mit dessen Anker ein Kollektor 4 durch eine Achse S festgekuppelt ist. 6 ist eine Batterie,· 7 und 8 sind zwei zum anderen Ende der Leitung führende Hilf sleitungen, die mit den Kollektorbürsten 9 und 10.in Verbindung stehen. 11 ist ein Relais mit zwei beweglichen Kontakten 12 und. 13. Durch Leitungen 14 und 15 sind diese Xontakte mit der Wicklung 16 eines Z-Anker triebes 17 verbunden, die im wesentlichen dem für Nebenuhrwerke verwendeten Typ entspricht. 18 ist eine Reibungskupplung, die durch einen darin angeordneten Magneten gelöst werden kann. Der eine Teil dieser Kupplung ist durch einen Schneckentriebig mit der Welle des Z-Ankers 17 gekuppelt, während der- andere lösbare Teil auf einer Welle 20 befestigt ist. Diese Welle 20 trägt einen Arm 21 mit einem doppelseitigen Kontakt 22, der mit einem Schleifring 2.5 leitend verbunden ist.

• In der Verlängerung der Welle 20 ist eine Welle 24 angeordnet, deren: Arm 25* an einer Gabeiao zwei Kontakte27 und 28 trägt, die mit' einem Schleifring 29 in Verbindung stehen. Die beiden. Kontakte 21 und 25 sind über die Wellen 20 und 24 hinaus verlängert. An der Verlängerung des Armes 25 sind zwei Blattfedern 36 befestigt, die sich zweckmäßig mit Vorspannung gegen die Verlängerung des Armes 21 anlehnen und die bestrebt sind, den Arm 22. jn der dargestellten Mittellage zwi- no sehen den Armen 27, 28 zu halten. Die Welle 24 wird in entsprechender Weise wie die Weite 20 über einen Schneckenantrieb 30 von einem Z-Anker 31 angetrieben^ dessen Wicklung 32 mit den beiden beweglichen Kontaktlamellen 33, 34 eines Relais 37 elektrisch verbunden ist. Das Relais 37 wird gesteuert von einem rotierenden Unterbrecher 38, der von einem an diesem Leitungsende angeordneten Amperestundenzähler 39 angetrieben "wird. Vom Schleifring24 führt ein? Stromkreis über die Ausschaltspule 35 des Hauptstreckenschal-

ters und die Unterbrechungskontakte eines Überwachungsrelais 78 zu dem einen Pol einer Batterie 33. Der andere Pol dieser Batterie liegt am Schleifring 23. Die magnetische Reibungskupplung 18 steht ebenfalls mit der Batterie33 in Verbindung.' Sie wird in regelmäßigen Zeitabständen mit Hilfe eines Zeitschaltwerkes 40 abgeschaltet, um, wie in der Einleitung ausgeführt/ eine Berührung der Kontakte zu verhindern, solange der Unterschied der Geschwindigkeiten der Wellen2o und 24 unterhalb einer gewissen Größe liegt. Die Schutzeinrichtung arbeitet folgendermaßen: Im normalen Betrieb werden durch die beiden rotierenden Unterbrecher'4 und 3 8 an beiden Enden der Leitung Impulse gleicher oder wenigstens nahezu gleicher Häufigkeit erzeugt. Die Z-Anker drehen sich infolgedessen ebenfalls mit gleicher Geschwindigkeit, so daß "die beiden Vergleichsglieder 22 und- 27, 28 keinen Kontakt machen können. Geringe Geschwindigkeitsunterschiede führen nicht zu einem Kontaktschluß, weil durch das Zeitschaltwerk 40 die Kupplung 18 in regelmäßigen Zeitabständen gelöst wird. Tritt auf der zu schützenden Leitung ein Fehler, z. B. ein Kurzschluß, auf, so" schließt zunächst das Überwachungsrelais 78 seine Kontakte. Die zu vergleichenden Stromstärken am Anfang und Ende der Leitung sind nicht mehr gleich groß. Der Kollektor 38 beispielsweise bringt eine höhere Impulszähl hervor als der Kollektor 4, so daß die Welle 24 sich schneller bewegt als. die Welle 20. Dadurch wird zwisehen 22 und 27 der Stromkreis für die Auslösespule, des Hauptstrecfcenschalters 35 geschlossen und die fehlerhafte Leitung abgeschaltet. .
Fig. 2 zeigt eine Schutzeinrichtung unter Verwendung eines -Hochfrequenzerzeugers 44 an dem einen Ende der Leitung, und eines auf diesen abgestimmten Empfängers 45 am anderen Ende der zu schützenden Leitung. Bei dieser Anordnung wird der Hochfrequenzstrom durch die Unterbrechungsednriehtung 41, welche von einem Wattstundenzähler 47 angetrieben wird, unterbrochen, so daß Impulse mit einer der gemessenen Leistung proportionalen Häufigkeit über die zu schützende Leitung zum anderen Ende gesandt werden. Diese Impulse werden am anderen Ende der Leitung von dem Empfänger 45 aufgenommen, der im Takt der aufgenommenen Impulse den Erreger Stromkreis eines Relais 11 schließt,, das aus einer Batterie 46 Strom bekommt. Das Relais 11 wirkt dann in derselben Weise, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, auf einen Z-Ankertrieb ein. Das zweite Glied der Vergleichsanordnung wird beeinflußt durch Impulse,· die von einem Wattstundenzähler 42 mit Hilfe einer damit -verbundenen Unterbrechereinrichtung 43 erzeugt werden. Die Wirkungsweise dfgser'Änördnung ist dieselbe, wie die in Fig. i beschriebene.

Fig. 3 zeigt eine 'weitere Aüsiührungsmöglichkeit einer Einrichtung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung. Es' handelt sich hier um den Differentialschutz einer Leitung, die von beiden Seiten her gespieist werden kann. Am linken Ende der zu schützenden Leitungsstrecke" wird eine.Betriebsgröße, z. B, die Leistung, mit Hilfe eines Instruments 50 gemessen, das auf einen Hochfrequenzerzeuger 51 in dem Sinne einwirkt, daß dieser Impulse sendet, die proportional der gemessernen Leistung sind. Diese Impulse werden auf eine Empfangseinrichtung 52 übertragen. Am anderen Ende der Leitung wirkt eine Meßeinrichtung 53 gemeinsam mit "der Empfangseinrichtung 52 auf eine Impulsvergleichsanordnung 54, welche einerseits das Abschalt- kommando für den Leitungshauptschalter 55 gibt und andererseits einen Sender 56 einschaltet, der über die zu schützende Leitung den Abschaltbefehl einem am entfernten Ende der Leitung angeordneten Empfänger 5 7 weitergibt, von dem der Streckenhauptschalter 58 abgeschaltet wird.

Wenn die zu schützende Leitung eine Drehstromleitung ist, muß durch besondere Schal» tung dafür gesorgt werden, daß die Schutzeinrichtung in jedem möglicherweise auftretenden Fehlerfall richtig arbeitet. Zu dem Zweck wird der den Impulsgeber antreibende Zähler beispielsweise so geschaltet, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Die zu schützende Leitung ist mit 61, 62, 63 bezeichnet. 64 und 65 sind zwei in den Phasenleitungen 61 und 63 liegende Stromwandler. Diese sind" in Reihenschaltung mit zwei Überstromrelais 66 und 67 verbunden- Die Stromspule 68 des die Impulse erzeugenden Zählwerkes 70 liegt !einerseits zwischen den beiden Stromwandlern 64 ' und 65 und andererseits zwischen den Erregerspulen der beiden Überstromrelais 66 und 67. Die Spannungsspule 69 des Zählers 70 ist in der Ruhestellung der Überstromrelais mit deren Ruhekontakten 71 bzw. 73 verbunden. Diese Ruhekontakte sind" über einen Umschalter 76 und einen Widerstand 75 no von der Größe des Sp annungs'systems im Zähler an die Phasenleitung 62 angeschlossen. Der Umschalter 76 wird von einem Erdschlußrelais 77 in der Weise gesteuert, daß beim Auftreten eines Erdschlusses die Ruhekontakte 73 und 7 r mit Erde verbunden werden. Die Arbeitskontakte 72 bzw. 74 der Überstromrelais sind an die Phasenleitungen 63 bzw. 61 angeschlossen. Diese selbsttätige Umschalteinrichtung arbeitet folgendermaßen:

Bei Kurzschluß zwischen den Phasenleitungen 61 und 63 sprechen beide Überstromrelais

Claims (1)

1. an, so daß die Spannungsspule 69'des Zählers an die verkettete Spannung der kranken Phasen angeschlossen wird. Die Stromspule 68 wird von der Summe "der Fehlerströmie in den kranken Phasenleitungen durchflossen.

   Bei Kurzschluß zwischen 6i und 62 spricht das-Überstromrelais 66 an, so daß die Spannungsspule-69 des Zählers an, der halben verketteten Spannung der kranken Phasen liegt. Die· Stromspule 68 wird in diesem Falle von dem in der Phasenleitung 61 fließenden Fehlerstrom durchflossen. -

   Bei Kürzschluß zwischen 62 und 63 spricht das Überstromrelais 67 an, so daß aueh hier-"bei die Spann.ungssp.ule 69 an der halben verketteten· Spannung der kranken Phase liegt. Durch die Stromspule fließt Jetzt der in. Leitung 63 fließende Fehlerstrom, - -" Bei einem Doppelerdschluß in den Leitungen 61: und 62 fließt durch die Stromspule 68 der Fehlerstrom der Phase 61; die Spannungsspule 69 bekommt die Spannung der Leitung 61 gegen' Erde. Γη entspreehender-Weise wird ein Doppelerdschluß zwischen 62 ²S und 63 behandelt.

   Bei Doppelerdschluß zwischen den Leitungen 6t und 63 arbeitet die Umschalternrichtung in zweiseitig gespeisten Netzen genau * . wie bei einem Kurzschluß zwischen diesen Phasen. - - -

   In den Figuren ist stets angenommen, daß

   das DifEerentialrelais an einem Leitungsende angeordnet ist. Es bedeutet aber keine Ab-"weichung von der Erfindung, wenn die Difrerentialanördnüng irgendwo^ sonst aufgestellt ist und wenn von beiden Leitungsenden die dort gemessene^: Betriebsgröße mittels leiner Impulssendeeinrichtung zum Differentialgerät

   * ferngemeldet wird. Vom Differentialgerät geht dann wiederum das Kommando zur Auslösung

   der Streckens charter aus. -■".-■

   ■ ^; - PATEN-TANSPRtTCHE: "

   -1. -Difierenualscliutzeinrichtung gegen Kurzschluß und Erdschluß für-Teile einer elektrischen Anlage mit zwei zu beiden Seiten des geschützten Anlageteiles liegenden Meßstellen, bei der beim Auftreten von Unterschieden in den Meßwerten die Abschaltungdes Anlageteilds veranlaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens von einer Meßstelle aus der Wert, beispielsweise Absolutbetrag und Phasenlage, der dort gemessenen Betriebsgröße (Strom, Leistung o. dgl.) mit Hilfe eines Impu'lsfrequenzverfahrens zu einer Anordnung übertragen- wird,- in welcher die auf bei- ^: den Seiten des zu .schützenden Anlageteiles gemessenen Werte miteinander verglichen werden. ■ - ..._■..

   2. 'Einrichtung·nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Meßstellen, eine von der zu vergleichenden Betriebsgröße gesteuerte Impulssendeeinrichtung angeordnet ist, welche auf eine die Impulshäufigkeit vergleichende Anordnung derart einwirkt, daß bei ungleicher Häufigkeit der Impulse die. Abschaltung der Leitung erfolgt.

   3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse mit Hilfe von Zählern erzeugt werden, die eine Unterbrechungsvorrichtung antreiben.

   4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekeimzeichnet, daß durch Anwendung eines von der Spannung erregten Bremsmagneten' in Verbindung mit einem Wirkleistungsmesser der in der Leitung

   , fließende Wirkstrom oder in Verbindung mit einem Blindleistungsmesser der in der Leitung fließende Blindstrom zum Differentialrelais übertragen wird.

   5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß gesättigte Spannungswandler oder gesättigte Triebkerne bei Ferrarissystemen verwendet wer-, den, um stets eine ausreichende Umdrehungszahl des Impulssenders zu bekommen.

   6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5; dadurch gekennzeichnet, daß die von der Betriebsgröße an jedem Ende der zu schützenden Leitung 'erzeugten Impulse mit Hilfe eines Z-Ankertriebes die Rotation je eines Vergleichsgliedes bewirken, so daß deren Geschwindigkeiten den gemessenen Betriebsgrößen proportional sind.

   7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden rotierenden. Vergleichsglieder in regelmäßigen Zeitabständen vom Antrieb entkuppelt und in die normale Nullage zurückgestellt wird, um Fehlschaltungen zu vermeiden, die infolge kleiner Unterschiede der Impulshäufigkeit der von den beiden.

   zu vergleichenden Betriebsgrößen erzeugten Impulse auftreten könnten.

   .8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, "dadurch gekennzeichnet, daß, die Impulse no von !eimern Ende der zu schützenden Leitung zum anderen über besondere Hilfsleitungen übermittelt werden.

   9, Einrichtung nach Anspruch ι bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse als Hochfrequenzstrom über die zu schützende Leitung selbst von einem Ende zum -anderen übertragen -werden. ,

   i-Q, Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet,- daß an 120^ dem -einen Ende der Leitung ein durch -eine - Betriebsgröße beeinflußter Siender

   Hochfrequenzimpulse über die Hochspannungsleitung zu einer Empf angsanordnung am anderen Ende der Leitung sendet, wo sie mit der dort gemessenen Betriebsgröße auf eine Impulsvergleichsanordnung einwirken, die bei ungleicher Häufigkeit der Impulse die Abtrennung des kranken Leitungsteiles vom Netz bewirkt.

   11. Einrichtung für doppelseitig gespeiste Leitungen nach Anspruch ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergleichende Betriebsgröße durch Einrichtungen gemessen wird, deren Umlaufsinn von der -Richtung des Energieflusses in der Leitung abhängt.

   12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die bei jeder der beiden Impulssendeeinrichtungen von der Betriebsgröße erzeugte Impulszahl bei einer bestimmten übereinstimmendien Energierichtung durch eine zusätzliche Einrichtung um den gleichen Betrag von Impulsen vergrößert wird, zweckmäßig um mindestens mehr als die Hälfte der allein von der Meßgröße hervorzubringenden größten Impulszabl.

   13. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Messung der Betriebsgröße dienenden Einrichtungen selbsttätig derart umgeschaltet werden können, daß in jedem möglicherweise auftretenden Kurzschluß- bzw. Doppelerdschlußfalle die für den jeweiligen Fehlerfall ausschlaggebenden Betriebsgrößen auf die Meßeinrichtung zur Einwirkung gebracht werden.

   14. Einrichtung nach Anspruch ι bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialschutzeinrichtung die Abschaltung der zu schützenden Leitung nur dann bewirken kann, wenn ein Überwachungsrelais beim Auftreten eines Fehlers angesprochen hat.

   Hierzu r Blatt Zeichnungen