DE626398C - Vorrichtung zur selbsttaetigen Einstellung der Erdschlussloeschinduktivitaet in Hochspannungsnetzen - Google Patents

Description

Zum ErdscHußschutz von Hochspannungsnetzen werden vielfach Erdungsinduktivitäten verwendet, welche so bemessen sind, daß sie sich mit der Teilkapazität des Netzes gegen Erde annähernd in Resonanzabstimmung befinden. Sie können dabei zwischen die Phasenleiter des Netzes und Erde oder zwischen Sternpunkte von an das Netz angeschlossenen Wicklungen und Erde geschaltet sein. Die Aufrechterhaltung des Abstimmungsgrades gestaltet sich aber in solchen Hochspannungsnetzen schwierig, bei denen mit dem Ab- und Zuschalten von Netzteilen gerechnet werden muß; denn jede Änderung des Netzes bedingt eine Änderung der Teilkapazität gegen Erde und demnach eine andere Einstellung der Löschspuleninduktivität zur Herstellung des entsprechenden Schutzwertes der Löschinduktivität. Da die Erdschlußschutzeinrichtung für das ganze Netz meist nur an einem oder an einigen wenigen Punkten des Netzes angeordnet ist, ist es erforderlich, daß die Änderung der Netzlänge, also die Zu- bzw. Abschaltung von Netzteilen an jene Stationen, sofort gemeldet wird, in denen sich die

as Löschinduktivitäten befinden, damit unverzüglich eine entsprechende Einstellung der Löschinduktivität vorgenommen werden kann. Der Netzbetrieb wird dadurch aber kompliziert und schwierig und erfordert eine dauernde Verständigung zwischen räumlich weit auseinanderliegenden Stationen und Schaltstellen. Es wäre ein erheblicher technischer Fortschritt, wenn die Einstellung der Erdschlußlöschinduktivität auf den der jeweiligen Länge des geschützten Hochspannungsnetzes entsprechenden Wert selbsttätig erfolgte.

Um nun aber die Erdschlußlöschinduktivität auf den der jeweiligen Länge des geschützten Hochspannungsnetzes entsprechenden Wert einzustellen, könnte man parallel zum Erdungs-Stromkreis der regelbaren Löschspule einen zweiten Erdungsstromkreis dadurch bilden, daß man den Sternpunkt (bzw. Nullpunkt) einer an das Hochspannungsnetz angeschlossenen Wicklung mit Erde über eine Hilfsspannungsquelle betriebsfremder Frequenz verbindet und mit Hilfe dieser die jeweilige Netzlänge mißt. Dies geschieht durch den sich bei gegebener Induktivität dieses Hilfsstromkreises im Hinblick auf die jeweilige Teilkapazität des Netzes gegen Erde einstellenden Strom, der als Maß der Netzlänge dienen kann. Eine solche Messung gibt aber dann kein eindeutiges Bild der jeweiligen Länge des Netzes, wenn sich Resonanz zwischen Induktivität des Hilfskreises und Netzkapazität bei einer mittleren Netzlänge einstellen würde. In diesem Falle würde sowohl bei Vergrößerung als auch bei Verkleinerung der Netzlänge eine

Abnahme des Meßstromes zu verzeichnen und eine Eindeutigkeit der Angabe nicht erzielt sein Um. diesen Mangel zu beseitigen, soll erfindungsgemäß in den Erdungskreis der Hilfsstromquelle eine Hilfsinduktivität von solcher Größe eingeschaltet sein, daß der aus Netz, Erdungskreis und Teilkapazität des Netzes zur Erde bestehende Stromkreis sich bei der betriebsmäßig kleinsten oder größten Netzlänge in bezug auf

ίο die eingefügte Frequenz nahezu in Resonanzabstimmung befindet, und es sollen in an sich bekannter Weise Schalteinrichtungen vorgesehen sein, welche in Abhängigkeit von dem Strom des Erdungskreises der Hilfsstromquelle die Löschinduktivität der jeweiligen Netzlänge entsprechend einstellen. In dem Erdungskreis ist hierbei die EMK der Stromquelle betriebsfremder Frequenz, die zweckmäßig höher als die Netzfrequenz gewählt wird, wirksam. Der Erdungskreis besitzt eine Impedanz, die sich aus den Ohmschen Widerständen der Leitung selbst und der Ableitung nach Erde, aus der Hilfsinduktivität, der Streuinduktivität der den Sternpunkt bildenden Wicklung, der Induktivität des Netzes und schließlich aus der Teilkapazität des Netzes gegen Erde zusammensetzt. Werden Netzteile zu- oder abgeschaltet, dann ändert sich im wesentlichen nur die Teilkapazität des Netzes gegen Erde, während die Änderung der gesamten Induktivität und des Ohmschen Widerstandes durch Ausfall oder Hinzutreten von Netzteilen vernachlässigt werden kann. Die Stromänderung im Erdungskreis ist somit vorwiegend eine Funktion der Teilkapazität gegen Erde, also der Netzlage, und der Strom ändert sich infolge der Änderung der

Reaktanz icoL ¹^) des Erdungskreises. Aus

diesem Grunde kann auch an Stelle eines Strommessers ein Reaktanzmesser Verwendung finden. Damit nun aber die Empfindlichkeit der Messung eine zur Betätigung der Schalteinrichtungen genügende ist, ist es, wie oben angegeben, notwendig, die Hilfsinduktivität so zu bemessen, daß für die größten oder kleinsten Netzlängen in bezug auf die betriebsfremde Frequenz mindestens angenähert eine Resonanzabstimmung im Erdungskreis vorhanden ist. Bei Ab- (bzw. Zu)schalten von Netzteilen entfernt sich dann der gemessene Wert des Stromes vom Resonanzwert, und zwar liegen die Meßwerte auf dem steilen Ast der Resonanzkurve. Dadurch ist die Empfindlichkeit der Einrichtung und die Genauigkeit der Messung gewährleistet.

Die Messung erfordert aber, um eindeutig zu sein, eine von der Spannung der Gründfrequenz unabhängige konstante Spannung der Hilfsstromquelle und, falls diese Konstanz nicht von vornherein gegeben ist, Einrichtungen, welche sie herbeiführen. Auch die betriebsfremde Frequenz soll möglichst konstant sein, und um ruhende Einrichtungen zu ihrer Erzeugung verwenden zu können, ist es vorteilhaft, sie als ein ganzes Vielfaches der Grundfrequenz zu 6g wählen. So kann z. B. in Dreiphasennetzen eine der 3 w-tenHarmonischen entsprechende betriebsfremde Frequenz (n = ganze Zahl) leicht in ruhenden Apparaten durch Sättigung des Eisens einer mit konstanter Spannung der Grundfrequenz gespeisten Dreiphasenspule erzeugt werden. Schließt man nämlich an das Dreiphasennetz eine hochgesättigte dreiphasige, in Stern geschaltete Drosselspule an, dann erfordert das Feld bei sinusförmigem Verlauf zur Erzeugung eine starke dritte Harmonische, die aber in allen drei Phasen gleiche Richtung hat und daher nur über eine mit dem Sternpunkt verbundene Leitung zu- und abfließen kann. Ist der Sternpunkt mit Erde verbunden, dann fließt der Strom der dritten Harmonischen durch den Erdungskreis, also vom Netz durch die Dreiphasenwicklung über den Sternpunkt nach Erde und über die Teilkapazität des Netzes gegen Erde zurück ins Netz. Diese Erzeugung der betriebsfremden Frequenz für den Erdungskreis hat aber noch den Nachteil, daß die Größe des Stromes von der Netzspannung der Grundfrequenz abhängt. Ändert sich die Netzspannung, dann ändert sich die Sättigung der Drossel und demnach die EMK der 3. Harmonischen. Es ist dann vorteilhaft, um die EMK von der Änderung der Spannung des Netzes möglichst unabhängig zu machen, sie in folgender Weise zu erzeugen.. Man gibt dem Magneten der hochgesättigten Dreiphasendrossel einen 4. Schenkel, dessen Feld in einer auf diesem Schenkel angeordneten, in den Erdungskreis eingefügten Spule die Spannung der 3M-ten Harmonischen induziert. Um nun diese Dreiphasendrossel mit möglichst konstanter Spannung zu speisen, wird sie an die gegeneinandergeschalteten Sekundärwicklungen zweier primär an das Hochspannungsnetz angeschlossenen Dreiphasentransformatoren angeschlossen, von denen der eine hohe, der andere geringe Eisensättigung besitzt, derart, daß die Neigung der Spannungscharakteristik des ungesättigten Transformators annähernd gleich der Neigung des im Bereich hoher Sättigung liegenden Teiles der Spannungscharakteristik des gesättigten Transformators liegt. Da sich im Sekundärkreis die Spannung des un- ;esättigten Transformators von der des gesättigten subtrahiert, ist die Spannung an der Reihe der beiden Sekundärwicklungen in weitem Bereich eine konstante und unabhängig von den Schwankungen der Primärspannung. Schließt man also an diese Sekundärwicklungsreihe die mit 4. Schenkel versehene hochgesättigte Dreiphasendrossel an, dann ist das Feld der 3. Harmonischen im 4. Schenkel nahezu konstant und unabhängig von den Schwankungen der Span-

nung des Hochspannungsnetzes. Dementsprechend ist auch die in der auf dem 4. Schenkel angebrachten Wicklung induzierte EMK der 3. Harmonischen eine Konstante, und man kann sie als konstante Spannung betriebsfremder Frequenz im Erdungskreis verwenden. Zu diesem Zwecke schaltet man in den Erdungskreis die auf dem 4. Schenkel der Dreiphasenspule liegende Wicklung ein und schließt, um einen besonderen Anschlußtransformator für den Erdungskreis zu ersparen, diesen an den Sternpunkt der Primärwicklung des zur Erzeugung der konstanten Spannung verwendeten ungesättigten Transformators an. Dieser Transformator soll aber dem Strom der 3. Harmonischen keinen hohen induktiven Widerstand entgegensetzen, und er erhält aus diesem Grunde als 3. Wicklung eine in Dreieck geschaltete Wicklung, welche die Amperewindungen der ao 3. Harmonischen kompensiert. Man kann aber auch den beiden Transformatoren, welche der Erzeugung der konstanten Spannung dienen, Primärwicklungen in Zickzackschaltung geben, da die Zickzackschaltung mit zwei gleichen Phasenteilen pro Spannungsphase die Eigenschaft hat, 3 «-te Harmonische ungedrosselt hindurchzulassen. Man kann aber auch die Induktivität des den Sternpunkt zum Anschluß des Erdungskreises liefernden Transformators ganz oder teilweise zur Herstellung der Resonanz mit den Teilkapazitäten 'des Netzes gegen Erde verwenden, wodurch die in den Erdungskreis einzuschaltende Hilfsinduktivität entsprechend kleiner ausfällt.

Es kann der Fall eintreten, daß die Resonanzkurve außerordentlich steil verläuft, so daß die Empfindlichkeit der Einrichtung zu groß wird. In diesem Falle kann dieser Kurve durch Einschalten eines Dämpfungswiderstandes in den ίο Erdungsstromkreis eine geringere Steilheit. in der. Nähe des Resonanzpunktes gegeben und die Empfindlichkeit auf den praktisch brauchbarsten Wert eingestellt werden.

Da bei der beschriebenen Einrichtung die gemessenen Werte des Stromes der 3«-ten Harmonischen nicht nur unabhängig von den Spannungsschwankungen des Hochspannungsnetzes, sondern auch von den Strömen der Grundfrequenz sein sollen, wird man, um diese Ströme von den messenden und schaltenden Instrumenten, fernzuhalten, diese durch aus Kapazität und Selbstinduktion bestehende, auf die Grundfrequenz abgestimmte Resonanzkreise überbrücken. Als Instrumente kommen sowohl solche in Betracht, welche den die Löschinduktivität einstellenden Meßwert erkennen lassen (Amperemeter, Reaktanzmesser 0. dgl.) als auch Schaltrelais, welche vom Strom des Erdungskreises durchflossen· die Löschinduktivität auf den der jeweiligen Länge des Netzes entsprechenden Wert einstellen. Anstatt das Schaltrelais vom Strom des Erdungskreises zu speisen, kann es auch von der an der Erdungsinduktivität (Hilfsinduktivität im Erdungskreis) herrschenden Spannung gespeist werden, wobei in diesen Spannungskreis ein aus der Parallelschaltung von Kapazität und Induktivität bestehender Sperrkreis für Ströme der Grundfrequenz eingeschaltet sein kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei durch die Figur erläutert. In dieser bedeutet N ein Dreiphasennetz mit den abschaltbaren Teilen N₁ und N₂. S₁ und S₂ sind Schalter zum Ab- und Zuschalten der Netzteile. HT stellt die das Netz speisende Wicklung des Haupttransformators dar. An den Sternpunkt dieser Wicklung ist die Löschspule L angeschlossen, deren Induktivität durch den mit Erde verbundenen Schaltkontakt eingestellt werden kann. An das Netz 2V" sind die Primärwicklungen der Transformatoren T₁ und T₂ angeschlossen, deren Sekundärwicklungen in Reihe gegeneinandergeschaltet sind. Transformator T₁ ist hoch, Transformator T₂ ist schwach gesättigt und derart bemessen, daß die Neigung seiner Spannungscharakteristik annähernd gleich der Neigung des im Bereich hoher Sättigung liegenden Teiles der Spannungscharakteristik des gesättigten Transformators T₁ liegt. Dies hat zur Folge, daß die an der Reihe der Sekundärwicklungen der beiden Transformatoren herrschende Spannung im weiten Bereich unabhängig von der Änderung der Spannung des Netzes N konstant ist. Diese konstante Spannung wird nun den Klemmen der Dreiphasendrossel T₃ zugeführt, deren Eisen ebenfalls hoch gesättigt ist und die einen 4. Schenkel besitzt, auf dem sich die Spule G befindet. In dieser Spule G werden Spannungen der 3«-ten Harmonischen induziert, und sie stellt die Stromquelle für Ströme der'3«-ten Frequenz dar. Die Spule G ist nun mit dem einen Pol an den Sternpunkt der Primärwicklung von T₂ angeschlossen, mit dem anderen Pol dagegen über die Hilfsinduktivität /, das Schaltrelais 2? 105 und das Amperemeter A geerdet. Das Schaltrelais J? und das Amperemeter A sind durch den auf die Grundfrequenz abgestimmten Reonanzkreis Sch überbrückt. Um eine Drosselung der Ströme der 3 «-ten Harmonischen in der Primärwicklung von T₂ zu vermeiden, ist diese Wicklung in Zickzack geschaltet. Damit aber die Phasen der Sekundärwicklungen der beiden Transformatoren T₁ und T₂ nicht voniinander abweichen, ist auch die Primärwicklung von T₁ in Zickzack geschaltet. C₁ und C₂ stellen die Teilkapazitäten gegen Erde der Netzteile N₁ und N₂ dar. Es ist angenommen, daß die Teilkapazität des an den Transformatori2T unmitelbar angeschlossenen Leitungsstückes gegenüber den anderen vernachlässigbar klein ist.

Die Wirkungsweise dieser'Einrichtung ist nun folgende: Es seien die Schalter S₁ und S₂ geschlossen und die Induktivität / so eingestellt, daß sich der Stromkreis; welcher gebildet wird 5 aus Primärwicklung von T_z, Spule G, Hilfsinduktivität /, Erde, Teilkapazitäten C₁ und C₂ und Netz N (wobei parallel zu C₁ und C₂ die Löschinduktivität L und der Speisetransformator HT liegt) annähernd in Resonanzabstimmung in bezug auf eine 3«-te Harmonische befindet. Der Strom im Relais R und im Amperemeter A hat somit bei voll eingeschaltetem Netz seinen größten Wert, öffnet man nun z. B. den Schalter S₂, dann ist C₂ aus dem Erdungskreis ausgeschaltet, und dieser ist entsprechend verstimmt. Der Strom in den Instrumenten nimmt relativ stark ab, weil der Meßwert sich auf dem steilen Ast der Resonanzkurve bewegt. Dem geänderten Wert des Meßstromes entsprechend wird nun der Hebel K bewegt und die Löschspule L auf einen dem Wert C₁ entsprechenden Wert selbsttätig eingestellt.

Welche der 3«-ten Harmonischen zur Betätigung der Instrumente gewählt wird, ist an sich gleichgültig, man wird im allgemeinen die. 3. Harmonische bevorzugen, weil sie relativ die größte Amplitude hat und daher genügend . Energie für die Betätigung des Schaltrelais liefert. Anderseits darf die zwischen Netznullpunkt und Erde auftretende Spannung der 3η -ten Harmonischen im Verhältnis zur Netzspannung nicht sehr erheblich sein, da He das Netzpotential gegen das Potential der Erde verlagert und daher die Spannung der Phasenleiter des Netzes gegen Erde erhöht. Anstatt die Schalteinrichtung und die Meßinstrumente unmittelbar in den Erdungskreis einzuschalten, kann dies auch mittelbar dadurch geschehen, daß die Instrumenten- und Relaisstromkreise nur induktiv mit dem Erdungsstromkreis gekoppelt sind. So kann z. B. das Schaltrelais von einer mit der Hilfsinduktivität des Erdungskreises induktiv gekoppelten Spule gespeist werden.

Die Hilfsinduktivität, an welcher außer der Spannung der 3 »-ten Harmonischen gegebenenfalls auch die als Folge von Unsymmetrien auftretende Verlagerungsspannung herrscht, ist für die Spannung zu bemessen, mit der sie maximal beansprucht wird. Um diese Spannung herabzusetzen, ist es zweckmäßig, das Netz in bekannter Weise mit Einrichtungen zu versehen, welche die Netzsymmetrie herbeiführen, oder die Löschinduktivität so weit zu verstimmen, daß die Verlagerungsspannung sich unterhalt) gewisser Grenzen hält. Ferner können vorteilhaft Schaltungen vorgesehen sein, welche im Erdschlußfalle in Abhängigkeit von den sich dabei ändernden Netzgrößen (z. B. Spannung gegen Erde) selbsttätig den Hilfskreis unterbrechen.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Vorrichtung zur selbsttätigen Einstellung der Erdschlußlöschinduktivität auf den der jeweiligen Länge des geschützten Hochspannungsnetzes entsprechenden Wert, bei welcher parallel zum Erdungsstromkreis der regelbaren Löschspule ein zweiter Erdungs- ^o Stromkreis dadurch gebildet ist, daß der Sternpunkt (bzw. Nullpunkt) einer an das Hochspannungsnetz angeschlossenen Wicklung mit Erde über eine Hilfsspannungsquelle betriebsfremder Frequenz verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Erdungskreis der Hilfsstromquelle eineHilfsinduktivität von solcher Größe eingeschaltet ist, daß der aus Netz, Erdungskreis und Teilkapazität des Netzes gegen Erde bestehende Stromkreis sich bei der betriebsmäßig kleinsten oder größten Netzlänge in bezug auf die eingefügte Frequenz nahezu in Resonanzabstimmung befindet, und daß in an sich bekannter Weise Schalteinrichtungen vorgesehen sind, welche in Abhängigkeit von dem Strom des Erdungskreises der Hilfsstromquelle die Löschinduktivität der jeweiligen Netzlänge entsprechend einstellen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die betriebsfremde Frequenz eine 3 n-te Oberharmonische der Grundfrequenz ist, wo η eine beliebige ganze Zahl, einschließlich 1, bedeutet.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine eisengesättigte Dreiphasenspule mit 4. Schenkel verwendet wird, dessen Feld in einer auf diesem Schenkel angeordneten, in den Erdungskreis eingefügten Spule die Spannung der 3w-ten Harmonischen induziert.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreiphasenspule von den gegeneinandergeschalteten Sekundärwicklungen zweier primär an das Hochspannungsnetz angeschlossener Dreiphasentransformatoren gespeist wird, von denen der eine hohe, der andere geringe Eisensättigung besitzt, derart, daß die Neigung der Spannungscharakteristik des ungesättigten Transfor- mators annähernd gleich der Neigung des im Bereich hoher Sättigung liegenden Teiles der Spannungscharakteristik des gesättigten Transformators liegt.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Sternpunkt des an das Dreiphasennetz angeschlossenen ungesättigten Transformators der Erdungsstromkreis angeschlossen ist, in welchen die Spannung der auf άψα 4. Schenkel der Dreiphasenspule liegenden Wicklung eingefügt ist, wobei die Primärwicklungen der beiden

   an das Hochspannungsnetz angeschlossenen Transformatoren in Zickzack geschaltet sind, oder der ungesättigte Transformator eine in Dreieck geschaltete Tertiärwicklung besitzt, um die Drosselung des Stromes der 3 «-ten Harmonischen in diesem Transformator zu vermeiden.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Erdungskreis ein Dämpfungswiderstand vorgesehen ist, der die Resonanzkurve für die betriebsfremde Frequenz so weit abflacht, daß die Empfindlichkeit der Schalteinrichtung für die verschiedenen Netzlängen vergleichmäßigt wird.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen