DE633336C - Einrichtung zur UEberwachung ein- oder mehrphasiger elektrischer Wechselstromnetze - Google Patents

Description

In elektrischen Netzen mit mehreren Speisepunkten bedingt der Ausfall einer Speiseleitung nicht notwendigerweise eine Betriebsunterbrechung, da die unbeschädigten Speiseleitungen das Netz weiter mit Energie versorgen können. Wenn indessen eine Speiseleitung von ihrer Stromquelle abgeschaltet wird oder in ihr ein Kurzschluß entsteht, so tritt eine Umkehrung des Energieflusses ein da-

\o durch, daß das Netz den Leerlauf strom für die Speisetransformatoren liefert oder sogar noch Energie in die Fehlerstelle der Speiseleitung hineinschickt. Es ist also unter diesen Umständen erforderlich, die Speiseleitung samt den Speisetransformatoren abzuschalten, um einen Energierückfluß vom Netze zu verhüten. Andererseits ist es wünschenswert, die Speiseleitung wiedereinzuschalten, sobald in ihr normale Betriebsbedingungen herrschen.

Um dies zu erreichen, hat man bisher verschiedene Relais verwendet, Energierichtungsrelais, welche die Speiseleitung beim Auftreten von Überstrom abschalten und Spannungsrelais, welche die Speiseleitung bei Rückkehr der Spannung wieder in Betrieb nehmen. Auch Relais, die zwei Leitungsnetze abhängig von der Differenzspannung miteinander kuppeln, hat man bereits zu diesem Zwecke verwendet.

Die Erfindung löst nun dieselbe Aufgabe mit vier einfacheren Mitteln, indem sie einem einzigen Relais für jede Phase sowohl die Überwachung des Energieflusses als auch den Spannungsvergleich und damit sowohl die Abschaltung als auch die Wiedereinschaltung zuweist. Dies wird dadurch erreicht, daß für jede Phase einer Speiseleitung ein Relais vorgesehen wird, auf dessen Triebsystem bei abgeschalteter Speiseleitung die Speisespannung und die Netzspannung und bei eingeschalteter Speiseleitung außerdem der Strom der Speiseleitungen so einwirken, daß es nach Größe und Richtung der Differenz von Speisespannung und Netzspannung in der einen Endlage den Einschaltstromkreis und nach der Riehtung des Stromes in der Speiseleitung in der anderen Endlage den Ausschaltstromkreis des Speiseleitungsschalters steuert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, an Hand dessen der Aufbau und die Wirkungsweise der Einrichtung im einzelnen erläutert werden soll. .

In der Abbildung sind mit 1 die primären Hochspannungssammelschienen bezeichnet, die über Schalter 5, Transformatoren 3, Speiseleitungen 7 und Schalter 6 das Verteilungsnetz 4 mit Energie beliefern. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist die Anordnung einphasig dargestellt und nur für eine Speiseleitung die Überwachungseinrichtung angedeutet.

Die Einschalt- und Auslösevorrichtung des Speiseleitungsschalters 6 wird durch ein Ferrarisrelais 9 gesteuert,, dessen Triebscheibe i#| je nach der Drehrichtung einen Kontaktarm;-] S Ii mit den Gegenkontakten 20 bzw. 21 '.'.jd',-· Berührung bringt. Der feststehende Teil'i^.' des Relais besteht aus zwei Triebkernen 14 und 15, zwischen deren Polflächen sich die Scheibe 10 unter der Einwirkung der von diesen Triebkernen erzeugten KraftfLüsse bewegt. Der eine zweischenklig ausgebildete Triebkern 14 besitzt zwei in Reihe geschaltete Wicklungen 16, die von der Spannung des Netzes 4 erregt werden. Auf dem mittleren Schenkel des dreischenklig ausgebildeten Triebkernes 15 sitzen zwei einander entgegenwirkende Spannungswicklungen 17 und 18, von denen die letztere gleichfalls von der Spannung des Netzes 4, die erstere von der Spannung in der Speiseleitung 7 erregt wird. Diese Wicklungen 16, 17 und 18 sind in an sich bekannter Weise so angeordnet, daß sie auf die Scheibe 10 ein Drehmoment von der Größe

E_t'(E_n

cos (φ —α)

ausüben, wobei E₄ die Spannung des Netzes 4, - E_n die Spannung in der Speiseleitung 7 bezeichnen, φ ist der Phasenwinkel der Netzspannung E₄ und der Differenzspannung aus den beiden Spannungen E₇ und E₄, während α einen konstanten, vorher bestimmten Winkel bezeichnet, der auf irgendeinen gewünschten Wert gebracht werden kann, um die Arbeitscharakteristik · des Relais nach Belieben zu verändern.

Das Relais 9 ist so ausgebildet, daß bei positivem cos (φ — α) die Scheibe 10 ein Drehmoment in solcher Richtung erhält, daß der Kontaktarm 11 mit dem Kontakt 20 in Berührung, kommt, während bei negativem cos (φ — α) das Drehmoment entgegengesetzt gerichtet ist und den Kontakt 11 mit dem Kontakt 21 in Berührung bringt. Dies, hat zur Folge, daß bei Gleichphasigkeit der Spannungen E₇ und E₄ die Spannung E₇ größer sein muß als die Netzspannung E₄, wenn ein Drehmoment im Sinne der Schließung des Kontaktes 20 entstehen soll. Weiter ergibt sich, daß, wenn der Winkel α auf den Wert Null gebracht wird, die Speisespannung E₇ stets größer sein muß als die Netzspannung E₄, um ein Schließen des Kontaktes 20 zu bewirken. Infolgedessen kann der Schalter 6 hierbei nur dann wieder- geschlossen werden, wenn die Speisespannung größer ist als die Netzspannung. In gewissen Fällen wird man jedoch dem Winkel α einen anderen Wert geben als Null, um die Wiedereinschaltung des Schalters 6 auf einen verhältnismäßig kleinen Bereich der Phasenverschiebung zwischen der Speisespannung Und der Netzspannung zu begrenzen, wobei die Speisespannung der Netzspannung nacheilt. g-js-vDa die Speisespannung größer oder kleiner fealg: die Netzspannung sein muß, damit auf ';|sdife Scheibe 10 ein Drehmoment ausgeübt ' wird, wenn beide Spannungen in Phase sind, so ergibt sich die Tatsache, daß, wenn die drei Wicklungen 18, 16 und 17 zugleich durch die gleiche Spannung erregt werden, das auf die Scheibe 10 ausgeübte resultierende Drehmoment gleich Null ist. Dieser Fall tritt dann ein, wenn der Schalter 6 geschlossen ist, denn hierbei ist die Spannung E_n gleich der Netzspannung E₄.

Auf den beiden äußeren Schenkeln des Triebkernes 15, der die Spannungswicklungen 17 und 18 trägt, sind Stromwicklungen 22 aufgebracht, die an einen in der Speise- So leitung 7 liegenden Stromwandler 23 angeschlossen sind. Die Wicklungen 16 und 22 wirken s,o zusammen, daß sie auf die Scheibe 10 ein Drehmoment ausüben, dessen Richtung von der Stromrichtung in der Speiseleitung 7 abhängig ist. Die Wicklungen sind zweckmäßig so angeordnet, daß, wenn Energie über die Speiseleitung 7 in das Netz 4 fließt, das Drehmoment im Sinne der Schließung des Kontaktes 20 wirkt, während bei Energierücklieferung vom Netz 4 in die Speiseleitung oder den Transformator 3 das Drehmoment die Scheibe 10 in entgegengesetzter Richtung bewegt, bis der Kontaktarm 11 mit dem Kontakt 21 in Berührung kommt.

Der Schalter 6 besitzt eine Einschaltspule 26 sowie eine Auslösespule 27, deren Kern 28 auf die Auslöseklinke 29 wirkt. Die beiden Steuerstromkreise sind in bekannter Weise über mit der Schalterwelle gekuppelte Hilfskontakte 31 und 32 geführt. ^c

In Mehrphasenanlagen kann man für jede Phase ein besonderes Relais 9 vorsehen, wobei deren Kontakte in bekannter Weise so miteinander verbunden sind, daß, wenn auch nur eines der Relais seinen Kontakt 21 schließt, der Schalter 6 ausgelöst, dagegen der Stromkreis der Einschaltspule 26 nur dann geschlossen wird, wenn die Relais aller Phasen ihre Kontakte 20 schließen.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende: Wir nehmen an, das Netz 4 werde durch eine der anderen Speiseleitungen mit Energie beliefert und die Schalter 5 und 6 der mit der Überwachungsemrichtung ausgerüsteten Speiseleitung seien beide offen. Unter diesen Umständen werden die Spannungswicklungen 16 und 18 von der Spannung in dem Netz 4 erregt; die Spannungswicklung 17 und die Stromwicklungen 22 sind unerregt. Die Netzspannung ist also größer als die Spannung in der Speiseleitung 7, die ja gleich

Null ist, und die Differenz zwischen der Netzspannung und der Speisespannung ist gleich der Netzspannung und ihr entgegengesetzt gerichtet. Infolgedessen ist der Kosinus des Winkels zwischen der Netzspannung und der erwähnten Differenzspannung negativ, so daß auf die Scheibe io ein Drehmoment in der Richtung wirkt, daß der Kontaktarm 11 sich gegen den Kontakt 21 legt. Hierbei wird jedoch der Stromkreis der Auslösespule 27 nicht geschlossen, da der Schalter 6 offen und infolgedessen der Auslösestromkreis an den Hilfskontakten 32 unterbrochen ist.

Wenn der Schalter 5 geschlossen wird, so wird der Speisetransformator 3 von dem Hochspannungsnetz 1 aus erregt. Hiermit erhält auch die Spannungswicklung 17, die an die Sekundärseite des Transformators 3 angeschlossen ist, Strom. Wenn nun die Spannung in der Speiseleitung 7 in einem bestimmten Verhältnis zur Netzspannung steht, beispielsweise, wenn sie etwas größer ist und sich im wesentlichen mit der Netzspannung in Phase befindet, so wird, wie bereits oben erläutert, durch die Wicklungen 16, 17 und 18 ein solches Drehmoment auf die Scheibe 10 ausgeübt, daß der Kontaktarm 11 sich von dem Kontakt 21 entfernt und sich gegen den Kontakt 20 legt. Hierdurch wird der Stromkreis der Einschaltspule 26 des Schalters 6 geschlossen und der Schalter 6 in die Einschaltstellung gebracht, so daß über die Speiseleitung 7 Energie in das Netz 4 fließen kann. Beim Schließen des Schalters 6 wird der Stromkreis der Einschaltspule an den Hilfskontakten 31 unterbrochen und der Schalter selbst durch die Klinke 29 in der Einschaltstellung verriegelt.

Wenn bei geschlossenem Schalter 6 Energie von der Speiseleitung 7 in das Netz 4 fließt, so besitzt der Strom in der Stromwicklung 22 eine solche Phasenlage gegenüber dem Strom in der Spannungswicklung 16, daß das auf die Scheibe 10 ausgeübte Drehmoment den Kontaktarm 11 in Berührung mit dem Kontakt 20 hält. Der Schalter 6 bleibt daher so lange geschlossen, wie Strom von der Speiseleitung in das Netz 4 fließt.

Es sei nun angenommen, daß der Schalter 5 geöffnet ist, so daß der Transformator 3 seinen Leerlaufstrom aus dem Netz 4 bezieht. Unter diesen Umständen kehrt sich die Stromrichtung in der Speiseleitung 7 und damit auch in der Stromwicklung 22 um. Die letztere erzeugt zusammen mit der Spannungswicklung 16 ein Drehmoment, welches die Relaisscheibe so bewegt, daß der Kontakt 20. geöffnet und der Kontakt 21 geschlossen wird. Hierdurch wird der Stromkreis für die Auslösespule 27 geschlossen und damit der Schalter 6 durch Auslösung der Sperrklinke 29 geöffnet. Nach dem Öffnen des Schalters wird der Auslösestromkreis wieder durch die Hilfskontakte 32 unterbrochen. Die Einrichtung wirkt in gleicher Weise, wenn sich die Stromrichtung in der Speiseleitung 7 infolge eines Defektes oder Kurzschlusses im Transformator oder in der Hochspannungsleitung 2 umkehrt.

Nachdem der Schalter 6 geöffnet ist, wiederholt sich das Spiel, wie oben beschrieben, d.h. er schließt sich wieder selbsttätig, wenn die Größe und Phase der Speisespannung derart ist, daß das auf die Triebscheibe ro ausgeübte Drehmoment ein Umlegen des Kontaktarmes 11 von dem Kontakt 21 auf den Kontakt 20 bewirkt.

Die bei dem Ausführungsbeispiel vorgesehene. Erdung der Spulen 17 und r8 sowie der Niederspannungswicklung des Transformators 3 ist auf die gewählte einphasige Darstellung zurückzuführen. Die Erdung ist jedoch zur Erzielung der angestrebten Wirkungsweise nicht erforderlich. Es kommt lediglich darauf an, daß die Wicklung 3 mit dem einen Pol des Netzes 4 verbunden ist und daß die Wicklungen 17 und r8 jeweils von den Spannungen der beiden Netze beeinflußt sind, derart, daß diese Wicklungen eine galvanische Verbindung der Pole des Schalters 6 nicht darstellen und ein galvanischer Stromfluß auch bei offenem Schalter 6 über die Relaiswicklungen nicht zustande kommt.

Ein derartiger galvanischer Stromfluß tritt dann auf, wenn der Vergleich der Spannungen der beiden Netzseiten durch unmittelbare Messung der Spannung an den Polen des Schalters 6 herbeigeführt ist, wie dies bei den bekannten Einrichtungen, bei denen un- i°° mittelbar zwischen die Schalterpole eine Spannungswicklung geschaltet ist, der Fall ist. Dieser Stromfluß hat zur Folge, daß der Transformator 3 auf seiner Hochspannungsseite auf eine gefährliche Spannung erregt wird. Diese Spannung kann derartige Werte annehmen, daß sie zu einer Gefährdung der an dem Transformator 3 oder in dem Netz 2 arbeitenden Menschen führt, die annehmen, daß der Transformator 3 spannungslos ist. Diese Gefahren werden dann beseitigt, wenn man die Ausbildung der Schutzeinrichtung nach dem Vorschlag der Erfindung wählt.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Überwachung ein- oder mehrphasiger elektrischer Wechselstromnetze mit mehreren- Speiseleitungen, welche mit Rückstrom abgeschaltet und selbsttätig eingeschaltet werden, gekennzeichnet durch ein Relais (9) für jede

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   Phase einer Speiseleitung (7), auf dessen Triebsystem (1 o) bei abgeschalteten:, Speiseleitung (7) die Speisespannung (in Spule 17) und die Netzspannung (in den Spulen 16 und 18), und bei eingeschalteter Speiseleitung (7) außerdem der Strom der Speiseleitung (in den Spulen 22) so einwirken, daß es nach Größe und Richtung der Differenz von Speisespannung· und Netzspannung in der einen Endlage den Einschaltstromkreis (11, 20, 31, 26) undnach der Richtung des Stromes in der Speiseleitung (7) in der anderen Endlage den Ausschaltstromkreis (11, 21, 32, 27) des Speiseleitungsschalters (6) steuert.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (9) als Ferrarisrelais ausgebildet ist, ,dessen Triebkerne (12, 15) mit differential geschalteten ■ Spannungswicklungen (16, 17 und 18) versehen sind, die von der Spannung in der Speiseleitung (7) einerseits und von der Spannung im Netz (4) andererseits erregt werden und derart zusammenwirken, daß auf die Triebscheibe (10) nur dann ein Drehmoment im Sinne der Einschaltung des Speiseleitungsschalters (6) ausgeübt wird, wenn die Speisespannung (1) größer ist als die Netzspannung (4), und dessen Triebkern (15) von dem Strom in der Speiseleitung erregte Wicklungen (22) besitzt, die zusammen mit den Spannungswicklungen (16) bei Energierückfluß vom Netz (4) in die Speiseleitung (7) auf die Triebscheibe (101 ein Drehmoment im Sinne der Ausschaltung des Speiseleitungsschalters (6) ausüben.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais einen zweischenkligen Triebkern (12) und einen dreischenkligen Triebkern (15) besitzt, von denen dererstere (12) auf jedem Schenkel eine von der Netzspannung erregte Wicklung (16) trägt, während der dreischenklige Kern (15) auf dem mittleren Schenkel eine gleichfalls von der Netzspannung erregte Wicklung (18) und eine dieser entgegenwirkende, von der Speisespannung erregte Wicklung (17) besitzt und auf den äußeren Schenkeln Stromwicklungen (22) trägt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen