DE638468C - Auf fehlerhafte Belastungsaenderungen ansprechendes impedanzabhaengiges Differentialrelais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Relais, welches die innerhalb gewisser Grenzen erfolgenden Änderungen der Belastung innerhalb eines Dreiphasennetzes, in welchem die Belastung in offener V-Schaltung angeschlossen ist, an-, zeigt. Ist z. B. ein Netzteil einer bestimmten normalen Belastung ausgesetzt, z. B. der Belastung durch eine bestimmte Anzahl von Lampen für Straßenbeleuchtung, und ändert sich die Belastung in einer der Phasen, indem z. B. eine der Lampen erlischt, so soll das Relais infolge der geänderten Stromstärke sofort einen Ausschlag geben und die Überwachungsstation warnen. Das Relais muß daher so ausgebildet sein, daß es kleine Belastungsschwankungen anzeigt, die in vielen Fällen nur 2% oder weniger der gesamten Belastung des betreffenden Netzteiles sind.
Es ist allerdings möglich, daß Spannungsänderungen in nur einer Phase entstehen, die nicht von Änderungen der Belastung herrühren. Bei solchen Spannungsänderungen soll das Relais nicht ansprechen, wenn die Belastung überwacht werden soll. Es kommt bekanntlich bei jeder Anlage vor, daß die Netzspannung in der Kraftstation sich im Laufe des Tages ändert. Falls sie z. B. um 10 % ansteigt, so wird sie in dem belasteten Netzteil entsprechend ansteigen, aber im allgemeinen ändert sich der Widerstand der Belastung dabei gleichzeitig.

In gewöhnlichen hochgespannten Metallfadenlampen für 500 Watt steigt der innere Widerstand bei einer 10% höheren Spannung um etwa 5°/o an, weil der Widerstand des Metallfadens mit steigender Temperatur wächst. Bei Erhöhung der Spannung wird folglich der Widerstand der Belastung in diesem Falle um etwa 5% ansteigen, woraus folgt, daß die Stromstärke in dem belasteten Netzteil etwa um 4,5% ansteigen wird, und zwar obwohl fortwährend dieselbe Anzahl Lampen brennt. Auf Änderungen dieser Art soll deshalb das Relais nicht ansprechen. Es muß, mit anderen Worten, spannungskompensiert sein, und die Kompensation wird sich nach der Widerstands- 4-5 charakteristik derjenigen Apparate richten, welche den Netzteil belasten. Während nämlich diese Charakteristik bei Metallfadenlampen mit der Spannung ansteigt, so ist sie z. B. bei Kohlenfadenlampen abnehmend. Ferner soll das Relais für Temperaturänderungen kompensiert sein. Endlich soll es für verschiedene normale Belastungen einstellbar sein, um Kontakt zu geben, sobald sich der Strom wegen Schwankungen in der Belastung oder wegen Kriechströme in den Leitungen um einen bestimmten Wert ändert.

Nach der Erfindung ist das Relais als zweiphasiges, impedanzabhängiges Differentialrelais ausgeführt, zweckmäßig indem es als ein

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Differentialmotor„ oder - .-scheibe nach dem Ferrarisprinzip -ausgebildet*'⁴ ist, wobei erfindungsgemäß - -die- beweglichen Glieder des, Relais unter dem Einfluß von zwei entgege^; gesetzt gerichteten Momenten stehen, -¹-■**■■

eines abhängig von dem Verhältnis zwische^

Spannung und Strom bei den zwischen der ge-'^ä meinsamen Phase T' und der zweiten Phase R geschalteten- Belastungsapparaten und deren ίο anderes abhängig von dem Verhältnis zwischen Spannung und Strom bei den zwischen der gemeinsamen Phase T und der dritten Phase S geschalteten Belastungsapparaten ist, so daß das Relais bei einer eintretenden Impedanzänderung zur Wirkung kommt, welche aus einer unabsichtlichen Änderung in den zwischen zwei der Leitungen eingeschalteten Belastungsapparaten herrührt. Es ist mit Einstellvorrichtungen versehen, um den wirkenden Impedanzwert derart ändern zu können, damit das Relais für bestimmte Belastungen in denjenigen Leitungen, vor welchen es eingeschaltet ist, ausgeglichen werden kann. Wenn dann das bewegliche Glied des Differentialimpedanzrelais unter dem Einfluß eines mechanischen Widerstandes steht, welcher mit der Bewegung oder Geschwindigkeit des beweglichen Gliedes in der einen oder anderen Richtung ansteigt, so wird das Relais seine Kontakte schließen, wenn die Resultierende der auf das bewegliche Glied wirkenden Kräfte eine bestimmte Grenze übersteigt, welche man mittels des genannten Widerstandes oder auch durch Einstellung des festen Kontaktes zu dem auf dem beweglichen Glied angebrachten oder von ihm bewegten anderen Kontakte regem kann.

Falls ein Ferrarismotor benutzt wird, wird dieser nach Einstellung bzw. Ausgleich des Relais für normale Belastung stillstehen, solange die Belastung ganz normal ist. FaEs dagegen die Belastung infolge eines Fehlers um einen gewissen Betrag sinkt, wird der Motor mit einer dementsprechenden Geschwindigkeit in Gang kommen und kann dann beispielsweise mittels einer Schleudervorrichtung den Warnungskontakt schließen.

Im folgenden soE eine Ausführungsform des Relais beschrieben werden, und zwar eine nach dem Ferrarisprinzip.

Fig. ι zeigt schaubildlich die verschiedenen Teile des Relais, wobei der Anschluß an das Netz bzw. die Belastung des betreffenden Netzteiles weggelassen ist.

Fig. 2 zeigt ein entsprechendes Schaltungsschema.

In Fig. 2 sind die drei Spannungsleitüngen • links gezeigt. Sie sind durch den Schalter B mit den zum Netzteil führenden drei Phasenleitungen .R, S und T verbunden. In dem Schema be-.60 zeichnet überall / einen gemeinsamen Anschaliungspunkt oder Rahmen des Relais oder Erde.

Das Differentialrelais ist in der gezeigten Ausführungsform ein Ferrarisrelais, dessen Antiker aus zwei Metallscheiben 1 und 2 besteht. Scheiben sind in ihren Ebenen drehbar i' sind durch eine Welle 49 miteinander fest Die Welle ist an einem Torsions-

'fäden 3 befestigt, welcher zwischen zwei Blattfedern 4 eingespannt ist und den mechanischen Widerstand bildet, welcher mit Ausschlag in der einen oder anderen Richtung von der Ruhestellung ansteigt.

Die Metallscheibe 1 wird von den Kraftlinien in den Magnetkreisen 5 und 6 geschnitten, in deren Luftspalten 7 und 8 sich die Metallscheibe befindet. Die Magnetkreise 5 und 6 werden durch gleich große Stromspulen 9 und 10 erregt, welche bei 112 und 113 bzw. in und 110 an die Phasen R bzw: S in der Dreiphasenleitung R, S, T angeschlossen sind, welche zu dem belasteten Netzteil führen, in dem die Belastung in offener V-Schaltung angeschlossen ist. Die Felder durch die Metallscheibe 1 werden in zwei Teile aufgeteilt. Der eine Teil wird in an sich bekannter Weise im Verhältnis zum anderen durch Kurzschlußspulen 11 bzw. 12 phasenverschoben. Der Kurzschluß geschieht über Widerstände 21 bzw. 22, welche die Klemmen 102 bzw. 108 mit Erde verbinden. Infolgedessen wird die Metallscheibe 1 durch zwei entgegengesetzt wirkende Drehmomente beeinflußt, welche sich im Gleichgewicht halten, wenn die Stromspulen 9 und 10 gleich stark belastet werden.

Falls die Belastung in einer Phase aus irgendeinem Grunde sich ändert (z. B. wegen Durchbrennen einer Lampe), ändert sich der durch die entsprechende. Stromspule fließende Strom, und der Gleichgewichtszustand des Systems wird gestört. ior

Es können indessen in einer Phase Spannungsschwankungen vorkommen, welche nicht in Zusammenhang mit Belastungsschwankungen in derselben stehen. Derartige Spannungsschwankungen wurden selbstverständlich auch das Gleichgewicht im System stören. Da man derartige Störungen ebensowenig wie Schwankungen in der Netzspannung zu registrieren wünscht, sind Magnetkreise 13 und 14 mit Luftspalten 15 und 16 angebracht, in welchen sich die Metallscheibe 2 befindet. Die Magnetkreisewerden durch die gleich großen Spannungsspulen 17 und 18 erregt, welche an die drei Phasenleitungen des Netzteiles in offener V-Schaltung bei 104, 105 bzw. 105, 106 angeschlossen sind. Die Amperewindungszahl dieser Spannungsspulen und der Stromspulen ist der Änderung des elektrischen Widerstandes der Belastung (z. B. von brennenden Lampen) angepaßt, welche bei Änderungen in der Netzspannung eintritt, so daß die Wirkung der Spannungsschwankungen auf die Drehmomente

der Relais möglichst gleich und entgegengesetzt der Wirkung der gleichzeitig eintretenden Stromschwankungen auf die Drehmomente wird. Die Felder durch die Metallscheibe 2 werden auch hier in zwei Teile aufgeteilt. Der eine Teil wird im Verhältnis zum anderen durch die Kurzschlußspulen 19 und 20 phasenverschoben. Der Kurzschluß geschieht über Widerstände 23 bzw. 24, welche die Klemmen 103 bzw. 107 mit Erde / verbinden. Die Metallscheibe 2 wird dadurch von entgegengesetzten Drehmomenten beeinflußt, welche, wenn den Spannungsspulen gleich große Spannungen aufgedrückt werden, sich im Gleichgewicht halten.

Dasjenige Drehmoment, welches durch eine Stromspüle einer Phase erzeugt ist, ist außerdem auf dasjenige Drehmoment abgestimmt, welches durch die Spannungsspule derselben Phase erzeugt und derart angeordnet ist, daß die zwei Drehmomente sich entgegenwirken. Das System ist im Gleichgewicht. Die Änderungen in der Spannung einer Phase werden jetzt durch entsprechende Änderungen in der Stromstärke der Phase kompensiert, so daß das Relais spannungskompensiert ist.

Die Spannungsspulen 17 und 18 werden an das Netz vor dem Schalter B angeschlossen, welcher die Belastung des Netzteils einschaltet, und stehen somit immer unter Spannung. Die Spulen sind ständig warm, und Widerstandsschwankungen in der Wicklung auf Grund von Temperaturschwankungen werden vermieden. Bei den Stromspulen 9 und 10 sind eventuelle Widerstandsschwankungen infolge von Temperaturschwankungen von geringer Bedeutung, da die Amperewindungszahl für diese Spulen im wesentlichen von der Belastung des Netzteils und nicht von dem Widerstand der Stromspulen abhängig ist. Damit die induzierten Ströme in den Kurzschlußspulen ir, 12, 19 und 20 sich mit Temperaturschwankungen in den Spulen nicht ändern, sind in Reihe mit diesen die schon erwähnten äußeren Widerstände 21 bzw. 22, 23 und 24 geschaltet. Dadurch ist das Relais im erforderlichen Maße temperaturkompensiert.

Um das Relais regeln zu können, so daß es bei ungleichen Belastungen in den zwei Phasen verwendbar ist, sind regelbare Widerstände 25 und 26 angebracht, deren Spulen 27 bzw. 28 in Nebenschluß zu den Stromspulen 9 bzw. 10 angeordnet sind. Diese regelbaren Widerstände sind hier als induktive Widerstände ausgeführt.

Widerstandsänderungen werden durch Änderung der magnetischen Leitfähigkeit in den Magnetkreisen der entsprechenden Spulen ausgeglichen, und zwar durch Verschiebung von Eisenkörpern 29 bzw. 30. Durch diese Regelungsweise werden Ubergangswiderstände infolge schlechter Kontakte vermieden, was bei Anwendung von regelbaren Ohmschen Widerständen leicht vorkommen kann. Außerdem kann die Regelung stufenlos gescheh§p._ .. _v;, ^- ;_._jtiii .'.' Die Enden der Kurzschlußspule 11, 12, 19, ••20 bzw. 102, 108, 103, 107 sind durch Leitungen 114 bzw. 115, 116, 117 zur Kontaktklemme 32 bzw. 34, 31, 33 an der Vorderseite des Relais herausgeführt. Außerdem ist eine mit Erde verbundene Klemme 35 angebracht. Mit einem tragbaren Wattmeter kann dann der Kontrolleur die Spannungen an den Kurzschlußspulen messen, und mittels der Regelwiderstände 25 und 26 kann das Drehmoment der .Stromspulen in Gleichgewicht mit dem Drehmoment der entsprechenden Spannungsspulen gebracht werden.

Um das drehbare System richtig zu den Luftspalten 7, 8,15 und 16 einstellen zu können, sind die Blattfedern 4 mit Stellschrauben 36 versehen. Mittels dieser Schrauben kann das drehbare System zu den Luftspalten gehoben oder gesenkt werden, und gleichzeitig kann dem Torsionsfaden 3 eine passende Vorspannung erteilt werden.

Das drehbare System muß eine bestimmte Stellung einnehmen können, wenn die Metallscheiben i, 2 von den Drehmomenten nicht beeinflußt werden sollen. Der Torsionsfaden 3 ist deshalb an Hülsen 37 befestigt, welche durch Stellhebel 38 in den Blattfedern 4 drehbar sind.

Ist das Relais belastet und bei 29, 30, 36 und 38 eingestellt worden, so werden normalerweise die vier Drehmomente, welche das bewegliche System beeinflussen, dasselbe im Gleichgewicht halten. Falls die Summe derjenigen beiden Drehmomente, welche in einer Richtung wirken, größer wird als die Summe der in entgegengesetzter Richtung wirkenden Momente, so dreht sich das System, bis die Torsionskraft des Fadens, welche einen ansteigenden Widerstand gegen die Bewegung ausübt, so groß wird, daß sie den Drehmomentüberschuß aufhebt. Ist dieser größer als ein gewisser Wert, welcher durch die Schraube 35 eingestellt wird, so wird ein Kontakt 39 am drehbaren System einen Alarmstromkreis über verstellbare Kontaktfedern 40 (welche durch Leitung 118 mit der Klemme 101 verbunden sind) schließen und anzeigen, daß eine nicht gewünschte Belastungsänderung eingetreten ist.

Das Relais soll eine gewisse unsymmetrische Belastung zulassen, ohne daß der Alarmstromkreis geschlossen wird, während man für eine bestimmte weitere Vergrößerung der unsymmetrischen Belastung eine sichere Schließung des Alarmkontaktes verlangt. Dies wird durch VersteEung der Kontaktfedern 40 geregelt und durch Vergrößerung der Belastung durch die Widerstände 41, 42, 43 und 44 kontrolliert,

welche mittels Druckknöpfe; 45, 46, 47 und 48 nacheinander eingeschaltet werden.

Drückt man den Knopf 45, so wird die Belastung dadurch erhöht, daß der Widerstand 41 durch die Leitung 119 und über die mit Leitung T verbundene Klemme 109 parallel zu der äußeren Belastung in der Phase R geschaltet wird. Die Alarmkontakte 39 und 40 sollen dann geschlossen werden. Drückt man den Knopf 46, so wird die Belastung dadurch erhöht, daß beide Widerstände 41 und 42, welche in Reihe geschaltet sind, parallel zu der äußeren Belastung in der Phase R geschaltet werden. Die Alarmkontakte 39 und 40 sollen dann nicht geschlossen werden. Die andere Phase S wird in entsprechender Weise über Leitung 120 und Klemme 109 durch die Druckknöpfe 47 und und die Widerstände 43 und 44 überwacht.

Es steht natürlich nichts im Wege, daß alle vier Spulen 9, 10, 17, 18 auf eine und dieselbe Metallscheibe 1 oder 2 wirken, falls diese hinreichend groß gemacht wird. Die Scheibe kann in Spitzenlagern gestützt werden, und der mechanische Widerstand gegen den Ausschlag aus der Ruhestellung kann aus einer oder zwei Federn bestehen.

Claims (11)

1. Patentansprüche:

   i. Auf fehlerhafte Belastungsänderungen ansprechendes impedanzabhängiges Differentialrelais in einem Dreiphasennetz (RST), in welchem die Belastung in offener V-Schaltung angeschlossen ist (d. h. zwischen die Leitungen R und T und zwischen 5 und T, jedoch nicht zwischeni? und S), dadurch gekennzeichnet, daß die bewegten Glieder (1, 2) des Relais unter dem Einfluß von zwei entgegengesetzt gerichteten Momenten stehen, deren eines abhängig von dem Verhältnis zwischen Spannung und Strom bei den zwischen der gemeinsamen Phase (T) und der zweiten Phase (R) geschalteten Belastungsapparaten und deren anderes abhängig von dem Verhältnis zwischen Spannung und Strom bei den zwischen der gemeinsamen Phase (T) und der dritten Phase (5) geschalteten Belastungsapparaten ist, so daß das Relais bei einer eintretenden Impedanzänderung zur Wirkung' kommt,

   welche aus einer unabsichtlichen Änderung in den zwischen zwei der Leitungen eingeschalteten Belastungsapparaten herrührt.
2. 2. Differentialrelais nach Anspruch 1 mit zwei in entgegengesetzten Richtungen auf eine Ferrarisscheibe oder dergleichen wirkenden Stromspulen, und zwar einer für jede der zwei Phasen, deren Belastung zu kontrollieren ist, gekennzeichnet durch die Anordnung von Regelimpedanzen (25,26) für jede der Stromspulen (9 bzw. 10) in Parallelschaltung mit diesen, um den auf das Relais wirkenden Impedanzwert derart verändern zu können, daß das Relais für bestimmte verschiedene Belastungen in denjenigen Leitungen, vor welche es eingeschaltet ist, ausgeglichen werden kann.
3. 3. Differentialrelais nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelimpedanzen (25, 26) als Induktivitäten ausgebildet sind.
4. 4. Differentialrelais, nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet durch die Anordnung von Magnetkreisen in Verbindung mit einstellbaren Eisenkörpern (29 bzw. 30) für eine in Parallelschaltung mit den Stromspulen (9 bzw. 10) geschaltete Erregungswicklung (27 bzw. 28).
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet " durch die Anordnung von zwei in entgegengesetzten Richtungen auf die Ferrarisscheibe wirkenden Spannungsspulen (17, 18), und zwar einer Spule in jeder der zwei Phasen, deren Belastung zu überwachen ist.
6. 6. jDifferentialrelais nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Stromspulen undjSpannungsspulen im Verhältnis zueinander derart angepaßt sind, daß das durch die Stromspule jeder Phase erzeugte Drehmoment dem durch"f diefSpannungsspule derselben Phase erzeugten Drehmoment entgegenwirkt, um das Relais — nachdem es bei einer bestimmten normalen Belastung auf Gleichgewicht zwischen den zwei Paaren Drehmomenten eingestellt worden ist — für Spannungsschwankungen in dem ganzen Dreiphasensystem unbeeinflußbar zu machen.
7. 7. Differentialrelais nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amperewindungszahl der Spannungsspulen und Stromspulen der Änderung des elektrischen Widerstandes der Belastung (z. B. brennender Lampen) angepaßt ist, welcher bei Schwankungen in der Netzspannung eintritt, so daß die Wirkung der Spannungsschwankungen auf die Drehmomente des Relais möglichst gleich und entgegengesetzt der Wirkung der gleichzeitig eintretenden Stromschwankungen auf die Drehmomente wird.
8. ■ 8. Differentialrelais nach Anspruch 1, 2 und 5, bei welchem das Feld jeder Spule durch die Ferrarisscheibe in zwei Teile aufgeteilt ist, welche im Verhältnis zueinander 1x5 durch eine im Magnetkreis der Spule angeordnete Kurzschlußspule phasenverschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jeder Kurzschlußspule (11, 12 und 19, 20) zwei äußere Widerstände (21 bzw. 22 und 23 bzw. 24) derart geschaltet sind, daß das Relais temperaturkompensiert ist.
9. 9· Differentialrelais nach Anspruch ι, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden jeder Kurzschlußspule (ii, 12 und 19, 20) einerseits mit einer Kontakthülse (32 bzw. 34 und 31 bzw. 33) und andererseits mit einer gemeinsamen Kontakthülse (35) verbunden sind, um die Spannungen an den Spulen mittels eines Voltmeters messen zu können.
10. 10. Differentialrelais nach Anspruch 1 oder ι und folgenden, gekennzeichnet durch die Anordnung von festen Widerständen (41, 42 bzw. 43, 44) und Vorrichtungen, die den einen (41 bzw. 43) oder beide reihengeschaltet mit einer der belasteten Phasen (R bzw. S) parallel schalten, um die Unempfindlichkeitsgrenze für die Kontaktschließung zu überwachen.
11. 11. Differentialrelais nach Anspruch 1 oder ι und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsspulen vor dem Hauptschalter (B) des betreffenden belasteten Netzteiles angeschlossen sind, während die Stromspulen hinter dem Schalter angeschlossen sind.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen