DE640913C - Schutzanordnung zum schnellen selektiven Anzeigen von Impedanzaenderungen auf elektrischen Leitungen oder zum schnellen Abschalten fehlerhafter elektrischer Leitungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 15. JANUAR 1937

. REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE 68«o

©ipl-3ng. Otto Grebe in Berlin-Neukölln

auf elektrischen Leitungen oder zum schnellen Abschalten

fehlerhafter elektrischer Leitungen

Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. November 1931 ab

Infolge der fortschreitenden Verkupplung der Versorgungsnetze wird immer häufiger die Forderung nach kürzester Abschaltzeit bei Kurz- und Doppelerdschlüssen gestellt. Mit den heute gebräuchlichen Relais, deren Ansprech- und Ablauf organe meist getrennt sind und bei denen in der Regel das Ablauforgan aus einer elektrisch oder magnetisch beeinflußten, meist ziemlich komplizierten Kinematik besteht, ist dieser Forderung nur mit Einschränkung zu entsprechen.

Die vorliegende Anordnung stellt ein »Relais dar, das bei entsprechender Dimensionierung seines elektrischen und magnetischen

ig Teiles in kürzester Zeit und in genauer Einhaltung der Selektivität Kurzschlüsse, d.h. Impedanzänderungen signalisiert oder fehlerhafte Leitungen abschaltet, da es als einzigen bewegten Teil einen Anker besitzt, der nur

ao ganz kleine Wege (höchstens 2 mm) zurücklegt, und der eigentliche selektive Ablauf durch die zeit- und impedanzabhängige Änderung des resultierenden Relaisflusses oder -stromes erfolgt.

Das Prinzip wird an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Beispiele im folgenden erklärt.

Nach Abb. 1 wird ein polarisiertes Relais, dessen Eisenkern α und Wicklungsraum in Anbetracht der größeren Kontaktleistung und der auch bei schnellen Abschaltvorgängen in der Starkstromtechnik immer noch notwendig werdenden größeren Zeitkonstante des resultierenden magnetischen Flusses wesentlich kräftiger auszulegen ist als bei den in der Fernmeldetechnik schon seit langem verwandten polarisierten Relais, mit zwei Spulen versehen, die gegeneinander geschaltet werden.

An die eine Spule b wird eine Spannung gelegt, die der Netzspannung proportional ist, an die andere, c, eine Spannung, die der Größe des Leitungsstromes proportional ist. Diese Spannungen sind Gleichspannungen und werden bei Wechselstromleitungen durch Transformation und Gleichrichtung (Trocken-, Röhren- usw. -Gleichrichter) erhalten.

Bei Nennspannung und Betriebsstrom überwiegt der Fluß der Spannungsspule: der Relaisanker d wird also bei normalem Leitungszustand, z. B. bei Arbeitsstromauslösung, vom Auslösekontakt weggezogen. Bei Überstrom überwiegt im Endzustand der Fluß der Stromspule, und zwar um so mehr, je kleiner der Strom in der Spannungsspule ist, d. h. je näher das Relais sich an der Kurzschlußstelle befindet: der Relaisanker wird also bei fehlerhaftem Leitungszustand zum Kontakt hingezogen. Da der Kontaktweg nur

640

klein ist, spielt die Umschlagszeit des Ankers keine wesentliche Rolle.

Der Beginn der Ankerbewegung hängt ab

1. von der Größe der Zeitkonstante des resuitierenden Flusses, die annähernd gleich is der Summe der Zeitkonstanten der Spannungs-; und Stromspule,

2. von der Größe des sich entsprechend dem Überstrom und der an der Relaisstelle jeweils

ίο herrschenden Kurzschlußrestspannung einstellenden Endwertes des resultierenden Flusses.

Zu i. Der Ausgleichstrom beim Absinken des Flusses der Spannungsspule fließt in der gleichen Richtung wie der vor Eintritt des Kurzschlusses in der Spannungsspule fließende Strom und findet deshalb grundsätzlich in jeder Gleichrichterschaltung einen Kurzschlußweg. Die Zeitkonstante der Spannungsspule ist also bei Verlauf des resultierenden Flusses voll wirksam.

Je größer die Zeitkonstante des resultierenden Flusses ist, um so· später wird die Flußrichtung umschlagen und der Anker sich in Bewegung setzen.

Zu 2. Für ein ausgelegtes Relais ist die Zeitkonstante gegeben und bei -Vermeidung größerer Sättigung unabhängig von dem Fluß bei normalem Netzbetrieb, dem Vorbelastungsfluß, und von dem Fluß, der sich bei Überstrom einstellt. Der Eintritt der Flußrichtungsänderung und damit der theoretische Beginn der Ankerbewegung — zusätzliche Federn und Magnete können diesen Beginn beliebig verzögern — ist aber bei annähernd für jeden Netzbetriebszustand konstantem Vorbelastungsfluß — die der Spannungsspule entgegengerichtete Wirkung der Stromspule ist beim Nennstrom klein — abhängig von der Größe des jeweils sich einstellenden Flusses bei Überstrom, und zwar tritt sie um so früher ein, je größer dieser ist, d. h. je näher bei dem gleichen Überstrom das Relais an der Kurzschlußstelle liegt. Da der Übergang vom Vorbelastungsfluß zum resultierenden Fluß bei Überstrom angenähert nach einer e-Funktion erfolgt, die Abhängigkeit der Auslösezeit von der Differenz der beiden Flüsse — bei der hier vorliegenden Schaltung ist die Differenz gleich der Summe des Vorbelastungs- und Uberstromflusses — also eine logarithmische Abhängigkeit ergibt, ist es wegen des Zusammenhanges: Kurz-

,, _D. , Kurzschlußrestspannung

,.. schlußimpedanz = ==- -

^Sö Kurzschluß strom

möglich, eine logarithmische Abhängigkeit der Auslösezeit von der Kurzschlußimpedanz zu erhalten. Diese Abhängigkeit hat wegen des geringen Anstieges bei kleinen Kurzschlußimpedanzen den Vorteil, daß der Einfluß des sehr variablen Lichtbogenwiderstandes bedeutend kleiner ist als bei der oft als ideal bezeichneten geradlinigen Abhängigkeit, die ja in neueren Relaiskonstruktionen aus ,iclen gleichen Gründen schon verlassen

die gleiche Entfernung von der Kurzkönnen durch entsprechendes Abgleichen der Strom- und Spannungsspulen gegeneinander wegen der Proportionalität von KurzschlußrestspannungundKurzschlußstrom bei gleichbleibender Kurzschluß impedanz die Auslösezeiten fast unabhängig von der Größe des Kurzschluß stromes gemacht werden.

An sich ist eine derartige Stromunabhängigkeit der Auslösezeiten nicht nötig, wenn die Selektivität, d. h. die richtige Staffelung der Auslösezeiten auf jeden Fall gewahrt bleibt und durch die Stromabhängigkeit nicht gestört wird. Das ist bei dem vorliegenden Relais grundsätzlich der Fall und immer zu erreichen, und zwar verkürzen sich die untereinander immer richtig gestaffelten Auslösezeiten mit wachsendem Kurzschlußstrom.

Diese stromabhängige Eigenschaft des Relais kann man bei Knotenpunkten eines vermaschten Netzes mit mindestens drei zusam-* menstoßenden Leitungen dazu benutzen, das Energierichtungsrelais, das bei einfachen Leitungen nicht entbehrt werden kann, überflüssig zu machen, da die Grundzeiten des Relais dann ebenfalls stromabhängig werden um so kürzer sind, je größer der Kurzschluß der betreffenden abgehenden Leitung ist.

Begrenzt wird der Umfang der Stromabhängigkeit nur durch die Konstanten und früher stark wechselnden ölschalterabschaltzeiten, da die Differenz der Auslösezeiten zweier benachbarter Relais nie unter diesen Wert sinken darf. Da nun neuerdings, besonders in Amerika, sehr kleine und genau eingehaltene ölschalterzeiten erreicht wurden, wird man eine beschränkte, betrieblich günstige Stromabhängigkeit derRelaiszeiten mehr und mehr zulassen können.

Da erst die gleichgerichteten Wechselspannungen und -ströme die wirksame Differenz des Relaisflusses bilden, ist die Impedanzabhängigkeit praktisch nahezu unabhängig von dem Kurzschluß-cos φ des betreffenden Leitungsabschnittes.

Wie aus dem Dargelegten hervorgeht, sind bei dem beschriebenen Relais Ansprech- und Ablauforgan in ein und derselben Anordnung vereinigt. Das ergibt den besonderen Vorteil, daß das Ansprechorgan nicht den betreffenden Verhältnissen entsprechend auf Unterimpedanz oder auf Überstrom eingestellt zu werden braucht, der Ablauf erfolgt bei Überstrom und bei Unterimpedanz, wenn diese nur merklieh unter der Betriebsimpedanz liegt. Ferner fallen alle Zwischenkontakte weg, das

Relais erhält nur einen einzigen Auslösekontakt.

Die durch die einfache, in Abb. ι gegebene Anordnung erreichte Abhängigkeit der Relaiszeiten von der Kurzschlußimpedanz kann, wenn es die geforderte Charakteristik verlangt, entsprechend abgeändert werden dadurch, daß man entweder beispielsweise den Beginn derAnkerbewegung durch entsprechend

to bemessene Federn oder durch entsprechend dimensionierte spannungs- oder stromabhängige Zusatzspulen e, gemäß Abb. 2, verzögert oder den den Anker polarisierenden Fluß nicht wie bei der einfachen Anordnung nach Abb. 1 durch einen permanenten Magneten, sondern durch einen besonderen strom- oder spannungsabhängigen oder strom- und spannungsabhängigen Gleichfluß erzeugt^ wie er in Abb. 3 durch / gekennzeichnet ist, oder die Ablauf-

ao zeit der Ankerbewegung verlängert, indem man eine strom- oder spannungsabhängige oder strom- und. spannungsabhängige oder nur eine von der Ankergeschwindigkeit abhängige Dämpfung anbringt.

Die vorstehend beschriebenen Relaiseigenschaften — insbesondere die logarithmische Abhängigkeit der Relaiszeiten von der Kurzschlußimpedanz, die Vereinigung von Ansprechend Ablauforgan ·— kann man auch mit einem einfachen, nicht polarisierten, entsprechend konstruierten Klapp-, Tauch-, usw. -Ankerrelais nach Abb. 4 erreichen, bei dem wie oben Strom- und Spannungsspule gegeneinander (bei einem Anzugsrelais) oder aber auch in gleicher Richtung (bei einem Abfallrelais) wirkend geschaltet werden. Je nach der Größe der Strom- -und Spannungsspule und deren Schaltung zueinander und je, nachdem ob ein Anzugs- oder Abfallanker verwandt werden soll, sind Zusatzfedern oder strom- oder spannungsabhängige Zusatzspulen (Abb. 5) anzubringen, die zum Teil die Funktion mitübernehmen müssen, die bei dem polarisierten Relais der Dauermagnet versieht.

Man kann auch statt der oben beschriebenen Flußauslösung eine Stromauslösung nach Abb. 6 wählen, indem man die Strom- und Spannungsspulen auf einen vollkommen geschlossenen Eisenkern g bringt und den resultierenden Strom beider Spulen zum Anzeigen bzw. zum Auslösen der fehlerhaften Leitungen benutzt. Dieser gemeinsame Strom verläuft wie der resultierende Fluß beider Spulen. Die Auslösung kann wie oben entweder durch ein polarisiertes Relais erfolgen, dann sind Strom-und Spannungsspulen gegeneinander (Anzugrelais) geschaltet, erst bei Stromrichtungsänderung kann die Auslösung erfolgen, wenn nicht Zusatzeinrichtungen ähnlich denen in Abb. 2 und 3 angeführten, diese verzögern — oder durch ein nicht polarisiertes Relais bei beliebiger Schaltung von Strom- und Spannungsspulen- (je nachdem ob Anzug- oder Abfallrelais) und entsprechend Abb. S gewählten Zusatzspulen, die entweder 6g auf den Anker des Stromrelais oder direkt auf den Stromrelaiskern wirken können.

Gemeinsam bleibt sämtlichen Ausführungen, daß

ι. Ansprech- und Ab lauf organ in der gleichen Anordnung vereinigt sind, so daß das Relais nicht besonders auf Ansprechen bei Überstrom oder Unterimpedanz eingestellt zu werden braucht,

2. der Ablauf des Relais nicht mechanisch erfolgt, sondern in der Hauptsache durch die entsprechend der Zeitkonstanten des Spulensystems zeitabhängige und der Impedanzänderung der Leitung proportionale resultierende Fluß- oder Stromänderung bewirkt wird — nur gegebenenfalls kann eine bei den kleinen Kontaktwegen in der Gesamtablaufzeit nicht stark bemerkbare Beeinflussung der Ankerbewegung, wie oben beschrieben, vorgesehen werden,

3. im Relais nur gleichgerichtete Wechselströme fließen, wodurch der Ablauf unabhängig vom cos φ der Impedanz wird.

"4. nur ein einziger Betätigungskontakt vorhanden ist. go

Der Anschluß der Spannungsspule erfolgt bei Wechselstrom über einen Spannungswandler, gegebenenfalls über einen weiteren Transformator und eine Gleichrichteranordnung, der Anschluß der Stromspule liegt an einem als Spannungsteiler wirkenden Belastungswiderstand, über den der Stromwandlerstrom fließt. Dabei kann die Gleichrichteranordnung vor dem Belastungswiderstand liegen, wenn man bei beliebiger Gleichrichtercharakteristik einen dem Wandlerstrom immer proportionalen Spulenstrom erreichen will, oder sie kann hinter dem Belastungswiderstand in den Zuführungen zur Spule angebracht werden, wenn man die Gleichrichtercharakteristik zur Wirkung kommen lassen will oder wenn diese schon genügend geradlinig ist. Als Belastungswiderstand können im letzten Fall ohne weiteres die Impedanzen der an den Stromwandler angeschlossenen Meßgeräte angesehen werden, wenn diese nur kurzschlußfest sind, so daß man sich einen besonderen Belastungswiderstand sparen kann.

Da als hauptsächliche Anwendung der vorstehend geschilderten Anordnung das selektive Abschalten von Kurzschlüssen oder das selektive Signalisieren großer Impedanzänderungen beabsichtigt ist, wurde die Erklärung des Prinzipes an Hand dieser Anwendung gegeben. Bei anderer Dimensionierung der An-Ordnung ist sie ohne weiteres imstande, auch kleinere und kleinste Impedanzänderungen zu

signalisieren und dadurch ihren Anwendungsbereich auf mannigfache Aufgaben der Stark- und Schwachstromtechnik zu erweitern.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Schutzanordnung zum schnellen selektiven Anzeigen von Impedanzänderungen auf elektrischen Leitungen oder zum

   ίο schnellen selektiven Abschalten fehlerhafter elektrischer Leitungen, gekennzeichnet durch ein Impedanzzeitrelais, das aus einem Eisenkern mit zwei Erregerspulen besteht, von denen die eine von einem der Netzspannung proportionalen Gleichstrom und die andere von einem dem Netzstrom proportionalen Gleichstrom durchflossen wird, und die derart geschaltet und auf dem Eisenkern angeordnet sind, daß der von ihnen erzeugte resultierende Fluß oder der diesem resultierenden Fluß entsprechende resultierende Strom sich mit der Impedanz der Leitung, und zwar mit einer von der Zeitkonstanten der Spulensysteme und von dem nach der Impedanzänderung eintretenden Endwert des resultierenden Flusses oder Stromes abhängigen Verzögerung ändern.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht polarisiertes Anzugs- oder Abfallrelais mit einer Strom- und einer Spannungsspule versehen wird und sein Eisenkern und Wicklungsraum sowie der Ankerweg entsprechend der jeweils notwendigen Zeitkonstante dimensioniert werden (Abb. 4).
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein polarisiertes Anzugs- oder Abfallrelais mit einer Strom- und einer Spannungsspule versehen wird, dessen Eisenkern und Wicklungsraum sowie Ankerweg entsprechend der jeweils notwendigen Zeitkonstante dimensioniert werden und dessen polarisierender Fluß von einem Dauermagnet erzeugt wird (Abb. 1).
4. 4. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Ansprechcharakteristik der polarisierende Fluß von besonderen strom- oder spannungsabhängigen oder strom- und spannungsabhängigen Elektromagneten erzeugt wird, deren Zeitkonstante beliebig gewählt werden kann (Abb. 3).
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Strom- und Spannungsspule auf einem geschlossenen, entsprechend der verlangten Zeitkonstanten dimensionierten Ei senkern aufgebracht werden und die Auslösung durch ein besonderes, nicht polarisiertes oder polarisiertes Stromrelais dadurch erfolgt, daß man dieses Relais der Wirkung des resultierenden Stromes der Strom- und Spannungswicklung aussetzt (Abb. 6).
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der durch die gewählte Spulenanordnung gegebenen Ansprechcharakteristik strom- oder spannungsabhängige oder strom- und spannungsabhängige Zusatzmagneten (e) zur Beeinflussung des Ansprechens des Ankers angebracht werden, deren Zeitkonstante beliebig gewählt werden kann (Abb. 2 und S). 7§
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Änderung der durch die gewählte Spulenanordnung und durch gegebenen fall s angeordnete Zusatzmagnete gegebenen Ansprechcharakteristik eine strom- oder spannungsabhängige oder strom- und spannungsabhängige oder eine nur von der Ankergeschwindigkeit abhängige Dämpfung der Bewegung des Ankers angebracht wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen