DE643585C - Erdschlussschutzeinrichtung - Google Patents

Description

Tritt in einem Generator ein Erdschluß auf, so darf, wenn erhebliche Zerstörungen im Generator vermieden werden sollen, der Erdschlußstrom auch in der Zeit, welche bis zum Ansprechen der Schutzeinrichtung vergeht, bestimmte Werte nicht überschreiten. Infolgedessen muß die Erdschlußschutzvorrichtung schon auf einen genügend kleinen Erdschlußstrom ansprechen. Wenn dieser, wie es bei großen Generatoren meist der Fall ist, nur einen sehr kleinen Bruchteil der Nennstromstärke beträgt, machen sich aber die unvermeidlichen Verschiedenheiten der in Unsymmetrieschaltung zusammengeschlossenen Stromwandler störend bemerkbar, so daß auch unter dem Einfluß normaler Belastungsströme ein im Sinne der Auslösung wirkender Strom im wattmetrischen Erdschlußrelais zustande kommen und bei Erdschluß außerhalb des - Schutzgebietes die Auslösung herbeiführen kann.

Bei einem Drehstromgenerator bewegt sich dieser sekundäre Falschstrom der drei in Unsymmetrie geschalteten Stromwandler, die vor den Klemmen des Generators meist in der Nähe des zugehörigen Leistungsschalters liegen, entsprechend der üblichen VDE-Klassengenauigkeit der Wandler in der Größenordnung von etwa 0,5 °/₀ des sekundären Gesamtstromes. Im allgemeinen steigt der Falschstrom der Wandlergruppe angenähert geradlinig mit der Strombelastung des Generators, wobei der Bereich von Null bis Dauerkurzschlußstrom in Frage kommt. Zur Sicherung der Selektivität des Erdschluß-Schutzes ist daher der größtmögliche sekundäre Falschstrom bei primärem Dauerkurzschlußstrom und bei einem Fehler außerhalb des Schutzbereiches ins Auge zu fassen und dafür zu sorgen, daß dieser Falschstrom keine Fehlauslösung herbeiführt. Der Dauerkurzschlußstrom beträgt hierbei gewöhnlich etwa das Doppelte des Nennstromes des Generators bzw. des primären Nennstromes der Stromwandlergruppe in Unsymmetrieschaltung. Die ,Falschströme sind also zweckmäßig auf den doppelten sekundären Nennstrom (S Amp.) eines Wandlers in Unsymmetrieschaltung zu beziehen. Der größtmögliche und schädliche Falschstrom in einem Erdschlußrelais für Generatorenschutz beträgt demnach also ungefähr 0,5 °/o von 10 Amp., d. h. etwa 50 mA.

Man könnte bei Verwendung von wattmetrischen -Erdschlußrelais der schädlichen Wirkung derartiger Falschströme durch passende Verfügung über die Verteilung und Bemessung der Nullpunktserdungswiderstände entgegenwirken, ohne daß der Erdschlußstrom für den Generator verderbliche Werte annimmt.

Nach der Erfindung werden die Falschströme durch geeignete Schaltungen von

'") Von dem Patetitsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Alexander von Schaubert in- Berlin.

Stromwandlern, Spannungswandlern und Relais unschädlich gemacht, wobei der Erdungswiderstand eines jeden Generators lediglich in Rücksicht auf die Betätigung seines eigenen wattmetrischen Erdschlußrelais, dagegen ohne Rücksicht auf die Betätigung anderer Generatoren bemessen werden kann. Zu diesem. Zweck werden der einen Spule eines wattmetrischen Erdschlußrelais die Unsymmetrieströme vor und hinter der zu schützenden Maschine in Differentialschaltung so zugeführt, daß im Erdschlußfalle der Unsymmetriestrom hinter dem Generator, d. h. der Strom der Xullpunktsverbindung im Sinne »5 der Auslösung, dagegen der Unsymmetriestrom vor dem Generator bei Erdschluß außerhalb des Schutzbereiches gegen die Auslösung wirkt, wobei erfindungsgemäß die Verhältniszahlen zwischen den Strömen im Relais so und den entsprechenden Primärströmen so gewählt sind, daß im Falle eines äußeren Erdschlusses eine Wirkung gegen die Auslösung übrig bleibt, welche einem bei belasteter Maschine etwa entstehenden, im Auslösers sinne wirkenden Falschstrom entgegenwirkt. Es ist zwar bekannt, bei einer Differential-Schutzeinrichtung, bei der die Phasenströme vor und hinter einem zu schützenden Generator miteinander verglichen werden, das Übersetzungsverhältnis der Wandler ungleich zu wählen. Dadurch wird die Empfindlichkeit von dem Belastungsstrom abhängig gemacht. Bei sehr hohem Belastungsstrom wird die Empfindlichkeit anders als bei kleinem Belastungsstrom. Bei der Erfindung handelt es sich dagegen um eine Schutzeinrichtung, bei der der Strom von in Unsymmetrieschaltung liegenden Wandlern in der Sammelschienenverbindung eines Generators und der Strom der Erdverbindung dieses Generators wirksam ist, also um eine Schutzeinrichtung, bei der ausschließlich die Erdschluß ströme das Relais speisen. Infolgedessen braucht auf etwa gleichzeitig auftretende hohe Belastungsströme keine Rücksicht genommen zu werden. Die Gewinnung der Unsymmetrieströme in Holmgreenschaltung der Stromwandler bringt jedoch die Gefahr mit sich, daß die Summe der Stromwandlerströme selbst dann, wenn kein Erdschluß vorhanden ist, von XuIl abweicht und daher in der Relaiswicklung ein Erregerstrom auftritt. Dieser ist auf Ungleichheiten in den in Summenschaltung liegenden Wandlern zurückzuführen. Es wird nun nach der Erfindung das Übersetzungsverhältnis des in der Erdverbindung liegenden Stromwandlers von dem in der Summenschaltung liegenden so we'it voneinander abweichend gemacht, daß im Falle eines äußeren Erdschlusses eine Wirkung gegen die Auslösung übrig bleibt, welche einem bei belasteter Maschine etwa entstehenden, im Auslösesinne wirkenden Falschstrom entgegenwirkt. Da nur bei einem Erdschluß überhaupt das wattmetrische Relais zum An- -sprechen kommen kann und durch die erfin-'duhgsgemäße Ausbildung diejenigen Erd-• schlußfälle, bei denen ein Ansprechen vermieden werden soll, zu einer Relaisbetätigung nicht führen können, sind Fehlauslösungen auf alle Fälle ausgeschlossen.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt. Abb. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. In ihr bedeutet ι den zu schützenden Generator, welcher auf die Sammelschienen 2 arbeitet. Er ist mit dem bekannten Differentialschutz, bestehend aus den beiden Stromwandlersätzen 17, 18, 19 und 20, 2\, 22 sowie dem Differentialrelais 23, versehen. Der Generator 1 ist über den Widerstand 30 geerdet. Die Nullpunktsspannung gegen Erde wird an Klemmen des Widerstandes 30 unter Vermittlung des Spannungswandlers 27 abgenommen und der Spannungsspule 26 des Erdschlußrelais 25 zügeführt. Die Stromspule 24 des Erdschlußrelais 25 wird durch den Unsymmetriestrom des .Stromwandlersatzes 17, 18, 19 und außerdem durch Vermittlung des Stromwandlers 55 erregt. Die für den Kurzschlußschutz durch das amperemetrische Differentialrelais 23 vorhandenen Stromwandler 20 bis 22 im Nullpunkt des Generators 1 können keinen Unsymmetriestrom über die Stromspule 24 senden, da deren sekundäre Nullpunktverbindung nicht zum Erdschlußrelais 25 und auch nicht zur Erde geführt ist. Die Stromwandler 20 bis 22 haben also für den wattmetrischen Erdschiußschutz keine Bedeutung. Die Primärwicklung des Stromwandlers 55 liegt in der Verbindungsleitung zwischen Generatornullpunkt und Erde. Die Sekundärwicklung ist parallel zu den Sekundärwicklungen des Stromwandlersatzes 17, 18, 19 an die Spule 24 angeschlossen. Der Anschlußsinn ist so gewählt, daß im Falle eines Erdschlusses, also des Erscheinens einer Spannung am Widerstand 30 und eines Stromes im Stromwandler 55, dieser letztere Strom stets im Sinne der Auslösung wirkt, während der Unsymmetriestrom des Stromwandlersatzes 17, 18, 19 im Falle eines außerhalb des Schutzbereiches liegenden Erdschlusses gegen die Auslösung wirkt.

Im Falle eines innerhalb des Schutzbereiches liegenden Erdschlusses dagegen fließt in der Spule 24 unter Umständen überhaupt kein aus den Wandlern 17 bis 19 stammender Unsymmetriestrom, dann nämlich, wenn außer dem Generator 1 keine anderen Ge- iao neratoren mehr vorhanden sind oder wenn der Generator 1 von den Sammelschienen durch

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seinen nicht gezeichneten Schalter getrennt ist oder schließlich, wenn die anderen parallel arbeitenden Generatoren bzw. sonstigen Nullpunkte keine Erdung besitzen. Falls jedoch ein Unsymmetriestrom in der Spule 24 zustande kommt, wirkt er bei Erdschluß innerhalb des Schutzbereiches im Sinne der Auslösung. Sind nun die Übersetzungsverhältnisse des Stromwandlers 55 einerseits, des Stromwandlersatzes 17, 18, 19 anderseits entsprechend den bekannten Ausführungen gleich gewählt und sind sämtliche Stromwandler aufeinander genau abgestimmt, so· fließt im Falle eines äußeren Erdschlusses kein Strom in der Stromspule 24 des Erdschlußrelais 25. Einen solchen Schutz kann man daher als wattmetrischen Differentialerdschlußschutz bezeichnen. Wählt man aber nach der Erfindung die obengenannten Übersetzungsverhältnisse des Stromwandlers 55 und der Stromwandler 17, 18, 19 etwas verschieden, und zwar derart, daß im Falle eines äußeren Erdschlusses in der Stromspule des Erdschlußrelais ein Überschußstrom in dem der Auslösung ungünstigen Sinne übrigbleibt, so kann dieser Überschußstrom so groß gemacht werden, daß er den im Falle eines äußeren Erdschlusses bei gleichzeitiger starker Belastung des Generators möglichen Falschstrom mit Sicherheit aufhebt.

Der in Abb. 1 dargestellte Drehstromgenerator ι möge beispielsweise eine Nennleistung von 12 000 kVA bei einer Nennspannung von 10 000 Volt besitzen. Das Übersetzungsverhältnis der Stromwandler sei üblicherweise mit 700 : 5 = 140 angenommen. Der höchste Falschstrom, mit dem gerechnet werden muß, beträgt etwa 0,5 % vom doppelten sekundären Wandlerstrom, also 50 mA. Der Widerstand 30 möge 100 Ohm betragen. Die Schutzeinrichtung soll nun so ausgelegt sein, daß sie bis zu 70 °/₀ der Generatorwicklung, gerechnet von den Klemmen aus, umfaßt, d. h. die Schutzeinrichtung soll bei einem Erdschluß in der Generatorwicklung, der von den Klemmen aus gerechnet innerhalb 70 °/₀ liegt, ansprechen und soll bei einem äußeren Erdschluß, der ebenfalls 70 °/o irgendeiner an das Netz angeschlossenen Wicklung umfaßt, gesperrt bleiben. In beiden Fällen liegt an dem Erdungswiderstand 30 bzw. auf der Primärseite des Spannungswandlers 27 eine Erdschlußspannung im Minimum von 30 °/₀ der

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Phasenspannung, also — = 1730 Volt. γ 3

Bei 100 Ohm kommt dann im Widerstand 30 ein Strom von 17,3 Amp. zustande.

Nach der Erfindung ist nun das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers 55 größer als dasjenige der Stromwandler 17 bis 19. Es möge mit 250 angenommen sein.

Bei einem äußeren Erdschluß entsteht dann auf der Sekundärseite des Stromwandlers 55 ein Strom von 69,3 mA und in der Stromwandlergruppe 17 bis 19 bzw, in der Verbindung des Nullpunktes des Differentialrelais 23 mit der Stromspule 24 des Erdschlußrelais 25 ein entgegengesetzt gerichteter Umsymmetriestrom von 123,5 mA. Da dieser zweite Strom der Auslösung entgegenwirkt, bleibt also bei dem ungünstigsten äußeren Erdschluß (am Ende des zu überwachenden Wicklungsbereiches einer zum Generator parallel liegenden Wicklung) ein sperrend wirkender Überschuß strom in der Spule 24 des Erdschlußrelais 25, der den höchsten, bei gleichzeitig wirkender doppelter Überlastung auftretenden Falschstrom überwiegt. Die Einrichtung kann demnach bei einem äußeren Erdschluß in keinem Fall zum Ansprechen kommen.

Bei einem Erdschluß innerhalb der zu überwachenden Maschine 1 wirken sämtliche dem Erdschlußrelais 25 zufließenden Ströme im Sinne der Auslösung. Ist die Maschine vom Netz abgeschaltet, dann wirkt bei Erdschluß nur der Ansprechstrom im Wandler 55 allein auf die Schutzeinrichtung ein.

Das angewendete Prinzip des wattmetrischen Differentialerdschlußschutzes bringt es, fehlerfreie Wandler vorausgesetzt, demnach mit sich, daß das Erdschlußrelais nur im Falle eines inneren Erdschlusses anspricht, wobei die Empfindlichkeit des Schutzes im ungünstigsten Falle, d. h. wenn keine anderen Erdungen mit in Tätigkeit treten, nur von der Bemessung des Widerstandes 30 abhängt. Das Relais 25 spricht insbesondere auch dann an, wenn der Generatorschalter noch nicht eingelegt ist und verhindert auf diese Weise das Zuschalten eines kranken Generators. Etwa sonst vorhandene, aber nicht erforderliche weitere Erdungswiderstände wirken im Sinne der Verstärkung des Relaisausschlages. Die Ausnutzung der durch dieses Prinzip dargebotenen Empfindlichkeit ist nur möglich durch die Bekämpfung der Falschstromwirkung, welche durch die geschilderte Wahl der Übersetzungsverhältnisse der Stromwandler erzielt wird. Derselbe Gedankengang liegt auch dem Ausführungsbeispiel der Abb. 2 zugrunde. In diesem ist lediglich der Erdschlußschutz gezeichnet. Der Stromwandler der Abb. 1 ist hier ersetzt durch eine Schaltung im Spannungswandlerkreis, welche einen dem Nullpunktstrom proportionalen Strom aus dem Spannungswandler vermittels der Anzapfung 56 entnimmt und ebenso wie bei Abb. ι der Stromspule des Erdschlußrelais über den Widerstand 57 und den Stromwandler 58 zuführt.

Ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem

der Spannungswandler 27 entbehrlich ist, zeigt Abb. 3. Hierbei ist die Stromspule 24 des Relais wieder an den in Asymmetrieschaltung angeordneten Stromwandlersatz 17, 18, 19 und an den Stromwandler 55 angeschlossen. In die Verbindungsleitung zwischen dem Stromwandler 55 und der Spule 24 ist noch die zweite Stromspule 59 des Relais 25, welche die Spannungsspule der Abb. 1 und 2 ersetzt, eingeschaltet, so daß der XuIlpunktstrom der Reihe nach die Spulen 24 und 59 des Erdschlußrelais durchfließt. Diese Schaltung beruht auf der Tatsache, daß die Xullpunktspannung proportional und in Phase '5 mit dem Xullpunktstrom ist.

Der Erfindungsgedanke ist noch mannigfacher Abänderung fähig. Es kann der Erdungswiderstand über einen Transformator angeschlossen sein. Es können statt der induktionsfreien Widerstände auch Induktivitäten, Kapazitäten und Zusammensetzungen aus solchen Verwendung finden. Auch braucht der Ausschlag des wattmetrischen Relais nicht der aus der Spannung und Strom gebildeten Wirkleistung der beiden Spulen proportional zu sein. Es kann vielmehr einer beliebigen komplexen Leistung, gebildet aus diesen beiden Größen, insbesondere auch der Blindleistung, entsprechen. *\uch können die Erdungswiderstände sowie die Eigenschaften des Relais einstellbar gemacht werden, damit man die Einrichtung den verschiedenen Betriebsverhältnissen anpassen kann. Schließlich kann der Unsymmetriestrom zwischen Generator und Sammelschienen einem Spezialstromwandler entnommen werden, welcher aus einem die drei Phasenleitungen umschließenden Eisenkern mit aufgebrachter einziger Sekundärwicklung besteht.

Es möge noch erwähnt werden, daß der Ersatz der Ohmschen Erdungswiderstände durch induktive oder kapazitive Blindwiderstände unter gleichzeitiger Verwendung eines Sinus-Erdschlußrelais dann vorteilhaft ist, wenn die kapazitive von der Leitungskapasität gegen Erde herrührende Komponente

genügende Größe besitzt, so daß es zweckmäßig ist, sie zur Betätigung des Relais mitheranzuziehen.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Erdschlußschutzeinrichtung für über Widerstände geerdete Drehstrommaschinen unter Verwendung eines wattmetrischen Erdschlußrelais, bei welcher der einen Spule des Relais die Unsymmetrieströme vor und hinter der zu schützenden Maschine in Differentialschaltung so zugeführt werden, daß im Erdschlußfalle der Unsymmetriestrom hinter dem Generator, d. h. der Strom der Verbindung zwischen Nullpunkt und Erde im Sinne der Auslösung, dagegen der Unsymmetriestrom vor dem Generator bei Erdschluß außerhalb des Schutzbereiches gegen die Auslösung wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältniszahlen zwischen den Strömen der netzseitigen Wandlergruppe (17 bis 19) und dem Primärstrom im zwischen Nullpunkt und Erde liegenden Stromwandler (55) so gewählt sind, daß im Falle eines äußeren Erdschlusses eine Wirkung gegen die Auslösung übrigbleibt, welche einem bei belasteter Maschine etwa entstehenden im Auslösesinne wirkenden Falschstrom entgegenwirkt.
2. 2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Gesamteinrichtung, insbesondere der Erdungsimpedanzen, daß einerseits eine Auslösung des Relais auch bei abgeschalteter Maschine stattfindet, daß aber andererseits der Erdschlußstrom keine mit Rücksicht auf die von ihm hervorgerufenen Schaden unzulässige Größe enthält.
3. 3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ,daß die zweite Spule des Relais durch Ströme erregt ist, welche der Nullpunktspannung proportional sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen