DE660941C

DE660941C - Relais zur Feststellung der Energierichtung in einem Drehstromnetz, insbesondere beiKurzschluss

Info

Publication number: DE660941C
Application number: DEW94304D
Authority: DE
Original assignee: ROLF WIDEROEE DR
Current assignee: ROLF WIDEROEE DR
Priority date: 1934-05-20
Filing date: 1934-05-20
Publication date: 1938-06-07

Description

Die Erfindung bestellt darin, in einem dreiphasigen elektrischen Netze die Energierichtung mittels eines einzigen wättmetrischen Gerätes festzustellen, und zwar insbesondere die Energierichtung bei Kurzschluß. Dies geschieht dadurch, daß bestimmte Ströme und Spannungen des dreiphasigen Netzes vektoriell addiert und die Resultierenden der Strom- und der 'Spannungsspule des erwähnten wattmetrischen Gerätes zugeführt werden. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden beschrieben und sind zusammen mit einer Reihe von Vektordiagrammen, welche zur Erläuterung der Wirkungsweise dienen, in der Zeichnung dargestellt.

Beiden Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß der Spannungsspule des wattmetrischen Gerätes die vektorielle Summe einer verketteten Spannung des Dreiphasensystems und einer dazu im Vektordiagramm senkrechten Phasenspannung zugeführt wird. Dies ist in Abb. 1 dargestellt. Mit OR, OS und OT sind die Phasenspannungen, mit RS, TS und RT die verketteten Spannungen des Drehstromnetzes bezeichnet. Die erwähnte vektorielle Summe möge aus dem Vektor TS und dem Vektor Oi? bestehen, die sich zu einer Resultierenden TA addieren. Diese Resultierende hat bei Kurzschluß RS immer die Größe und die Lage TA. Bei einem dreiphasigen Kurzschluß behält die Resultierende dieselbe Lage bei, es ändert sich lediglich ihre Größe. Bei einem Kurzschluß ST ändert die Resultierende ihre Lage derart, daß der Endpunkt sich auf der Linie A-B verschiebt, und zwar in einem Maße, das von der Kurzschlußspannung abhängig ist. Bei Kurzschluß TR verschiebt sich der Endpunkt der Resultierenden auf der Linie A-C, und zwar ebenfalls in einem von der Kurzschlußspannung abhängigen Maße. Die Resultierende liegt somit stets innerhalb des Winkels zwischen den Vektoren TB und TC.

Bei dem ersten, im folgenden zu beschreibenden Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zur Feststellung der Energierichtung .bei Kurzschluß in einem Drehstromnetz mit ungeerdetem oder über eine große Impedanz geerdetem Nullpunkt geeignet ist, wird der Strom, welcher der Stromspule des wattmetrischen Gerätes zugeführt wird, durch die Summe des Stromes in der Phase R und des umgepolten Stromes in der Phase 6" gebildet. Der Strom in der Phase S wird außerdem noch um 6o° nacheilend verschoben. Es gilt also

Der Einfachheit halber sei im folgenden angenommen, daß der Kurzschlußkreis lediglich Ohmschen Widerstand besitzen möge^ so daß die Ströme und Spannungen phasengleich sind.

Bei einem dreiphasigen Kurzschluß liegt der resultierende Strom dann so, wie in Abb. 2 veranschaulicht. Bei einem Kurzschluß RS gilt für die beiden Komponenten

des resultierenden Stromes und für die Lage der Resultierenden selbst die Abb. 3, wobej^, zu beachten ist,, daß die Lage des resuitieif^t"^>i den Stromes in diesem Falle mit der des resultierenden Stromes bei dreiphasii Kurzschluß übereinstimmt und daß auch Spannungsvektoren in beiden Fällen die' gleiche Winkellage besitzen. Bei einem Kurzschluß ST gilt die in Abb. 4 und bei einem Kurzschluß TR die in Abb. 5 dargestellte Lage der resultierenden Ströme.

Es gelten somit für die vier Kurzschlußfälle die Abb. 6, 7, 8, aus welchen die gegenseitige Phasenlage des resultierenden Stromes und der resultierenden Spannung ersichtlich Die Winkelbereiche für den resultieren-Spannungsvektor in Abb. 7 und 8 wurden i an Hand der Abb. ι besprochen. In der Tabelle I sind die Winkelbereiche ' eingetragen, innerhalb welcher das Wattmeter immer einen richtigen Ausschlag machen wird. Die mit einem Minuszeichen bezeichneten Winkel bedeuten kapazitiven Strom. In der Tabelle I sind auch die .Doppelerdschlußfälle enthalten. Praktisch kommt nur der Bereich von o° bis + 90° in Betracht.

15	■ ■	des	■	Tabelle I	150⁰	Kurzschluß	TR
	Positiver Winkelbereich stromes ■				sr	o° bis -f 120°
20			RST RS	(P bis + 120°
		Kurzschluß-	—30° bis +

. . .	-RS i?-Strom	RS Js	Doppelerdschluß	sr J_T	TR J_T	TR Jr
³⁰ Positiver Winkelbereich des Kurzschluß-ί stromes 1 ■ . ■ ■ ν. ■ - - - -	O°bis -j-180⁰	—6o°bis + 6o°	sr Js		—	o° bis -f 120°
		o⁰ bis + 120°

Um ein möglichst sicheres Arbeiten des :

Relais zu gewährleisten, wird zweckmäßig dem resultierenden Strom noch eine künstliche Phasenverschiebung von 15° Nacheilung gegenüber der resultierenden Spannung er-' teilt. Dies hat zur Folge, daß alle in der Tabelle I angegebenen Winkelbeträge um 15° zu vermindern sind. " .

Daß der Doppelerdschluß auf der Phase T-keine Ausschläge ergibt, kann in vielen Fällen ohne Schwierigkeit in Kauf genommen werden,

Bei allen zweiphasigen Kurzschlüssen ist der Ausschlag des Wattmeters unabhängig von der Kurzschlußspannung. Es existiert deswegen keine sogenannte tote Zone, d.h.

kein Leitungsbereich, dessen Kurzschlüsse wegen völligen oder fast völligen Verschwindens der Kurzschlußspannung nicht zuverlässig angezeigt, werden. Bei einem dreiphasigen Kurzschluß ist die resultierende Spannung doppelt so groß wie die Phasenspannung und der resultierende Strom doppelt so groß wie der Phasenstrom. Das Drehmoment des wattmetrischen Gerätes ist daher viermal so groß wie bei einem Wattmeter,

60' dessen Spannungsspule von einer Phasenspannung und dessen Stromspule von einem

Phasenstrom gespeist werden würde, und 2,3imal so groß wie bei einem''Wattmeter," ■ dem eine verkettete Spannung iind ein Phasenstrom zugeführt werden würde. Die tote Zone ist natürlich entsprechend kleiner.

Die dem beschriebenen Ausführungsbeispiel entsprechende Schaltung zeigt die Abb. 9. Das wattnietrische Gerät möge aus einem Ferraris-Wattmeter bestehen von ähnlicher Bauart wie die üblichen Wattstundenzähler. Ein Gerät dieses Typs eignet sich für ein Energierichtungsrelais gemäß der Erfindung deshalb in besonderem Maße, weil die Anbringung mehrerer Strom- und Spannungsspulen-konstruktiv besonders einfach ist. Der Spannungsspule α wird die Spannung der no Phase R und der Spannungsspule & die verkettete Spannung der Phasen 5¹ und Γ zugeführt. Die Stromspule c erhält den Strom der Phase R ohne künstliche Phasenverschiebung und die Stromspule d den Strom der Phased, der in der oben beschriebenen Weise unter Anwendung an sich bekannter Mittel phasenverschoben ist und außerdem, wie erwähnt, umgepolt wird. Der Strom in der Spule d ist dabei wegen des zur Sekundärwicklung des Stromwandlers parallel liegenden Widerstandes etwas kleiner als der

Strom in der Spule c, und deshalb ist die Spule d mit entsprechend mehr Windungen ausgeführt.

Ein Energierichtungsrelais der beschriebenen Art kann außer zur Feststellung der Energierichtung bei Kurzschluß auch im normalen kurzschlußfreien Betriebe benutzt werden. Für den letzteren Fall ist allerdings eine künstliche Phasenverschiebung von 6o° Nacheilung des resultierenden Stromvektors. gegenüber dem resultierenden Spannungsvektor einzuführen gegenüber den in Tabelle I eingetragenen Werten. Bei RST- und RS-Kurzschluß liegt der positive Winkelbereich des Kurzschlußstromes dann - zwischen — 90⁰ und -f-90⁰, bei ST- und ^-Kurzschluß zwischen —6o° und -f- 6o°.

Das zweite, im folgenden zu beschreibende Ausführungsbeispiel eignet sich zur Feststellung der Energierichtung bei Kurzschluß in starr geerdeten Drehstromnetzen und in nicht starr geerdeten und gibt im -letzteren Falle auch bei allen 'Doppelerdschlüssen richtige Ausschläge.

Die Schaltung im Spannungskreis stimmt, wie bereits oben erwähnt, mit derjenigen nach der ersten Ausführungsform überein. Die einzelnen Stromvektoren werden dagegen folgendermaßen in ihrer Phase verschoben und mit gleichen Amperewindungszahlen addiert.

15° Nacheilung,

	Positiver	Winkelbereich des	Tabelle	_	II	-Kurzschluß	ST	TR	bis
						RS	— 30° bis	+ 7.5°	,5°
30			RST	— 37,5° bis	+ 90°	+ 127
	Kurzschlußstromes :	15° bis	+ 90°
		1-165°

_dä ,	RS Jr	RS Js	Doppelerdschluß	ST J_T	TR J_T	TR Jr
	-i5°bis + 165°	—6o°bis + 120°	ST Js	—6o°bis + 60°	+ 30° bis T^5o°	—X5°bis + 105°
⁴⁰ Positiver Winkelb'ereich des Kurzschluß-ί stromes \		o° bis + 120°

240" Nacheilung (d. h. Umpolen und 6o° Nacheilung),

J_T ·. 210° Voreilung (d.h. Umpolen und

30⁰ Voreilung).

Bei einem dreiphasigen Kurzschluß gilt in diesem Falle die Abb. 10. Der resultierende Strom besitzt eine Phasennacheilung von 15⁰ gegenüber dem Strom in der Phase R. —Die Verhältnisse -bei einem Kurzschluß RS sind in Abb. 11 veranschaulicht. Der resultierende Strom eilt der Spannung der Phase R um 7,5° nach. Für einen Kurzschluß ST.gilt die Abb. 12 und für einen'Kurzschluß TR die Abb. 13.

.Es läßt sich nun wieder eine der Tabelle I entsprechende Tabelle aufstellen.

Diese Tabelle zeigt einige Kurzschluß- und Doppelerdschlußfälle, in denen die Grenze des positiven· Wrnkelbereiches des Kurzschlußstromes innerhalb 0 und 90⁰ bzw. bei 90⁰ selbst liegt (unterstrichene Werte). Die beiden Kurzschlußfälle ST und TR sind ohne Bedeutung, denn sie treten ja nur auf, wenn., die Kurzschlußspannung Null wird, was sehr selten und für 90⁰ Phasenverschiebung unmöglich ist. Es bleiben somit nur die beiden Doppelerdschlußfälle5T.und TR. Beim Doppelerdschluß ST ergibt sich die Grenze + 6o°, ebenfalls bei der Kurzschlußspannung Null. Bei einem Doppelerdschluß ist aber die Spannung niemals Null, und die Grenze ist deswegen ohne praktische Bedeutung. Genau

fio dasselbe gilt auch für den Doppelerdschluß TR₁ auch hier wird die Grenze von + 30° nur 'bei. vollkommenem. Spanimngszusammenbruch gefährlich. Im übrigen sind die engen Grenzen bei Doppelerdschluß schon deswegen praktisch ohne Bedeutung, weil durch die Induktivität der Schleife Leitung, Erde, Leitung der Kurzschlußwinkel nicht sehr stark verschiedene Werte annimmt, sondern meistens zwischen 40 und 6o° liegt.

Im folgenden soll noch der einphasige Kurzschluß für starr geerdete Netze beschrieben werden. Bei einem Kurzschluß der Phase R gilt die Abb. 14. Die resultierende Spannung liegt innerhalb des Winkels zwischen TA und TS, und zwar je nach der Kurzschlußspannung. Es existiert somit ein positiver Winkelbereich von —15 bis ~\-135⁰. Die Verhältnisse bei einem Kurzschluß der Phase S sind sehr ähnlich. Die resultierende

Spannung liegt zwischen TA und TR, wie die Abb. 15 zeigt, und der positive Winkelbereich zwischen —30 und -)-120⁰. Bei einem Kurzschluß der Phase T endlich ändert die resultierende Spannung ihre Lage überhaupt nicht, wie in Abb. 16 dargestellt. Sie wird nur etwas kleiner, erreicht aber nie den Wert Null. Der positive Winkelbereich liegt zwischen —60 und + 120⁰. Bei einphasigen Kurzschlüssen sind somit die Winkelgrenzen in allen Fällen weit außerhalb des praktisch in Betracht kommenden Bereichs.

Die Schaltungsanordnung entsprechend der zweiten Ausführungsform ist in Abb. 17 enthalten, die bezüglich der Schaltung der Spannungsspulen α und b mit Abb. 9 genau übereinstimmt. Von den beiden Stromspulen wird die Spule c' von der Phase R gespeist, deren Strom um 15⁰ nacheilend verschoben wird, und die andere Spule df von den in der obenerwähnten Weise um 240⁰ nacheilend bzw. 2io° voreilend phasenverschobenen Strömen der Phasen S und Γ. Die Abb. .17 zeigt für die Spule d' eine Addition der Einzelvektoren, die als galvanisch bezeichnet werden könnte, im Gegensatz zu der Anordnung der beiden Stromspulen nach Abb. 9 und der beiden Spannungsspulen nach Abb. 9 und 17, die entsprechend als eine vektorielle Addition auf magnetischem Wege zu bezeichnen wäre. Für die Stromspulen ist jedoch die galvanische Verbindung der Stromwandlersekundärwicklungen unbedenklich, da die Impedanz dieser Stromspulen nämlich meist nur etwa io°/o gegenüber der Impedanz der Drossel und Widerstände beträgt. ■

Claims

Patentansprüche:

ι . Relais zur Feststellung der Energierichtung in einem Drehstromnetz, insbesondere bei Kurzschluß, unter Verwendung eines wattmetrischen Gerätes, dessen Strömspule vektoriell 'addierte Ströme -und dessen Spannungsspule, vektoriell addierte Spannungen zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsspule des wattmetrischen Gerätes die vektorielle Summe einer verketteten Spannung (T-S) des Drehstromsystems und einer im normalen Betrieb dazu im Vektordiagramm senkrecht liegenden Sternspannung (O-R) zugeführt wird und der Stromspule die vektorielle Summe des Stromes (/#) der erwähnten Sternphase (O-R) und des Stromes (T₈) der auf diese Sternphase im Vektordiagramm folgenden Sternphase zugeführt wird, wobei dieser letztere jedoch umgepolt und - um 6o° nacheilend künstlich verschoben wird (Abb. ι bis S).
2. Relais nach Anspruch 1 zur Feststellung der Energierichtung bei Kurzschluß, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Stromsummenvektor um 15⁰ gegenüber der resultierenden Spannung nacheilend künstlich verschoben wird.
3. Relais nach Anspruch 1 zur Feststellung der Energierichtung im kurzschlußfreien Betrieb, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Stromsummenvektor um 6a° gegenüber der resultierenden Spannung nacheilend künstlich verschoben wird.
4. Relais nach Anspruch ι zur Feststellung der Energierichtung bei Kurz-Schluß, dahin abgeändert, daß der Stromspule die vektorielle Summe des Stromes der in Anspruch r erwähnten Sternphase (O-R) mit 15° künstlicher Nacheilung, der im Vektordiagramm nächstfolgenden Sternphase (OS) mit 240⁰ künstlicher Nacheilung und der letzten Sternphase (0-T) mit 2io° künstlicher Voreilung zugeführt wird (Abb. 10 bis 13).
5. Relais nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Strom- und Spannungsvektoren getrennten Wicklungen der Strom- und Spannungsspule zugeführt werden (Abb. 9).
6. Relais nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Ferraris-Wattmeters (Abb. 9 und 17).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen