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Schutzschaltung gegen Kurzschlüsse in Dreiphasennetzen Es ist bekannt,
den Kurzschlußschutz von Drehstromleitungen mit Distanzrelais so durchzuführen,
daß in jeder Station das mittels Ersatzimpedanzen ,gewonnene Abbild dier Spannung
am anderen Ende der Leitung für die Speisung der Relais verwendet wird. Bei der
bekannten Anordnung ist aber für jede Phase ein besonderes Relais vorgesehen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Relaisschaltung, welche nur ein
einziges Relais für alle drei Phasen benötigt und somit einen großen technischen
Vorteil gegenüber den bekannten Schaltungen bedeutet. Um dies zu ermöglichen, wird
das zur Abschaltung der Fehlerstrecke dienende Relais als Drehfeldrichtungsrelais
ausgeführt und an dem mittels Ersatzimpedanzen gewonnenen Abbild der am Ende der
Teilstrecke auftretenden Spannungen angeschlossen.
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Die Hauptmerkmale der Schaltung sowie einige ihrer Verwendungsmöglichkeiten
werden an Hand der Figuren geschildert.
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Es sei die von der Station C gespeiste Strecke A-B (Fig. r) gegen
Kurzschlüsse zu schützen. Die Schutzapparatur wird in der Station A ,aufgestellt.
Sie besteht, wie Fig. 2 zeigt, aus an Stromwandler b und Spannungswandler c mit
Anzapfu!ngen angeschlossenen Ersatzimpedanzen a"a"j, die auf,den Wert Z Z", der
Impedanzen der Teilstrecke A-B eingestellt sind, so daß zwischen den LeiternA dasjenige
Spannungsdreieck entsteht, das, bei normalem Betrieb ein Abbild des in der Station
B herrschenden Span:nungsdreic:cks wiedergibt. Im folgenden werden diese .abgebildeten
Spannungen die reduzierten Spannungen gemannt. Dieses Abbild ist in Fig. 3 durch
das Spannungsdreieck, R' S' T' dargestellt, dessen Umlaufsinn mit dem Uhrzeigerdrehsinn
übereinstimmt. Eine Phasenspannung dieses Dreiecks, z. B. V'R, hat dann den
Wert V'R = VR - JZ, wenn VR die Phasenspannung, der Phase R in Station
A, J den Phasenstrom Und Z die Phasenimpedanz der Strecke A-B darstellen. Tritt
nun z. B ein zweipoliger Kurzschhrß zwischen dien Phasen S und T im Punkt
I( der Strecke A-B ein" so fällt die verkettete Spannung in Station A zwischen
den Phasen S und T auf den Wert 2 JI< ZI<, wo JI< der Kurzschlwßstrom
und ZI< die Phasenimpedanz der Strecke A-1( sind. Es folgt, d;aß die reduzierte
verkettete Spannung den Wert U'sr = 2 Jr< ZI< -- 2 JK
Z annimmt. Dia die Impedanz Z,< kleiner als Z ist, so hat die verkettete
Spannung U'ST ein anderes Vorzeichen als vor 4em Kurzschlu:ß. Aus dem Spannungsdreieck
R' S' ' der Fig. 3 ist dann ein neues Sparmwngsdreieck R' S' T' .der Fig.
4. geworden, dessen Umlaufsinn entgegen dem Uhrzeigerdrehsnn gerichtet is:t, ,also
umgekehrt wie vor dem Kurzschlu.ß. Ein an die Leitungend angeschlossenes, bei Umkehrung
des Drehfeldsinnes ansprechendes Relais e (Fig. z), wird durch den Kurzschluß zum
Ansprechen
gebracht, wodurch die kranke Strecke in Station A ausgeschaltet wird. Dia eine Umkehrung
des Umlaufsinnes des Spannu!ngsdreiecks nur bei Verminderung der Impedanz der überwachten
Strecke auftritt, so bleibt das in StationC (Fig. i ) aufgestellte Relais von einem
Kurzschluß, in I( u;nbecinflußt. Nur das Relais in Station A spricht an, wodurch
diese Schaltung als Sele!ktivschutzschaltung wirkt.
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Für das auf Drehfeldsinn .ansprechende Relais kann irgendein beliebiges
bekanntes Ausführungssystem gewählt werden. Man kann auch :die symmetrischen Mit-
und Gegenkomponenten der Spannungen aussieben, miteinander vergleichen und die Abschaltung
bewirken: wenn die Gegenspannung grö)l?!er als die Mitspannu g ist, was auftritt;
wenn der - Drehfeldsinn wechselt. Ebenso kann das Blindprodukt irgend zweier reduzierter
verketteter Spannungen, z. B. das Produkt R' S' . R' T' # sin cc, welches ein Maß
für die Fläche des Dreiecks R' S' T' ist, dazu, her-.angezogen werden. Ist
das Diagr,anim rechtsläufig, so ist das Produkt positiv, isst es linksläufig, so
ist das Produkt negativ.
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Statt des Dreiecks R' S' ' in Fig: 4. der verketteten Spannungen kann
man Bauch eines der drei Teildreiecke R' M' S' usw. benutzen, die ebenfalls beim
Kurzschluß auf der Strecke gegenläufig sind: M' ist dabei der Schwerpunkt des Dreiecks
R' S' T'.
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Diämit ,auch Erdschlüsse eMaßt werden, müssen die dabei zu: berücksichtigenden
reduzierten Plhasenspannun;gen bestimmt werden. Der Spann.ungsabfall irgendeiner
Phase gegen Erde, bestimmt mit Hilfe der MethQde der symmetrischen Koniponen.ten,
beträgt J # Z+ 3 J0 # Z"Z, wo J, der Nullstrom und Z," die ;gegenseitige Impedanz
zweier j@e von einem Leiter und Erde gebildeter Schleifen sind. Um die reduzierten
Phasenspannungen zu erhalten, muß man somit von den Phasenspannuni en den Abfall
durch die Ströme J hzw. 3 J, gemäß obiger Formel subtrahieren. Bei Erds.chluß,
z. B. der Phase R, auf der betrachteten Teilstrecke hat dann die reduzierte Spannung
R' O' ein umgekehrtes Vorzeichen wie ,die Sp;annung R O in A. Die entsprechenden
Spannungsdiagramme R S T O
und R' S' T'0' sind in Fig. 7 und 8 angegeben.
Hier kehrt sich der Umlaufsinn der Dreiecke R' O' S' und R'O'T' um, was zur Betätigung
eines oder mehrerer ,a,uf Drehfeldsinn ansprechender Relais und zur Abschaltung
der Leitung benutzt werden kann. Sind die Schutzelemente zur Erfassung der nicht
geerdeten Kurzschlüsse normalerweise je an eines der zwischen Scliw-erpunl,:t
M' des Spannungsdreiecks R' S' ' und zwei Phasenliegenden Teildreiecke R'
AZ' S' usw. angeschlossen, so mußa der Punkt M' bei Erdsehluß am Abbild des
Erdpotentials angeschlossen werden (Fig: 1q.). Dies kann z. B.. mittels eines Kontakts
f, welcher beim Ansprechen eines Summenstroinrelais oder Nullpunktspannungsrelais
geschlossen wird, erreicht werden.
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Zur Erfassung von nicht geerdeten, Kurzschlüssen kann an Stelle des-
Schwerpunktes 1Y1' des Dreiecks R' S' T' das reduzierte Erdpotential O' genommen
werden, so daß O R', O' S', O' T' die reduzierten Phasenspannungen sind. Wenn aber
der Nullpunkt des Netzes; z. B. wegen unsymmetrischer Erdkapazität der -drei Phasen,
;gegen Erde verlagert ist, so fällt der Schwerpunkt des Dreiecks R' S' T' nicht
mit dem Erdpotential zusammen. Es kann somit vorkommen, d@aß das Erdpotential O',
wie in Fig.5 veranschaulicht, außerhalb des Dreiecks R' S' T' fällt, ohne daß sich
der Umlaufsinn des letzteren umkehrt, d. h: wann der Kurzsehlu-G .außerhalb der
zu schließenden Strecke liegt. Eines der beidem Dreleck° R' O' S' und T'O'R' (in
Fi.g. 5 R' O' S' ) hat dann umgekehrten Drehsinn wie beim gesunden Netzbetrieb.
Es ist deshalb notwendig, von mehreren Relais. nur das am Dreieck S' O' T'
angeschlossene Relais. wirken zu lassen oder wenn nur :ein Relais vorgesehen ist,
es an dieses Spannung sdreieck anzuschließen. Man kann ,als Hilfsmittel für diese
Freigab.: Sperrung oder Umschaltung,. d. h. als Kennzeichen für die Störungsart,
1lberstr om- oder Minimalimpedanzorgane benutzen, z. B. in der Weise, daß das Ansprechen
,der überstromorgane in Phase S und T die Freigabe des Relais S' O' T' allein
bewirkt; man kann auch wattmetrische Relais benutzen, die von der Verzerrung des
Spannungsdiagt-.anims abhä#n;gig sind; sie können z. B. von einer Phasen- und von
der gegenüberliegenden verketteten Spannung gespeist werden, z: B. R S und O T,
und so ausgebildet sein, daß sie ansprechen, wein der @eingeschloss:ne Wililccl3
(Fig. 6), zwischen diesen beiden Spannungen, der S T gegenüberliegt, kleiner ,als
9ö° ist, was z. B. bei zweipoligem Kurzschluß S T der Fall ist. Durch zyklisches
Vertauschen der Spannungen werden Relais gespeist, die bei Kurzschlüssen zwischen
anderen Phasen ansprechen. Man kann auch zwei ,andere Spannungen des Systems benutzen,
z. B. R T und R S, die bei einem zweipoligen Kurzscliluß S T einen Winkel
kleiner als 6o° einschließen.
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Ist in Netzen mit isoliertem Sternpunkt der zweipolige Kurzschluß,
z. B. S T, geerdet, so fällt das reduzierte Erdpotential O' auf die Linie S' T'
(Fig. i o-). Das Dreieck S' O' T' ist eine Linie ,geworden und kann deshalb für
den Schutz nicht herangezogen werden. Es ist erforderlich, das entsprechende Relais
zu
blockieren und eines oder beide Relais R' O' S' oder T'O'R' freizugeben.
Dies kann mit den oben schon ,angegebenen Mitteln in Abhängigkeit vom Überstrom,
von der Verzerrung des Spannungsdreiecks usw. erfolgen.
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Das gleiche gilt bei Doppelerdscllluß. Außerdem ist bei Düppelerdschl'uß
meistens erwü,nsclit, nur eine von den beiden Fehlerstellen :abzuschalten. Dies
kann dadurch erreicht werden, daß z. B. bei Doppelerdschluß S T nur eines der beiden
Dreiecke R' O' S' und T'O'R' freigegeben wird; für die Strecke mit Erds.chlu:ß
der Phase S' wird sich z. B. nur der Umlaufsinn von Dreieck R' O' S' umkehren (Fig.
i i), hingegen nicht derjenige von Dreieck T' O' R', da O' rechts von S'
liegt. Für die Freigabe der passenden Phase können die gleichen. Mittel wie oben
angewendet werden.
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Findet in Netzen mit geerdetem Sternpunkt ein einpoliger Erdsdhluß,
z. B. in Phase R, jenseits des Endes einer Teilstrecke statt, so kann in: dem ;am
Anfang der Leitung bestimmten Dreieck der reduzierten Spannung der Erdpotentialpunkt
O' infolge des Spannungsabfalles über einen evtl. Erdungswiderstand links von R'
und evtl. außerhalb des Drelecks R' S' T' fallen (Fig. 12). Der Umlaufsinn
des Dreiecks T'O'R' wird somit negativ sein, obschon der Erdschluß nicht auf der
Teilstrecke ist, und das Relais wird fälschlicherweise auslösen. Es ist deshalb
erforderlich, das Relais T'O'R' zu sperren. Zu diesem Zweck können dieselben oben
beschriebenen Mittel- verwendet werden, z. B. muß das vorn Strom R .gespeiste Überstromorg:an
nur das Relais R' 0'S' freigeben. Werden diese Hilfsorgane von der Verzerrung des
Spannungsdreiecks :abhängig gemacht, so kann m.anf sie wieder durch eine Phasenspannung
und die gegenüberliegende verkettete Spannung speisen, so daß sie ansprechen, iv!enn
der zwischen diesen beiden eingeschlossene Winkel y kleiner ,als 9o' ist; z. B.
wird ein solches Hilfsrelais, :gespeist durch die Spannuingeni R S und TO,
bei Erdschluß: R :ansprechen,, da der Winkely kleiner ,als 9o° ist (Fig.13) und
somit dazu benu;ezt werden kann, um das Relais R' O' S' freizugeben. Zur Verkleinerung
des Winkels y kann in jenem Hilfsrelais der Phasenspannung noch eine der Nullpunktspannung
des Netzes gegen Erde proportionale Sp:annungE*o hinzugefügt werden (Fig. 13, Winkel
y*) .
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Findet ein zweipoliger Erdschluß über einem hohen Erdungswiderstand
jenseits des Endes der Teilstrecke statt, so kann auch hier der Erdpotentialpunkt
O' außerhalb des Dreiecks R' S' T' fallen, so daß z. B. das Dreieck R' O' S' (Fig.
5) unerwünscht verkehrten Umlaufsinn hat und das zugehörige Relais zu sperren ist.
Die gleichen schon angegebenem Mittel können hierzu auch verwendet werden.
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Bei einem dreipoligen Kurzschluß auf der geschützten Strecke kehren
,alle reduzierten verketteten und Phasenspannungen ihr Vorzeichen um. Die Erfassung
dieser Störung kann dann z. B. mittels.eines- Wattmeters, in welchem das Produkt
VR . V'R . cos (VR, VR) wirkt, erreicht werden, .wobei a% R eine Ph:asenspann:ung
an der Meßstellle und V'R die entsprechende reduzierte Spannuni ist. Die Auslösung
durch das Wattmeterrelaisi findet dann statt, wenn. das Produkt Null oder negativ
wird. Es können :auch verkettlete Spannungen verwendet werden; Phasie:aspannungen
sind jedoch vorteilhafter, da sie bei zweipoligen Kurzschlüssen .groß bleiben und
meistens einen kleinen Winkel einschließen, so daß das entsprechende Wattmeter nicht
auslöst und somit die Arbeitsweise der für die Erfassung von zweipoligen Kurzschlüssen
vorgesehenen Relais nicht stört. Da dieses Wattmeter dann aber bei einpoligen :und
zweipoligen Erdschlüssen eine kleine Spannung erhält, ist es in diesen Fällen evtl.
'zu unempfindlich, so daß es ,angezeigt ist, kes z. B. durch ein Nullstrom- oder
Nullspannungsrelais zu blockieren. Findet der dreipolige Kurzschlüß über einen Lichtbogenwiderstand
statt, so ist wegen der Li.chtbo;gensp2nnung O' R' in Fig. 9 das Produkt VR # V'R
# cos (VR, V'R) bei Kurzschluß am Leitungsende nicht Null, so daß die Abschaltung
nicht stattfinden kann. Man kann sie aber doch dadurch erzwingen, daß das Wattmeterrel:ais
so .eingestellt ist, daß: kes schon auslöst, wenn die Phasenversdhiebu ing zwischen
VR und V'R größer ;als der Phasenwinkel c9 der Leitungsimpedanz wird, d. h. wenn
VR # VR # sin (VR, VR -- c9) G O ist.
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Anstatt,den Spannungsabfall in den Ers:atzimpedanzen:a, a," gemäß
Fig. 2 unmittelbar dem Spannuingskreis des Relais e zuzuführen, kann main ihn über
Zwischenwandler wirken lassen. Auch kann der Strom unmittelbar zu dem Relais e geführt
werden, so daß keine der reduzierten Spannung entsprec'henzde Wirkung entsteht.
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Die A:uslösezeit des :auf der Drelifeldricht.ung ,ansprechenden Relais
kann distanzabhängig gemacht werden, damit ein S.elektivscllutz zwischen dem Relais
der hintereinan@ derliegenden Stationen, entsteht. Zu diesem Zweck wird die von
den Wandlern c (Fi,g. 2) gelieferte Spannung mit der Zeit reduziert oder die Wirkung
des Stromes z. B. durch Vergrößerung der Lcitungs:ersatzimpedanz erhöht, so. daß
die Auslösezeit mit :der Kukrzschlußentfernun;g steigt. Als Ansprec:horgane für
die hierzu.notwendigen Zeitrelais können
die gleichen Organe wie
beim Distanzschutz verwendet werden, z. B. Überstrom-, Impedanz- oder Richtungsrelais;
man kann auch ein Relais. verwenden, das ;gleich gebaut ist wie die Ausläserelais,
jedoch empfindlicher eingestellt, so daß es schon bei sehr @entfernten Kurzschlüssen
,anspricht.
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Der Schutz kann auch für Transformatoren, Maschinen und Apparate verwendet
werden, die sich durch Impedanzen ersetzen lassen: