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Schutzschaltung Es ist bekannt, Schutzrelais von der znitläufigen
oder gegenläufigen Komponente des Stromes oder der Spannung oder beider zu erregen.
Man hat zu diesem Zweck Kunstschaltungen vorgeschlagen, welche eine Zerlegung der
Leitungsströme oder der Leitungsspannungen in der Weise ermöglichen, daß ein unter
Anwendung einer solchen Kunstschaltung gespeistes Relais entweder nur von der mitläufigen
Komponente oder nur von der gegenläufigen Komponente der entsprechenden Betriebsgröße
erregt wird. In den Betriebsgrößen Strom und Spannung einer tt=phasigen Wechselanlage
ist aber außer den gegenläufigen symmetrischen Komponenten häufig auch noch eine
sogenannte Nullkomponente oder Erdschlußkomponente enthalten. Zu ihrer Erfassung
hat man bisher besondere Stromwandler- und Spannungswandlerschaltungen angewendet,
weil die Kunstschaltungen zur Aussiebung der mitläufigen und gegenläufigen Komponenten
bestimmte Stromwandler- und Spannungswandlerschaltungen zur Voraussetzung haben,.
welche einen An'schluß eines von der Nullkomponente zu erregenden Relais nicht zulassen.
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Gemäß der Erfindung wird bei Schutzschaltungen für n-phasige Wechselstromnetze
mit Kunstschaltungen zum Aussieben der mitläufigen und der gegenläufigen Komponente,
in welche man die Betriebsgrößen eines unsymmetrischen Netzes zerlegen kann, und
mit an diese Kunstschaltungen angeschlossenen Schutzrelais, die von sämtlichen n-phasigen
Mit- oder Gegenkomponenten des Stromes oder der Spannung des Wechselstromnetzes
erregt werden, :ein weiteres an die Kunstschaltungen angeschlossenes Relais vorgesehen,
welches von der Erschlußkomponente des Stromes b-zw. der Spannung oder von diesen
beiden Größen erregt wird. Es wird dadurch der Vorteil erzielt, daß besondere Spannungs-oder
Stromwandler für die Erregung dieses Relais nicht mehr erforderlich sind.
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Bei einem Dreiphasensystem, welches unter normaler Belastung steht
und das also symmetrisch belastet ist oder das unbelastet ist, gibt es nur die Komponenten
der positiven Phasenfolge. Die Ströme eines solchen symmetrischen Dreiphasensystems
sind gleich groß und in der Phase um rao° gegeneinander versetzt. Es gibt dabei
keinen Summenstrom. Infolgedessen müssen dann also die negativen Phasenfolgekomponenten
und die Nullphasenfolgekomponenten Null sein, und die positiven Phasenfolgekomponenten.
stellen für sich allein das gesamte System der Spannungen bzw. der Ströme, dar.
Bei
einem dreiphasigen Kurzschluß behalten alle Ströme untereinander
die gleiche Winkellage und die gleiche Größe; das System ist also auch in diesem
Falle ein symmetrisches System, so daß wiederum die positiven Phasenfolgekomponenten
für sich allein die Ströme bei Dreiphasenkurzschluß darstellen, und in jedem Augenblick
fließt die positive Phasenfolgekomponente, welche in einem der Leiter in der einen
Richtung fließt, in den beiden anderen Leitern zurück.
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Die negativen Phasenfolgekomponenten bilden :ein symmetrisches Dreiphasensystemund
unterscheiden sich von den positiven Phasenfolgekomponenten dadurch, daß ihr Umlaufsinn
dein der positiven Phasenfolgekomponente entgegengesetzt ist. Im übrigen kann der
Widerstandswert einer Reaktanz für die negative Phas@enfolgekomponente größer oder
kleiner als der für die positive Phasenfolgekomponente der Ströme sein. Der Wert
einer Resistanz ist für beide Phasenfolgekomponentensysteme gleich groß.
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Wenn ein Kurzschluß zwischen zwei Phasenleitern auftritt, und zwar
ohne Erdschluß, treten lediglich die positiven und die negativen Phasenfolgekornponenten
auf. Die Gröle der beiden Komponenten der Spannung hängt ab von der Größe der Impedanz
für die beiden Komponenten, und die Größe der positiven und .negativen Stromkomponente
des Fehlerstromes ist bei gleicher Impedanz die gleiche.
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Im Erdschlußfall .eines Systems mit belastbarem Nullpunkt treten Ströme
der positiven, der negativen und der Nullphasenfolgekomponente auf. Die Nullphasenfolgekomponente
des Stromes enthält drei gleiche Ströme; die positiven und negativen Phasenfolgekomponenten
heben die Nullphasenkomponenten in den beiden erdschlußfreien Phasen an der Fehlerstelle
auf. Die Größe der positiven, negativen und Nullphasenfolgekomponente nehmen ein
bestimmtes Verhältnis zueinander ein, entsprechend den für die einzelnen Komponente
wirksamen Reaktanzen; wie weiter oben bereits gesagt wurde, kann die negative Phasenreaktanz
im wesentlichen gleich der positiven Phasenreaktanz angenommen werden. Die Nullphasenreaktanz
kann sehr große Werte einnehmen.
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In Fig. i sind Stromwandler 12, 13 und 14 für die Phasenleiter
A, B, C eines Dreiphasensystems i i dargestellt. Eine Anschlußklemme der
Sekundärwicklung jedes Transformators ist parallel zu einem Widerstand R und einer
Induktivität Z geschaltet. Die Widerstände R und die Induktanzen E sind in Reihe
geschaltet und bilden eine Kunstschaltung 16, mit deren Hilfe die negativen Phasenfolgekomponenten
der Ströme des Netzes i i herausgesiebt werden. Die in Stern geschaltete Wicklung
a, h; c eines dreiphasigen Relais 17 sind zwischen je zwei der in Reihe geschalteten
Widerstände R und Z angeschlossen.
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Die anderen Anschlüsse der Sekundärwicklung,en der Stromwandler 12,
13, l q. sind in entsprechender Weise an eine Kunstschaltung r 8 angeschlossen,
die ebenfalls Widerstände R und Induktanzen Z .enthalten, die in Serie geschaltet
sind. Auch an die Kunstschaltung i 8 ist ein dreiphasiges Relais i 9 angeschlossen.
Die Kunstschaltung i 8 siebt die positiven Phasenfolgekomponenten der Ströme im
Leitungsnetz i i heraus.
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Ein einphasiges Relais 21 ist mit dem einen Ende seiner Wicklung 22
mit dem Sternpunkt der dreiphasigen Wicklung des Relais 1 7 und mit seinem anderen
Ende mit dem Sternpunkt der dreiphasigen Wicklung des Relais 19 verbunden. Dieses
Relais spricht infolgedessen auf die Nullkomponente der Ströme des Leitungssystems
i i an. Bei seinem Ansprechen schließt es einen Kontakt 23 und auf diese Weise einen
Stromkreis, der zur Hervorrufung irgendeiner Wirkung dient.
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Die Kontakte der dreiphasigen Relais 17 und 1g sind nicht dargestellt.
Auch durch die Kontakte dieser Relais können Stromkreise geschlossen werden, die
zur Hervorrufung irgendeiner Wirkung dienen, und zwar in Abhängigkeit von den negativen
Phasenfolgekomponenten bzw. den positiven Phasenfolgekomponenten des Leitungsstromes.
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Die Größe der Widerstände R und der Induktanzen Z der Kunstschaltung
16 sind so gewählt, daß dem Relais 17 die negativen Phasenfolgekomponenten der Leitungsströme
zugeführt werden. Die Größe der Widerstände R und der Induktanzen Z der Kunstschaltung
18 sind so bemessen, daß das Relais 19 von den positiven Komponenten .der Leitungsströme
erregt wird.
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Bei einem Dreiphasenkurzschluß wird nur das Relais 19 erregt und kann
nicht dargestellte Schutzeinrichtungen in Tätigkeit setzen. Bei einem Kurzschluß
zwischen zwei Phasenleitern, beispielsweise zwischen den Leitern A und B, werden
die Relais 17 und 19 ansprechen und können dann geeignete Schutzmaßnahmen auslösen.
Wenn einer der Phasenleiber, beispielsweise der Leiter A, Erdschluß ' bekommt, sprechen
die Relais 17 und 19 und außerdem das Relais 21 an. Auch bei einem Doppelerdschluß
werden diese drei Relais ansprechen.
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In Fig.2 liegen ebenfalls die Stromwandler 12, 13 und 1,1 in den Phasenleitern
A, B und C des Drehstromsystems i i. Das eine Wicklungsende jeder Sekundärwicklung
der Stromwandler ist an je ein Paar von Impedanzen
R und Z der
Kunstschaltungen 16 und 18 angeschlossen. Die Kunstschaltungen 16 und 18 entsprechen
denen der Fig. i. Die Phasenwicklungen a, b' und c und a'; b'
und c'
der in Stern geschalteten Wicklungen der beiden Relais 17 und 19 sind in entsprechender
Weise wie in Fig. i mit den Kunstschaltungen 16 und 18 verbunden.
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Die anderen Enden der Sekundärwicklungen der Stromwandler sind untereinander
verbunden. Die von diesem Verbindungspunkt ausgehende gemeinsame Leitung 24 ist
mit dein einen Ende der Wicklung 22 eines Relais 21 verbunden, dessen anderes Ende
über die Leitung 26 mit den Sternpunkten der beiden Relais 17 und 19 verbunden ist.
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Das Relais 21 besitzt Kontakte 23, die beim. Ansprechen des Relais
geschlossen werden. Das Relais 21 spricht an, ivemi eine Nullphasenfolgekomponente
auftritt.
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Die mehrphasigen Relais 17 und i 9 besitzen nicht dargestellte Kontakte
und sprechen auf nur negative bzw. positive Phasenfolgekomponenten des Stromes an.
Die Relais 17, 19 und 21 in Fig. 2 verhalten sich bei den verschiedenen möglichen
Fehlerarten genau so wie die entsprechenden Relais in Fig. 1.
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Die Künstschaltung 16 siebt die negative Phasenfolgelcomponente aus
dem Strom des Leitungssystems i i heraus. Infolgedessen wird das Relais 17 in allen
Fehlerfällen erregt, mit Ausnahme des dreiphasigen Kurzschlusses. Die Kunstschaltung
18 dient zur H.eraussiebung der positiven Phasenfolgekompoizenten. Das Relais i9
bekommt also immer Strom.
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In Fig. 3 liegen Spannungswandler 42, 43 und @14 an den Phasenleitungen
C, B und A und dem Nulleiter N des Dreiphasensystems i i. Die Kunstschaltungen 16
und 18 sind an die Sekundärwicklungen dieser Spannungswandler in der gleichen Weise
angeschlossen wie die entsprechenden Kunstschaltungen an die Stromtvandler in Fig.
i. Die Relais 17, 19 und 21 sind in .entsprechender Weise wie in Fig. i geschaltet.
In Fig. 3 sind die Stromkreise zur Erregung der mehrphasigen Relais 17 und 19, von
denen das eine von den negativen Phasenfolgekomponenten und das andere von den positiven
Phasenfolgekomponenten der Netzspannung erregt wird, und die Stromkreise zur Erregung
des Relais 21 durch die Nullphasenfolgekomponente der Spannung des Dreiphasensystems
i i dargestellt.
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Fig.4 zeigt eine Schaltung, welche der in Fig.2 dargestellten, abgesehen
von der Verwendung von Spannungswandlern 42, 43 und 44, entspricht. Die Spannungswandler
sind mit den einzelnen Phasenleitungen C, B und A
und mit den Nulleitern
N des Dreipliasensystems i i verbunden. Die mehrphasigen Relais 17 und 19 werden
durch die negative bzw. die positive Phasenfolgekomponente der Spannung erregt.
Das Relais 21 wird durch die Nullphasenkomponente der Spannung erreg t.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Fig.5, wobei
die mehrphasigen Relais durch die negative bzw. positive Phasenfolgekomponente der
Spannung und des Stromes in der Leitung erregt werden.
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Die Primärwicklungen der Sp.ann,ungswandler 52, 53 und 54 liegen zwischen
dem Nullleiter N und den Phasenleitern C, B und A
der Drehstromleitung
i i ; die Sekundärwicklungen der Wandler sind in Stern geschaltet. Die mehrphasigen
Relais 61 und 62 mit Ständerwicklungen 63 und 64 und Rotorwicklungen 66 und 67 sind
so geschaltet, daß die Ständerwicklungen von den Phasenfolgekomponenten der Spannung
und die Rotorwicklungen von den Phasenfolgekomponenten des Stromes des Drehstr omsystems
i i erregt werden. Die Stator- und die Rotorelemente 63, 66 und 64, 67 des Relais
61 bzw. 62 sind in Stern geschaltet.
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Die Ständerwicklunggen 63 und 64 der beiden Relais 61 und 62 sind
an Kunstschaltungen 56 und 58 angeschlossen, die im Sekundärkreis der Spannungswandler
52, 53 und 54 liegen. Die Verbindungen zwischen den Kunstschaltungen 56 und 58 und
den Ständerwicklungen der mehrphasigen Relais entsprechen im Prinzip der Anordnung
nach Fig. 4. Die Kunstschaltung 56 siebt die positive Phasenfolgekomponente der
Spannung und die Kunstschaltung 58 die negative Phasenfolgekomponente der Netzspannung
heraus. Die Phasenwicklungen a, .b und e und a', F3' und c' der Ständerwicklungen
63 und 64 werden infolgedessen von den positiven bzw. von den negativen Phasenfolgekomponenten
der Spannung erregt.
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Die Rotorwicklungen 66 und 6; der Relais 61 und 62 besitzen die Phasenwicklungen
S, T, U und S', ', U', welche von den positiven bz-d. den negativen
Phasenfolgekomponenten des Stromes des Drehstromnetzes 11 erregt werden. Drei Stromwandler
72, 73 und 74 liegen in den Phasenleitern A, B bzw. C. Die Sekundärwicklungen
dieser Wandler sind in Stern geschaltet. Zwei Kunstschaltungen 76 und 78 sind vorgesehen,
von denen jede eine Mehrzahl von Ohmschen Widerständen R und Induktivitäten Z besitzt
und die in den Sekundärstromkreis der Stromwandler eingefügt sind. An die Kunstschaltung
76 sind die Phasenwicklungen S', T' und U', an die Kunstspannung 78 die Phasenwicklungen
S, T und U der mehrphasigen
Rotonvicklungen 67 bzw. 66 angeschlossen.
Die Stromwandler 72, 73 und 74 und die Rotonvicklungen 66 und 67 der Relais
sind im wesentlichen in der in Fig. z dargestellten Schaltung miteinander verbunden.
An Stelle eines einphasigen Relais zur Erfassung der Nullphasenkomponente, welches
in die Verbindung der Sternpunkte der Spannungswandler und der Sternpunkte der Ständenvicklungen
bzw. in die Verbindungsleitung der Sternpunkte der Stromwandler und der Sternpunkte
der Rotorwicklungen -eingeschaltet ist, wird ein von Strom und Spannung in entgegengesetztem
Sinne beeinflußtes Relais 6o vorgesehen. Die Spannungswicklung 57 dieses Relais
liegt zwischen denn Sternpunkt der Sekundärwickliulgen der Spannungswandler einerseits
und den miteinander verbundenen Sternpunkten der Ständenvicklungen der Relais 61
und 62 andererseits. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Wicklung 57 von
der Nullphasenkomponente. der Spannung des Drehstromsystems erregt wird.
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Die Stromwicklung 59 des Relais 6o liegt in entsprechender Weise zwischen
dem Sternpunkt der Sekundärwicklung der Stromwandler und den miteinander verbundenen
Sternpunkten der Rotorwicklung 66 und 67. Der Strom in der Spule 59 entspricht dann
der Nullphasenkomponente des Stromes. Das Relais 6o wirkt wie :ein Impedanzrelais
und kann somit als Zeitrelais dienen, dessen Laufzeit von der Entfernung der Fehlerstelle
vom Relaisort abhängig ist.
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Es ist offensichtlich, daß die elektrischen Verbindungen der Ständenvicklungen
63 und 64 und der Rotorwicklungen 66 und 67 vertauscht werden können. Desgleichen
kann das Relais 6o auch fortgelassen werden. Es kann ein einphasiges Relais vorgesehen
werden, das auf die Nullphasenkomponente der Spannung - oder das auf die Nullphasenkomponente
des Stromes anspricht an Stelle des Relais 6o, welches von der Nullphasenkomponente
der Spannung und des Stromes beeinflußt wird, Relais 6o kann auch ein wattmetrisches
Relais sein oder ein Blindwattmeterrelais und kann dann als Richtungsrelais wirken,
welches von der Nullphasenkomponente von Strom und Spannung beeinflußt wird.
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Die mehrphasigen Relais 61 und 62 können ebenfalls wattmetrische
Relais oder Richtungsrelais oder Impedanzrelais sein, je nachdem, welches Schutzsystem
zum Schutz der Leitung r t angewendet werden soll. Es ist auch gleichgültig, ob
die Ständerwicklungen oder die Rotorwicklungen des Relais von den Strömen oder den
Spannungen des Netzes erregt werden. Da die beiden Wicklungen des Relais 61 von
den positiven Phasenfolgekomponenten der Spannung und des Stromes erregt werden,
wird das Ansprechen dieses Relais offenbar von der Energierichtung dieser Phasenfolgekomponente
von Strom und Spannung oder von der Lage des Fehlers abhängen, je nachdem, ob das
Relais 61 nur ein einfaches Richtungsrelais oder ein Impedanzrelais ist. Entsprechend
hängt das Ansprechen des Relais 6a von den negativen Phasenfolgekomponenten der
Spannung und des Stromes der Leitung ab.
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Aus der Beschreibung geht hervor, daß das Relais 61 bei allen vorkommenden
Fehlern im Leitungsnetz r z ansprechen wird; die Größe seiner Erregung wird von
der Art und Schwere des Fehlers abhängen. Das Relais 62 wird bei allen Fehlerfällen
mit Ausnahme des dreiphasigen Kurzschlusses ansprechen, während das Erdschlußrelais
6o nur bei einem einfachen oder Doppelerdschluß in Tätigkeit tritt.
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Bezüglich Fig.5 sei darauf hingewiesen, daß die Kunstschaltungen 56
und 58 miteinander vertauscht werden können. Die Ständerwicklungen 63 und 64 werden
dann im Gegensatz zu der zuerst gemachten Annahme derart erregt, daß die Wicklung
63 von der negativen und die Wicklung 64 von der positiven Phasenfolgekomponente
der Spannung erregt wird, während bei den Rotorwicl~Iungen 66 und 67 nichts geändert
wird.
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Statt "dessen kann auch die Anderung Platz greifen, daß die Wicklungen
66 und 67 von der negativen bzw. von der positiven Phasenfolge des Stromes :erregt
werden, wenn man nämlich die Kunstschaltungen 76 und 78 so ausbildet, daß die erstere
die positive Phasenfolgekomponente heraussiebt und die zweite die negative Phasenfolgekomponente
des Leitungsstromes.
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Da die beiden mehrphasigen Relais 61 und 62 einander gleich
sind, ist es bei jedem Relais möglich, die Ständerwicklung durch die positive oder
die negative Phasenfolgekomponent:e der Spannung oder des Stromes und die Rotonvicklung
durch die positive oder die negative Phasenfolgekomponente des Stromes oder der
Spannung zu erregen.
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Um bei einem mehrphasigen Relais die Ständerwicklung durch die positive
oder negative Phasenfolgekömponente des Stromes und die Rotorwicklung durch die
positive oder negative Phasenfolgekomponente der Spannung zu erregen, braucht man
nur anzunehmen, daß die Wicklung 63 und 64 der Relais 61 und 62 die Retonvicklungen
und die Wicklungen 66 und 67 die Ständerwicklungen sind.
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Es ist möglich, die mehrphasigen positiven, negativen und Nullphasenfolge-Elemente
in jeder beliebigen gewünschten Kombination zu
vereinigen. Zum Beispiel
kann jede beliebige Komponente der Spannung mit derselben oder einer anderen Komponente
der Spannung kombiniert werden; jede beliebige Komponente des Stromes kann mit derselben
oder anderen Komponenten des Stromes kombiniert werden; jede beliebige Komponente
der Spannung kann mit der entsprechenden oder einer anderen Komponente des Stromes
kombiniert werden. Im Relais selbst können solche Phasenverschiebungen angewendet
werden, daß sich ein Relais der Wirk-Wattmetertype oder der Blind-Wattmetertype
ergibt oder auch andere Winkelbeziehungen vorhanden sind. Wie bereits gesagt wurde,
kann das Relais auch das Verhältnis je einer Komponente aus Spannung und
Strom messen, beispielsweise wenn es ein Impedanzrelais ist. Die Relais können auch
so beschaffen sein, daß sie die Summe oder die Differenz oder das Verhältnis ungleicher
Größen ergeben.
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Es kann auch zweckmäßig sein, die Empfindlichkeit der mehrphasigen
Relais einstellbar zu machen. Zu diesem Zweck kann man Anordnungen vorsehen, mit
deren Hilfe das übersetzungsverhältnis der Wandler oder die Windungszahlen in den
Relais geändert werden können. Ein Vorteil ist dabei, daß es durch Einstellen der
Relais möglich ist, zu erreichen, daß ihre Ansprechempfindlichkeit für solche Fehler,
bei denen das Gleichgewicht gestört wird, einstellbar ist, ohne daß die Empfindlichkeit
der Anordnung für symmetrische Belastung oder für Fehler, welche eine symmetrische
Belastung hervorrufen, ebenfalls mitgeändert wird.
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Es können zur Durchführung der Erfindung auch andere Kunstschaltungen
zum Heraussieben der einzelnen Phasenfolgekomponenten verwendet werden, als in den
Ausführungsbeispielen wiedergegeben sind. Zum Beispiel können an Stelle der induktiven
Widerstände kapazitive Widerstände in den Kunstschaltungen verwendet werden. Der
einzige Unterschied, der eintritt, wenn die induktiven Widerstände durch kapazitive
Widerstände ersetzt werden, besteht darin, daß die Kunstschaltung dann an Stelle
der negativen Phasenfolgekomponente die positive Phasenfolgekomponente herauszieht,
und umgekehrt.