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Differentialschutzeinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf ein sehr
schnell arbeitendes Differentialrelais für inehrphasige Anlaggeteile, welches sowohl
einphasig als auch mehrphasig ausgebildet sein kann, zum Schutz von elektrischen
Apparaten oder Maschinen bei innerem Fehler.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Schutzeinrichtung
für Generatoren und Transformatoren, bei denen es wesentlichdarauf ankommt, die
Größe des Schadens in einem Fehlerfall durch möglichst rasche Abschaltung des Fehlerstromes
klein zu halten. Außerdem aber ist die Verwendung eines außerordentlich rasch arbeitenden
Differentialschtitzrelais mit Rücksicht auf die Schnellschutzschaltungen der Leitungsschutztechnik
vorteilhaft; denn wenn das Differentialschutzrelais nur sehr träge und mit großer
Zeitverzögerung in Tätigkeit treten el b
kann, wird es unmöglich, die bei
Leitungsschutzeinrichtungen erzielbaren kurzen Zeiten auszunutzen. Die äußerste
Schnelligkeit in der Abschaltung eines kranken Anlageteiles ist außerdem wichtig
' um zu verhindern, daß parallel arbeitende Erzeugeranlagen außer Tritt fallen.
Der schnell arbeitende Differentialschutz für Transformator-en und Generatoren muß
also Hand in Hand arbeiten mit der Schnellschutzeinrichtung der Leitungsstrecke.
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Bekanntlich -ruft die Einschaltung eines Transformators aber einen
Magnetisierungsstromstoß hervor, dessen Stärke von dem Augenblick der Einschaltung
abhängt und der eine Ungleichheit der Erregungen der Stromwandler beiderseits des
Transformators hervorruft. Diese Störung des Gleichgewichts der Erregung der Stromwandler
besteht t' el
während einer größeren Zahl der Perioden des Leitungsstromes
und ist beispielsweise innerhalb einer Zeit von % Sek. bis zu 5 Sek.
feststellbar. Ein empfindliches Differentialschutzrelais kann dadurch während dieser
Zeit ansprechen.
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Die Erfindung beseitigt diese Schwierigkeit, die durch den Magnetisierungsstromstoß
ausgelöst ist, indem sie von der Erkenntnis Gebrauch macht, daß mit diesem Magnetisierungsstrornstoß
nur ein einseitiger Zusammenbruch der Spannung, d. h. nur eine Verminderung
der Spannungshalbwelle auf der einen Seite der Nullinie der Spannung verbunden ist,
während in einem Fehlerfall gleichermaßen die positiven und die negativen Halbwellen
der Spannung verringert werden. I5a während des Einschaltvorganges also die eine
Halbwelle der Spannung stets vorhanden bleibt, solange der Magnetisierungsstrornstoß
besteht, können spannungsabhängige Relais verwendet werden, welche für die Dauer
des Magnetisierungsstromstoßes ansprechen, wenn die entstehenden Spannungen in allen
Phasen einen normalen Wert erreichen, aber bei innerem Fehler im zu schützenden
Transforrnator nicht alle ansprechen. Diese spannungsabhängigen Relais können dabei
Ruhekontakte unterbrechen, bevor der Auslösestromkreis durch das Ansprechen des
DiAerentialschutzrelais vollendet wurde.
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Durch diese Anordnung wird ein richtiges Verhalten der Relaiseinrichtung
unter den verschiedensten Arbeitsbedingungen gesichert, nämlich wenn ein gesunder
Transformator eingeschaltet wird oder wenn ein fehlerhafter Transformator eingeschaltet
wird oder wenn infolge Abschaltung eines Leitungsfehlers in der Nähe des geschützten
Transformators, welcher eine Erniedrigung der Transformatorspannung verursacht hatte,
die Leitungs-.Spannung wiederhergestellt wird. In all diesen Fällen arbeitet die
Differentialschutzeinrichtung nach der Erfindung richtig, was nicht auf Kosten der
hohen Empfindlichkeit des Schutzes oder auf Kosten der Schnelligkeit des Schutzes
bei innerem Fehler erreicht ist.
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Die Erfindung ist durch die Zeichnung erläutert. Diese stellt jedoch
nur ein Beispiel einer Ausführungsform der Erfindung dar, so daß die Erfindung nicht
auf die dargestellte Anordnung beschränkt ist.
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In dem Ausführungsbeispiel ist eine Differentialschutzschaltung für
einen dreiphasigen Transformator i dargestellt, welcher mit einer in Stern geschalteten
Wicklung mit der Speiseleitung 2 verbunden ist und sekundärseitig eine Dreieckwicklung
besitzt. In der Speiseleitung 2 liegt ein Schalter 3; auf der Sekundärseite
ist ein Schalter 5 zur Abschaltung der Leitung 4 vorgesehen. Die Leitung
4 ist beispielsweise mit einer Sammelschiene 6
verbunden. Die Anordnung nach
der Erfindung umfaßt dreiv unverzögert arbeitende Differentialrelais ii-, i:z und
13, deren Verhalten vom Verhältnis des Differenzstromes zum Durchgangsstrom abhängig
ist. Ferner gehören zu der Einrichtung drei'Spannungsrelais 14, 1,5 und 16, die
ebenfalls unverzögert arbeiten und von denen je eins je einer Phase
zugeordnet ist. Weiter sind vorhanden ein Zeitrelais 17, ein Hilfsrelais 18 und
ein Hilfsschütz ig.
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Die Differentialschutzrelais 11, 12 und 13
sind untereinander
gleich. jedes besitzt einen nach Art eines Waagebalkens ausgebildeten und beweglich
angeordneten Anker 21. Der Drehpunkt dieses Ankers ist bei 22. Dieser Anker besteht
in -seinem mittleren StÜck:23 aus einem nichtmagnetisierbaren Material, während
die beiden Enden 24 und :25. aus magnetisierbarem Material bestehen. Diese beiden
Enden sind also magnetisch von#inander isoliert, aber mechanisch durch das Zwischenstück:23
starr miteinander verbunden. An dem einen Ende des Ankers 21 ist ein Kontaktarm
26 angebracht, und ein Gegengewicht 27 hält den Kontaktarm
-96 normalerweise offen.
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Der Anker 27 steht unter der Einwirkung zweier Elektromagnete,
deren Magnetkerne in der Figur mit 28 und 2,9 bezeichnet sind. Beide Magnetkerne
sitzen auf einem gemeinsamen Träger 3o aus magnetisierbarem oder nichtmagnetisierbarem
Material. Der Magnet 28 wirkt im Sinne einer Öffnung des Kontaktes
26, d. h. er unterstützt das Drehmoment, welches durch das Gegengewicht
27
auf den Anker ausgeübt wird. Der Elektromagnet ?-9 wirkt entgegengesetzt.
Der Haltemagnet 28 besitzt zwei Spulen 31 und 32, die von je einem
Stromwandler derselben Phase der Wandlersätze 33 und 34 gespeist werden.
Der Magnet:29 trägt eine Wicklung 35, die in entgegengesetztera Sinne von
den Strömen beiderseits des zu schützenden Transformators i erregt wird.
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Im Normalzustand, wenn der auf der einen Seite in den Transformator
i eintretende Strom diesen auf der anderen Seite wieder verläßt, wenn also kein
innerer Fehler vorliegt, haben die Ströme in den Spulen 35 entgegengesetzte
Richtung. In den, Spulen 31
und 32 dagegen unterstützen sie sich in
der Offenhaltung des Kontaktes 26. Wenn aber ein Fehler innerhalb des Schutzbereiches
der Differentialschutzeinrichtung entsteht und wenn Fehlerstrom von beiden Seiten
in den fehlerhaften Transformator hineinfließt, sind die Differentialschutzrelais
so empfindlich wie möglich und sprechen bereits auf den kleinsten
Differenzstrom
an. Bei der Transformatorschutzeinrichtung empfiehlt sich eine Einstellung der Empfindlichkeit
auf einen Differenzstrom, welcher :25 '/,) vom Durchgangsstrom beträgt. Wenn es
sich dagegen um den Schatz eines anderen Generators handelt, werden die Relais zweckmäßig
auf einen Differenzstrorn, welcher von der ' GrößenordnUng 2 bis
5 % des Durchgangsstromes ist, eingestellt.
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Um ein fehlerhaftes Ansprechen der Schutzeinrichtung zu verhindern,
wenn ein Magnetisierungsstronistoß entsteht, sind die drei Spannungsrelais 14, 15,
16 vorgesehen, welche von der Spannung des zu schützenden Transformators i erregt
werden. Diese Spannung kann einem Spannungswandler 4o entnommen werden, der an den
Klemmen des Transformators liegt oder, wie dargestellt, an den Sammelschienen
6 liegt. Im letzteren Fall ist vorausgesetzt, daß der Hilfskontakt 41 des
Leitungsschalters 5 geschlossen ist, wenn die eine Wicklung des Transformators
i mit der Sammelschiene 6 verbunden ist. Der Hilfskontakt 41 liegt in dem
Stromkreis, der von den Spannungsrelais gesteuert wird. Dieser Stromkreis ist geschlossen,
wenn die drei Spannungsrelais 14, 15 und 16 ihre Anker angezogen und ihre Kontakte
4:2 sämtlich geschlossen haben. Die Einstellung dieser Relais wird so gewählt, daß
sie ihren Anker anziehen, wenn ihre Spannung oberhalb von 8o oder go % der
Normalspannung liegt.
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Zur Schließung des über die Kontakte 42 verlaufenden Stromkreises
ist erforderlich, daß die vier Kontakte 41 und 42 sämtlich geschlossen sind. Dieser
Stromkreis soll geschlossen sein, wenn alle Phasen des Transformators i unter Spannung
stehen. Er soll unterbrochen werden, wenn eine Spannung des Transformators i zusammenbricht.
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Wenn dieser Stromkreis geschlossen wird, wird dadurch das Zeitrelais
17 erregt, welches an einer der Spannungen des Transformators 40 liegt. Dieses
Zeitrelais zieht seinen Anker langsam an und schließt seine Kontakte 43 erst nach
Ablauf einer gewissen Verzögerungszeit, welche vorteilhafterweise zwischen
% Sek. und 5 Sek. gewählt wird. Sobald das Zeitrelais 17 seine Erregung
verliert, kehrt es sofort in seine Ruhelage zurück, was in der Zeichnung dadurch
angedeutet ist, daß die Dämpfung nur bei Aufwärtsbewegung des el Relaisankers wirksam
ist.
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Wenn da ' s Zeitrelais 17 seinen Kontakt43 schließt, wird dadurch
ein Auslösestromkreis 45 geschlossen, wie im nachfolgenden beschrieben wird.
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In Reihe mit dem Kontakt 43 liegen die drei Kontakte 26 der
parallel arbeitenden Differentialschutzrelais 11, 12 und 13. Das Zeitrelais-17 ist
so eingestellt, daß es seinen Kontakt 43 erst schließt, nachdem die Differentialschutzrelais
11, 12 und 13, die etwa durch einen Magnetisierungsstromstoß zum Ansprechen gekommen
waren, vorher genügend Zeit hatten, in die Ruhestellung zurückzukehren. Auf diese
Weise wird eine fehlerhafte Abschaltung des Transformators i infolge des Einschaltstromstoßes
vermieden. Der Kontakt 43 des Zeitrelais bleibt dann geschlossen, so daß, wenn danach
eins der Schutzrelais 11, 12 und 13 anspricht, sofort der Auslösestromkreis 45 vollendet
ist.
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Die Schutzeinrichtung nach der Erfindung soll nun aber auch unverzögert
ansprechen, wenn bei der Einschaltung des Transformators ein innerer Fehler besteht
oder wenn ein Fehler im Transformator unmittelbar nach seiner Einschaltung entsteht,
noch bevor das Zeitrelais 17 seinen Kontakt 43 hat schließen können. Zu diesem
Zweck besitzt jedes der drei Spannungsrelais 14, 15 und 16 Kontakte 46, die geschlossen
werden, wenn die Relais ihre Anker fallen lassen. Diese Kontakte 46 sind untereinander
parallel geschaltet, so daß, wenn ein innerer Fehler vorliegt, der die Wirkung hat,
daß wenigstens eine der Phasenspannungen des Transformators bis unter den Ansprechwert
der Relais 14, 15 und 16 zusammenbricht, das betreffende Spannungsrelais seinen
Anker bei der Einschaltung des Transformators nicht anzieht, sofern der Fehler im
Transformator bei der Einschaltung bereits besteht. Wenn der Fehler dagegen unmittelbar
nach der- Einschaltung entsteht, läßt eins der drei Spannungsrelais 14,
5 und 16 seinen Anker sofort wieder fallen und schließt ebenfalls seinen
Kontakt.46.
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Die Anordnung ist so getroffen, daß, wenn einer der Kontakte
26 und gleichzeitig einer der Kontakte 46 geschlossen wird oder bereits geschlossen
ist, der Auslösestromkreis 45 geschlossen wird. Bei der Einschaltung des Transformators
i muß man damit rechnen, daß bei der Schließung des Schalters 5 nicht alle
Phasenleiter in genau demselben Zeitaugenblick geschlossen werden. Es können sich
da Zeitunterschiede ergeben, die einen Bruchteil einer halben Netzperiode oder auch
mehr betragen. Dadurch kommt dann der Anker i der Relais i 1, 12 und 13 in
Bewegung und führt möglicherweise eine Schließung seines Kontaktes 26 herbei,
bevor die drei Spannungsrelais 14, 15 und 16 genügend Zeit hatten, ihre Anker anzuziehen.
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Zur Überwindung dieser Schwierigkeit ist es unter Umständen zweckmäßig,
eine kurze Zeitverzögerung einzuführen, damit die drei Spannungsrelais Zeit erhalten,
ihre Anker anzuziehen, bevor der Auslösestromkreis 45
vollendet
wird. Diese Zeitverzögerung ist jedoch sehr klein, nämlich von der Größenordnung
bis zu i Periode der Netzfrequenz. Nur wenn die Zeitdifferenz zwischen der Schließung
der verschiedenen Kontakte des Schalters 5 größer als %Periode betragen kann,
muß diese Zeitverzögerung entsprechend größer gewählt werden.
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. Die erforderliche geringe Zeitverzögerung wird dadurch erzielt,
daß das Relais 18 über die Kontakte 26 erregt wird und dann seinerseits durch
seinen Kontakt 47 erst eine Unterbrechung im Auslösestrornkreis 45 schließen muß.
Der Kontakt 47 liegt in Reihe mit den erwähnten Kontakten 46, so daß der Auslösestromkreis
45 zustande kommt, wenn wenigstens einer der Kontakte. 46 und außerdem der Kontakt
47 geschlossen sind.
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Sobald der Auslösestromkreis 45 geschlossen ist, spricht ein Schütz
ig an, welches unverzüglich einen Kontakt 48 schließt. Dieser Kontakt stellt über
einen Druckknopfkontakt 49 eine zweite Verbindung des Stromkreises 45 mit der positiven
Klemme der Ortsstromquelle her. Das Schütz ig hält sich in einem Haltekreis über
den Druckknopfkontakt 49 selber. Ferner besitzt das Schütz ig zwei weitere Kontakte
5Q und 51, von denen der erstere im Erregerkreis der Auslösespule 52
des Schalters
5 liegt, während der zweite im Erregerkreis der Auslösespule 54 des Schalters
3' liegt. Die Erregerkreise der Auslösespulen 52 und 54 sind außerdem
über Hilfskontakte 53 und 55 der zugehörigen Schalter geführt, so.
daß sie im Augenblick der Schalteröffnung unterbrochen werden. Über eine Leitung
56 kann eine Erregung der Auslösespule 54 beim Ansprechen eines weiteren
nicht dargestellten Leitungsschutzrelais erfolgen. über eine Leitung 57 kann
in gleicher Weise die Auslösespule 52 erregt werden in Abhängigkeit von einem
Schutzrelais, welches beispielsweise die Sammelschienenanlage 6
oder einen
anderen Teil der Gesanitanlage schützt.
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Durch die Anordnung der Kontakte 5o und 51 wird bei einem inneren
Fehler im Transforrnator i bzw. den Leitungsstücken zwischen den Stromwandlersätzen
33 und 34 eine beiderseitige Abschaltung herbeigeführt, da die Schalter
3 und 5 geöffnet werden. Im Falle eines äußeren Fehlers dagegen ist
unter Umständen nur die Abschaltung des Schalters 3 oder nur die Auslösung
des Schalters 5
erforderlich. Aus diesem Grunde sind die Erregerkreise der
Auslösespulen 5?- und 54 voneinander getrennt.
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Eine Differentialschutzeinrichtung nach der Erfindung zeichnet sich
dadurch aus, daß der Schutz im Fehlerfalle mit großer Geschwindigkeit und Empfindlichkeit
anspricht, daß er aber unempfindlich ist gegen den Magnetisierungsstrornstoß bei
Einschaltung des Transformators und daß er praktisch unverzögert anspricht, wenn
ein Fehler entsteht, gleichgültig, ob dieser Fehler im Augenblick der Einschaltung,
also während des Vorhandenseins des Magnetisierungsstromst(Yß,--s entsteht oder
später.