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Schutzrelais für elektrische Wechselstromanlagen mit zeitabhängiger
Auslösung Es ist ein Distanzrelais zum Schutz elektrischer Wechselstromanlagen bekannt,
bei welchem im Gitterkreis eines Dampfentladungsgefäßes zwei Spannungen wirksam
sind, von denen die erste im Sinne der Sperrung des Entladungseinsatzes in dem Gefäß
wirkt und der Kurzschlußspannung der zu schützenden Leitung proportional ist, während
die zweite die umgekehrte Polarität besitzt wie die erste und zeitproportional ansteigt,
und zwar mit einer Steilheit, die dem Kurzschlußstrorn in der zu schützenden Leitung
proportional ist.
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Es ist außerdem bekannt, bei einer derartigen Einrichtung zwischen
die Gleichrichter, welche eine dem Kurzschlußstrom der zu schützenden Leitung proportionale
Gleichspannung liefern, die dann mittels eines sogenannten Verzögerungskreises (Widerstand
und Kondensator bzw. Widerstand und Drosselspule) in die zeitproportional ansteigende
Spannung umgeformt wird, zwischen die Gleichrichter und die Verzögerungskreise Kondensatoren
parallel zu den Gleichrichtern einzuschalten, um die dem Kurzschlußstrom proportionale
Gleichspannung zu glätten.
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Die Erfindung löst das Problem, die Auslösezeiten bei derartigen zeitabhängigen
Relais von dem Impedanzwert der zu schützenden Leitung in dem Sinne abhängig zu
machen, daß für Impedanzwerte unterhalb eines bestimmten Mindestbetrages (Anfangsimpedanz)
die Auslösung ohne Verzögerung erfolgt, und daß erst oberhalb des genannten Impedanzwertes
eine Auslösung mit einer vom Impedanzwert abhängigen Auslösezeit stattfindet. Dabei
kann die Abhängigkeit der Auslösezeit von der Impedanz, wie in Fig. i oder wie in
Fig. 2 dargestellt, erwünscht sein.
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Gemäß der Erfindung wird zu diesem Zweck im Gitterkreis der in an
sich bekannter Weise den Auslösestrom für den Ölschalter liefernden Röhre außer
der zeitproportional ansteigenden, vom Verzögerungskreis gelieferten Spannung auch
eine sofort auftretende, von der Höhe des Kurzschlußstromes abhängige, im auslösenden
Sinne wirksame Spannung vorgesehen.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht.-Abb.3
zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der zur schützende Anlageteil i speist
die aus der Röhre 8, der Gittervorspannungsbatterie 7, dem Gittervorwiderstand io
und der Anodendrossel g bestehenden Relaiseinrichtung über einen Stromwandler :2.
Der Kurzschlußstrom erzeugt dann in einem Stromwandler 3 eine ihm proportionale
Spannung, die über die Gleichrichter q: und den Widerstand 5 dem Kondensator 6 zugeführt
wird. Am Kondensator 6 entsteht daher eine mit dein Strom proportionale Spannung
ztl, die anfänglich auch proportional mit der Zeit ansteigt.
Aus
wirtschaftlichen Gründen kann der Kondensator 6 der Zeitv erzögerungseinrichtung
5,- 6 nicht größer als etwa 15 @uF gewählt «-erden. Der Widerstand 5 müßte
daher eine Größe von etwa i MP entsprechend einer Zeitkonstanten von io Sek. erhalten.
Bei einen derartig hohen Vörschaltwiderstand versagen aber die tiblichen Trockengleichrichter
.l vollständig. Der Widerstand dieser nicht idealen Gleichrichter beträgt in der
Vorwärtsrichtung meistens einige Ohm, in der Sperrichtung einige tausend Ohm. Bei
Vorschaltung eines Widerstandes von i MO wird also das Widerstandsverhältnis gleich
100 1000
1000001 , d. h.. es findet praktisch überhaupt keine Gleichrichtung
statt. Die Verhältnisse wären günstiger, wenn man Gleichrichter mit sehr kleinen
Flächen (etwa i mm') verwendet. In diesem Fälle werden die Vor- und Rückwärtswiderstände
entsprechend größer und das Widerstandsverhältnis daher günstiger. Am günstigsten
werden die Verhältnisse, wenn der Widerstand 5 ganz durch den Vorwärtswiderstand
des Gleichrichters, gebildet wird; in diesem Falle wird die Gleichrichtung sehr
gut. Da aber die Widerstände der Gleichrichter sehr veränderlich sind (bis zu 5o
1/0 durch Temperatur und Belastung), ist eine derartige Anordnung praktisch nicht
brauchbar.
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Zwischen der Verzögerungseinrichtung 5, 6 und der Gleichrichteranordnung
q. ist daher parallel zu der letzteren ein Kondensator il angeordnet, der in der
Vorwärtsphase fast sofort auf die volle Spannung aufgeladen %vird, in der Sperrphase
dagegen die Spannung fast ungeändert beibehält: Der Verzögerungskreis liegt also
an einer annähernd konstanten Gleichspannung, deren Höhe von dein Kurzschlußstrom
bestimmt wird.
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Die Spannung der Anlage i wird über einen Wandler 1a und eine Gleichrichteranordnung
13 (Trockengleichrichter) einem Kondensator 14 zugeführt, der im Gitterkreis der
Röhre 8, und zwar in Reihe mit dem Kondensator 6, liegt. Die dem Kondensator arl
zugeführte Gleichspannung ist dann der Leitungsspannung proportional.
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Die Vorspannungsbatterie 7 wird so eingestellt, daß die Röhre 8 bei
dem Gitterpotential o Volt zündet. Die Röhre wird zünden, wenn die Spannung itl
= cl # T # t am Kondensator 6 gleich der Spannung zt2 = c. #
U am Kondensator 14 wird. Die Auslösezeit ergibt sich also zu
d. h. proportional mit der Impedanz der zu schifitzenden Anlage. In vielen Fällen
ist es erwünscht; daß die Auslösezeit bis zur Erreichung einer gewissen Impedanz,
der Anfangsimpedanz, klein bleibt und erst von dort ab ansteigt: Dies kann nach
Fig. i gleichmäßig oder nach Fig. mit einem bestimmten Sprung in der Zeitkennlinie
erfolgen.
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Das stetige Ansteigen kann mit einer Schaltung nach Fig. 3 erreicht
werden. Der Kürzschlußstrom erzeugt im Gitterkreis zwei Spannungen, und zwar eine
zeitlich konstante Spannung ito = c, # I und eine proportional mit der Zeit
ansteigende Spannung ul=cl#T # t.
Wird die Impedanz kleiner als so zündet
die Röhre sofort. Für
höhere Impedanzen wird die Auslösezeit
Die zeitlich konstante Spannung wird in der Anordnung nach Fig.3 entweder durch
eine besondere Wicklung 16 oder durch eine Anzapfung 15 des Verzögerungswiderstandes
5 in der Zeichnung (punktiert dargestellt) hergestellt. Im letzteren Falle ist das
linke Ende des Widerstandes to unmittelbar mit einem Anzapfpunkt des Widerstandes
5 verbunden, während die Wicklung 16 wegfällt.
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Die Stufencharakteristik nach Fig. 2 kann mit einer Schaltung nach
Fig. 4. erreicht werden. Diese Schaltung enthält die wesentlichen-Teile der Schaltung
nach Fig. 3. Außerdem hat der Stromspannungswandler 3 noch eine weitere Anzapfung
17, die über eine besondere' Vorspannungsbatterie 2o zu dem Gitter einer zur Röhre
8 parallel geschalteten Röhre i8 führt: Die beiden Röhren 8 und 18 arbeiten völlig
unabhängig voneinander. Bis zur Anfangsimpedanz -o, die durch die Anzapfung 17 des
Transformators bestimmt wird, spricht die Röhre i8 sofort an. Für höhere Impedanzen
spricht die Röhre 1ß überhaupt nicht an, die Auslösung erfolgt nunmehr durch die
Röhre 8 mit einer ständig steigenden Aüslösezeit. Durch die Parallelschaltung der
beiden Röhren auf eine gemeinsame Auslösespule 9 ergibt sich die gewünschte Stufencharakteristik
nach Fig. 2.
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Fig.5 zeigt eine Schaltung, um dieselbe Wirkung mit einer Röhre zu
erreichen. Die Schaltung enthält im wesentlichen dieselben Teile wie die Schaltung
nach Fig. 3. Außerdem ist der Stromwandler 3 im Punkt i9 angezapft, und die angezapfte
Spannung wird mittels des Gleichrichters .4Q und des Zwischenkondensators i i' gleichgerichtet
und geglättet. Die beiden vom Strom erzeugten Gleichspannungen, die sofort vorhandene
Spannung am
Kondensator i i' und die langsam ansteigende Spannung
am Kondensator 6 sind über Gleichrichter a 2 und 23 an das Gitter der Röhre 8 angeschlossen,
und zwar parallel zueinander.
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Die Parallelschaltung über die Gleichrichter wirkt nun derartig, daß
das Gitter immer an der höchsten der beiden Spannungen liegt. Ist die Spannung am
Kondensator i i' am größten, so fließt ein sehr kleiner Strom über den Gleichrichter
z2 ('in Vorwärtsrichtung) mit dem Vorwärtswiderstand R,, und über den Gleichrichter
23 mit dem Sperrwiderstand RS zum Kondensator 6. Die beiden Gleichrichter wirken
deshalb wie umschaltbare Spannungsteiler, die sich jeweils so einstellen, daß das
Gitter der Röhre S an die höchste Spannung zu liegen kommt. Infolgedessen ergibt
sich dieselbe Charakteristik wie bei den beiden parallel geschalteten Röhren in
Fig. ,a:.
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Mit Rücksicht auf den hohen Widerstand 5 müssen die Rückwärtswiderstände
der beiden Gleichrichter 22 und 23 möglichst groß sein. Falls sie etwa fünfmal größer
sind als der Widerstand 5, wird eine Änderung der Sperrwiderstände um iooo/o die
Auslösecharakteristik nur noch um io°/a beeinflussen können. Da der Vorwärtswiderstand
der Gleichrichter bei einem Widerstandsverhältnis von etwa i : iooo überhaupt keinen
Einfluß auf die Auslösezeit hat, sind keine Schwierigkeiten bezüglich der veränderlichen
Gleichrichterwiderstände vorhanden.
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Die bisherigen Relais waren alle unabhängig von der Phasenverschiebung
zwischen Strom und Spannung. Die Erfindung läßt sich aber auch sehr vorteilhaft
bei Phasenabhängigen Relais anwenden. Fig. 6 zeigt ein energierichtungsabhängiges
Reaktanzzeitrelais mit Stufencharakteristik nach Fig.2; während Fig.7 die Spannungskurven,
die am Gitter der beiden Röhren wirksam sind, darstellt. Die Stromwandler 3 und
3' mit den Wicklungen 25 und 24. erzeugen zusammen eine hohe Sperrspannung it, (Fig.
7), die einmal je 36o° verschwindet. Der Stromwandler 3' arbeitet sekundärseitig
auf einen Ohmsehen Widerstand 26 und erzeugt eine Spannung, die für i = o verschwindet.
Der Wandler 3 ist sekundärseitig offen und erzeugt deswegen eine Spannung, die der
obengenannten gegenüber um 9o° verschoben ist.
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Da die Spannung an der Wicklung 2,5 nur einseitig gleichgerichtet
wird, ergibt sich als resultierende Spannung die Kurve u1 in Fig. 7.
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Bei den bisher vorgeschlagenen Röhrenrelais dieser Art hat man immer
eine Sperrspannung verwendet, die zweimal je 36o° %-erschwindet. Dies ist auch ohne
weiteres möglich, wenn man eine auslösende Spannung verwendet, die nur über iSo°
wirksam ist (einseitige Gleichrichtung), was bekanntlich bei sofort wirkenden Relais
leicht möglich ist. Bei einem Reaktanzzeitrelais steigt dagegen die auslösende Spannung
langsam an. Wenn man bei diesem Relais auch die Energierichtung überwachen will,
muß man eine Sperrspannung verwenden, die für die volle Periode nur einmal verschwindet.
Die Wicklung 27 erzeugt eine Spannung, die proportional mit yt ist. Sie wird mittels
der Gleichrichter 4. gleichgerichtet und läßt den Kondensator 28 über den Widerstand
29 auf (Kurve 1t-1). i I ist der Kondensator zwischen den Trockengleichrichtern-
und dem Verzögerungskreis.
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Der Spannungswandler 12 erzeugt mit der Wicklung 3o eine einseitig
gleichgerichtete Wechselspannung it, (Fig. 7). Die Röhre 3i wird auslösen, wenn
die langsam ansteigende Spannung
gleich oder größer als die Spannungit:= wird. Da die Sperrspannung it, die Auslösung
nur freigibt, wenn i = o ist; ergibt sich die Auslösezeit zu
d. h. direkt proportional der Induktiv ität L (oder der Reaktanz X) der zu überwachenden
Anlage.
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Das Gitter der Röhre 32 liegt zusätzlich noch an einer sofort
vorhandenen Spannung
Sie wird daher sofort auslösen, wenn die Reaktanz unter einen gewissen Wert sinkt.
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Der Spannungswandler 12 erzeugt mit der Wicklung 33 eine- einseitig
gleichgerichtete Wechselspannung u3 (Fig. 7), die zur Kontrolle der Energierichtung
dient. Falls das Relais auslösen soll, wirkt die Spannung tt3 in den Zeiten, wo
die Sperrspannung it, sowieso schon eine Auslösung des Relais auf jeden Fall verhindert
(wie es in Fig.7 dargestellt ist). Fließt dagegen die Energie nach der anderen Richtung,
so verschiebt sich die Spannung i(, um iSo°; so daß sie die Auslösung des Relais
während der Freigabezeiten t' (Fig. 7) verhindern oder jedenfalls verzögern wird.
Mittels Kondensatoren und Widerstände 3..1 und 35 kann man der Spannung tt, eine
geeignete Phasenverschiebung geben.
Damit die Sperrspannung u1 und
die Richtungsspannung ats möglichst rasch ansteigen, wird man die Widerstände 36,
37 und 38 spannungsabhängig machen, z. B. spannungsabhängige Widerstände verwenden,
so daß der Widerstand bei höheren Spannungen kleiner wird.
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Zur Herstellung eines energierichtungsabhängigen Impedanzrelais braucht
man nur die Spannung u2 (Fig. 7) mit Hilfe eines Kondensators i i' (Fig. 6) auszuglätten.
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Die Vo.rspannungsbatterien 39 und d.o dienen wie bei der Anordnung
nach Fig. 7 dazu, die Zündpotentiale der beiden Röhren auf o Volt einstellen zu
können.
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Anstatt mit zwei Röhren kann man die stufenweise ansteigende Auslösezeit
auch mit Hilfe einer Röhre in der Gleichrichterschältung nach Fig. 5 erreichen.
An den übrigen Anordnungen wird hierdurch nichts geändert.
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Bei den beschriebenen Beispielen wurde immer die Verzögerung mittels
der Rufladung eines Kondensators gewonnen. Als Verzögerungselement kann aber auch
eine Drossel mit großer Induktiv ität und kleinem Widerstand verwendet werden. Bei
dieser Anordnung wird der Strom entsprechend der Gleichung
ansteigen, und auch in diesem Falle ist die Verwendung von Trockengleichrichtern
nur in Verbindung mit einem Zwischenkondensator möglich.
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Die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung beschränken sich nicht nur
auf Röhrenrelais, man kann sie auch für' polarisierte Relais anwenden. In diesem
Falle können alle die bisher beschriebenen Schaltungen benutzt werden. Man hat nur
an die beiden Klemmen Gitter und Kathode die Wicklung eines polarisierten Relais
anzuschließen, damit die Kondensatoren usw. nicht über die Relaiswicklung aufgeladen
werden, so daß der Strom nur in Richtung der Auslösung über die Relaiswicklung fließen
kann. Es ist dabei zweckmäßig, eine hochohmige Wicklung und ein möglichst empfindliches
Relais zu verwenden.