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Zum Schutz von Energieverteilungsanlagen dienende, nur auf plötzliche
Änderungen der Stromphase ansprechende Relaisanordnung Es ist bekannt, zum Schutze
von Energievertcilungsanlagen Relais zu verwenden, die bei Rückstrom ansprechen:
Solche Relais werden sowohl vom Strom als auch von der Spannung b.eeinflußt. Ihnen
haftet der Nachteil an, däß gerade dann, wenn auf das Ansprechen des Relais das
größte Gewicht gelegt wird, nämlich bei einem Kurzschluß, die Spannung oft .so weit
zusammenbricht, daß das Relais infolgedessen. versagt. Es ist aus diesem Grunde
bereits vorgeschlagen worden, für die ausfallende Spannung eine Ersatzspannung zu
schaffen, beispielsweise indem ein von der Spannung erregter Motor mit großer Schwungmasse
einen Hilfsgenerator auch nach Wegbleiben der Netzspannung mit praktisch gleichbleibender
Geschwindigkeit noch so lange antreibt, daß das Energierichtungsrelais, dessen Spannungsspule
von dem Hilfsgenerator gespeist wird, noch richtig anzusprechen vermag.
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Gemäß ider. Erfindung wird eine nur auf plötzliche Änderungen der
Stromphaise ansprechende Relaisanordnungdurch zwei ständig rotierende oder ständig
schwingende und relativ zueinander bewegliche Systeme . geschaffen, von .denen nur
das eine-eine jederzeit von der Stromphase abhängige Winkellage hat, während das
andere eintretenden Phasenänderungen des Stromes nur mit Verzögerung folgt. Dieses
Relais kann dann in an sich bekannter Weise eine Meldevorrichtung oder auch eine
Abschaltvorrichtung auslösen.
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Zwei ständig rotierende Teile, deren relative Winkellage sich bei
einem Phasensprung des Wechselstromes (bei einer Umkehr der Energierichtung beträgt
dieser i8o°) ändert, sind beispielsweise die rotierenden Teile eines Synchronmotors
und eines Asynchronmotors, welche nachgiebig miteinander gekuppelt sind. Die Anordnung
kann derartig sein, daß, solange die Anlage in Ordnung ist, der Synchronmotor den-
Asynchronmotor mitnimmt; bei einer Umkehr der Energierichtung ändert sich,die Phase
des Stromes um i8o°, und der Anker des Synchronmotors bleibt infolgedes-. sen um
i 8.o, elektrische Grade relativ zum Rotor des Asynchronmotors zurück. Diese Relativbewegung,
welche :dadurch zustande kommt, daß der Strom -von der bis dahin befolgten periodischen
Änderung abweicht, wird dazu benutzt, ein Relais: zum Ansprechen zu bringen. Dies
kann durch Schließen oder Öffnen eines Kontaktes geschehen, wobei die Kontaktbetätigung
mechanisch oder z. B. auch durch einen Lichtstrahl oder einen Luftstrahl erfolgen
kann. Beispielsweise kann bei Anwen-
Jung eines Synchronmotors und
eines Asynchronmotors, solange beide in bleicher Winkellage laufen, das Licht einer
Lichtquelle von einer Selenzelle ferngehalten werden, während die Zelle bei der
im Störungsfalle eintretenden gegenseitigen Winkelverschiebung nicht mehr beschattet
wird. Zu dem Zweck können die Wellen der beiden Motore je eine Scheibe tragen, -die
einen Ausschnitt besitzt. Durch diese Ausschnitte kann ein Lichtstrahl nur bei einer
bestimmten gegenseitigen Winkellage der Scheibenausschnitte hindurchtreten und eine
Selenzelle erreichen. Die gleiche Anordnung kann auch verwendet werden, um einen
Luftstrahl zur Auslösung eines Kontaktes zu steuern. Wenn ein Lichtstrahl und eine
lichtempfindliche Zelle benutzt wird, können auch Spiegel zur Anwendung kommen,
deren-gegenseitige Lage geändert wird, oder auch ein Spiegel, dessen Reflexionsebene
bei Änderung der gegenseitigen .Winkellage der beiden rotierenden Systeme verdreht
wird.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung besitzt dadurch, daß sie vollkommen
unabhängig von der Spannung des Netzes arbeitet, nicht nur den Vorteil, daß sie
auch beim Zusammenbruch,der Spannung einwandfrei arbeiten kann; sondern bringt außerdem
auch noch eine Ersparnis an Spannungswandlern mit sich. Namentlich bei Höchstspannungsnetzen
ist diese Ersparnis sehr wertvoll, weil :die Spannungswandler für hohe Spannungen
sehr teuer sind.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Gemäß Abb. i kann eine zu schützende Starkstromleitung i an ihrem
einen Ende durch einen Leitungsschalter 2 abgeschaltet werden. Die Abschaltung des
Schalters 2 erfolgt dann, wenn ein A:uslösemagnet 3 Strom erhält. An der Leitung
i liegt ein Stromwandler 4. Von diesem werden die Feldspulen eines Synchronmotors
und eines Asynchronmotors -erregt. Der Synchronmotor besitzt ein Magnetsystem io,
das beispielsweise aus einem permanenten Magneten besteht, und Feldspulen 5 und
6. Der Asynchronmotor besitzt einen Rotor i i und zwei Feldspulen 7 und B. Der Synchronmotor
und der Asynchronmotor sind Einphasenmotoren, welche außer den bereits genannten
Feldspulen noch Hilfsfel,dspulen besitzen. Die Hilfsfeldspulen .des Synchronmotors
sind mit 12 und 13 und die des Asynchronrnotörs mit z¢ und 15 bezeichnet. Beim Synchronrnotor
können diese Hilfsfeldspulen auch fehlen. Damit der Strom in den Hilfsfeldspulen
gegen den Strom in den Hauptfeldspulen in der Phase verschoben ist, ist beispielsweise
eine Eisendrossel 16 in Reihe mit den Hilfsfeldspulen geschaltet. Durch das Hauptfeld
und das Hilfsfeld sind die Drehrichtungen der beiden Mötore festgelegt, und zwar
drehen sie sieh in gleichem Sinne. Die Welle 17 des Synchronmotors trägt eine Gabel
18, die Welle i9 des Asynchronrnotors trägt einen Ouerarm 2o. Die Gabel -iS und
der O.uerärni 20 bilden zusammen eine Kupplung für den Sy nchronnrotor und den Asynchronmotör.
Die Gabel i8 ist so geformt, daß der Querarm 2o je nach seiner Winkellage zur Gabel
18 den oberen oder den unteren Gabelarm berührt. Auf den oberen Gabelarm ist ein
Isolierstück 21 aufgelegt. Der untere Querarrn ist dagegen nicht isoliert. Wenn
der Ouerarm 20 gegen den unteren Arm der Gabel iS anliegt, sind zwUi Schleiffedern
22 und 23, die auf den Wellen 17 und i9 schleifen, leitend miteinander verbunden.
Dadurch wird ein Relais 24 an eine Batterie 25 angeschlossen. Außerdern ist noch
ein UJ@berstrornrelais 9 vorgesehen, welches beispielsweise in Reihe mit den Hauptfeldspülen
der Motore liegt.
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Während des normalen Laufes treibt der Synchronmotor den Asynchronnrotor
an. -Der Ouerarm 2o drückt dabei gegen das IsolierstüCk 21. Der Erregerstromkreis
des Relais 2.4 ist :dann unterbrochen. Wenn sich jetzt die Energierichtung in:der
Leitung i infolge eines Kurzschlusses auf der Leitung umkehrt, so erfahren dadurch
auch die Erregerströme in den Feldspulen der Motore eine nicht periodische Phasenänderung
um i8o°. Der Asynchronmotor wird dadurch nicht beeinflußt, sondern läuft mit nahezu
synchroner Tourenzahl ruhig weiter. Der Anker des Synchronmotorsdagegen fällt um
iSo elektrische Grade zurück und läuft in dieser neuen Lage mit synchroner Tourenzahl
weiter, sofern er nicht außer Tritt fällt. Irn letzteren Falle wird er durch den
Asynchrömnotor wieder in Synchronismus gebracht. Durch das Zurückbleibendes Ankers
io legt sich der Querarrn 20 gegen den unteren Teil der Gabel 18. Dadurch wird Relais
24. eingeschaltet.
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Wenn die- Umkehrung des Stromes in der Leitung die Folge eines Leitungsfehlers
ist, hat auch :das Überstromrelais 9 seine Anker 27, 28 .geschlossen. Relais
2¢ schließt dann durch seinen Anker 29 für sich einen Haltestromkreis über Kontakt
28 und Kontakt 29. Gleichzeitig kommt über Kontakt -28 und den ebenfalls geschlossenen
Kontakt 27 des Überstromrelais 9,ein Stromkreis für die Auslösespule 3 zustande.
Der Leitungsschalter 2 wird also ausgelöst.
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Wenn nach Beseitigung des Fehlers der Leitungsschalter 2 wieder eingelegt
wird, springt der Asynchronmotor an und setzt 'den Synchronmotor in Gang, wobei
sich der Querballen 2o wiederum gegen den unteren Arm
der Gabel
i8 anlegt. Da je-doch das Überstromrelais g nicht ebenfalls anspricht, ist die Erregung
des Relais 294 ohne Wirkung. Ist der Fehler auf der Leitung aber noch nicht beseitigt,
so wird im allgemeinen die Spannung gar nicht ausreichen, um den Asynchronmotor
in Gang zu setzen; andernfalls spricht auch Relais g an, und der Auslösestromkreis
für Schalter 3 wird von neuem geschlossen. Relais g kann ein überstromrelais mit
Zeitverzögerung sein. Den.Anlauf des Asynchronmotor s kann man auch künstlich verzögern,
z. B. durch ein Wärmezeitrelais, das eine Sperrklinke, die den Rotor i i festhält,
nach Ablauf einer vom Strom abhängigen oder unabhängigen Zeit zurückzieht.
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Ein anderes Mittel, die Kontakte an. der Kupplung während der Anlaufzeit
der beeiden Motöre unwirksam zu machen, ist in Abb. 2 beispielsweise wiedergegeben.
Die Welle 17 des Synchronmotors trägt dabei wiederum die Gabel 18, und idie Welle
ig des Asynchronmotors trägt den Querarm 2o. Damit die leitende Verbindung zwischen
Querarm 2o und der Gabel 18 während des Anlaufes der Motore nach der Wiedereinschaltung
der Leitung nicht zu unerwünschter Abschaltung führen kann, schleift die Kontaktfeder
23 auf einem von der Welle ig isolierten Schleifring 3o, der mit der Welle ig und
dein Querarm 20 durch ein Zentrifugalpendel 31 erst dann leitend verbunden wird,
wenn -die Tourenzahl der Motore der normalen Drehzahl so nahe gekommen ist, elaß
der Synchronmotor mit Sicherheit auf idie synchrone Tourenzahl gelangt. Mit wachsender
Tourenzahl entfernen sich die Pendel 3 z entgegen .der Kraft einer Feder 32 von
der Welle ig und schieben .dadurch eine Muffe 33 gegen die Stirnfläche -des Schleifringes
30, wodurch -die leitende Verbindung zwischen Querarm 20 und Schleifring 3o hergestellt
wird. Bei .der in der Einleitung erwähnten Kontaktbetätigung durch einen Lichtstrahl
oder durch einen Luftstrahl oder Flüssigkeitsstrahl ist das Zentrifugalpendel entbehrlich,
wenn der Lichtstrahl, Luftstrahl oder Flüssigkeitsstrahl von dem einen Motor erst
bei ausreichender Geschwindigkeit :erzeugt wird.
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Die beschriebene Einrichtung läßt sich vorteilhaft .auch zum Schutz
von Leitungsstrecken verwenden, indem je eine Vorrichtung an jedem Leitungsende
angeordnet wird. Die Vorrichtungen steuern beispielsweise Umschalter für Verbindungsleitungen,
über welche Auslöseeinrichtungen für die Leitungsschalter an den Streckenenden miteinander
in Verbindung stehen.
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In Abib.3 ist ein Beispiel einer derartigen Schaltung schematisch
wiedergegeben. In den umrandeten Teilen q.o und 41 ist je eine auf eine plötzliche
Strorriphasenän.derung ansprechende Vorrichtung gemäß der Erfindung, z. B. der in
Abb. i ,dargestellten Form, zu denken. Bei Umhehr der Stromrichtung schließt die
Anordnung 40 einen Kontakt q.2 und erregt dadurch ein Relais 43. Relais 43 legt
einen doppelpoligen Umschalter qq. in die andere Lage. Gleicherweise steuert am
anderen Ende der Strecke eine Anordnung 41 einen Kontakt 45, wodurch ein Relais
46 erregt wird, Idas einen -doppelpoligen Umschalter 47 umlegt. Durch die Umschalter
44 und q.7 wird je ein Hilfsrelais 51 bzw. 52 an eine Verbindungsleitung angeschlossen.
Im Stromkreis der Hilfsrelais 51 und 52 liegt je eine Lokalbatterie 53 bzw. 5q..
Die Polarität .dieser Batterien .ist so gewählt, daß in der gezeichneten Ruhelage
der beidem Umschalter 44 und 4.7 kein Strom über die Fernleitungen 5o zustande kommt,
weil die Spannungen der beiden Stromquellen gegeneinandergerichtet sind. Auch wenn
die Urnschälter 44 und 4.7 beide zugleich oder annähernd gleichzeitig umgelegt werden,
bleibt die Leitung 5o und bleiben infolgedessen auch die Relais 51 und 52 stromlos.
Wenn sich dagegen die Stromrichtung nur an einem Leitungsende umkehrt und infolgedessen
nur der Umschalter 44 oder nur der Umschalter 47 umgelegt wird, werden dadurch die
beiden Batterien 53 und 54 untereinander mit den Relaisspulen 51 und 52 in Reihe
geschaltet, so daß beide Relais ansprechen. Das Ansprechen des Relais 51 hat zur
Folge, daß am einen Ende der geschützten Leitung ein Leitungsschalter 6o geöffnet
wird; durch ,das Ansprechen des Relais 52 wird am anderen Ende oder Strecke ein
Leitungsschalter 62 geöffnet.
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Um den Zustand,der Verbindungsleitung 40 zu überwachen, kann noch
ein Differentialrelais 63 verwendet werden, welches einen Alarm 65 auslöst, sobald
über die Fernleitung 5o ein Ausgleichsstrom von einem Leitungsende bis zum anderen
Leitungsende fließt oder die Fernleitung unterbrochen wird. Wenn die Anlage .in
ordnungsmäßigem Zustande ist, fließt über einen Widerstand 64 ein Ruhestrom, der
teils aus der Batterie 53 und teils aus der Batterie 54 stammt, der das Differentialrelais
63 aber nicht erregt. Wird die Fernleitungaber an irgendeiner Stelle unterbrochen
oder kurzgeschlossen, so wird nur noch die eine Spule des Differentialrelais oder
beide Spulen werden in gleichem Sinne erregt und lösen den Alarm 65 aus.