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Schutzeinrichtung für Drehstromnetze In den bekannten Sefektivschutzeinrichtungen
werden Anrege-, Richtungs- und Impedanzmeßglieder benutzt, die durch besondere Umschaltkontakte
auf die jeweils am Kurzschluß beteiligten Größen umgeschaltet werden. Durch diese
Umschaltung ist nicht nur ein gewisser Aufwand, sondern auch die Möglichkeit zu
Fehlern gegeben. Außerdem vermögen bei Sammelschienenkurzschlüssen die dem Kurzschluß
unmittelbar benachbarten, also die in der Station befindlichen Relais unter Umständen
keine eindeutige Energierichtungsangabe zu liefern, wenn infolge annähernd vollständigem
Zusammenbrechens der Spannung die Richtungsrelais kein hinreichendes Drehmoment
erhalten. Dies gilt sowohl für zwei- als auch für dreipoligen Kurzschluß. Da sich
Sammelschienenkurzschlüsse anfänglich meist als zweipolige Kurzschlüsse ausbilden
und erst nach einiger Zeit in dreipolige übergehen, bleibt der Kurzschluß auf einen
- zweipoligen beschränkt, wenn es gelingt, ihn hinreichend schnell abzuschalten.
Dies ermöglichen moderne Selel@-tivrelais, wenn- ihre Energierichtungsrelais in
diesen Fällen eindeutig arbeiten.
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DieErfindung bezieht sich auf eineDistanzschutzeinrichtung für Drehstromnetze
unter Verwendung symmetrischer Komponenten der Betriebsgrößen zur Erregung der Relais
und ist durch Unterwiderstandskipprelais oder Unterwiderstandszeitrelais gekennzeichnet,
welche die fehlerhafte Strecke um so früher zur Abschaltung bringen, je kleiner
der Scheinwiderstand des Mitsystems und je größer der Scheinwiderstand des Gegensystems
ist.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht die Vermeidung der oben
gekennzeichrieten Umschaltungen. Außerdem ergibt sich
sowohl bei
dreipoligen als auch bei zweipoligen Kurzschlüssen eine impedanzgetreue Messung
der Entfernung der Kurzschlüßstelle von dem Relaiseinbauort.
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Bei einer ebenfalls zweckmäßig durA: symmetrischeKomponenten erfolgendenÜber2
stromanregung gibt das Ansprechen eines vorn' Mitsystem der Ströme abhängigen Relais
allein bzw. das gleichzeitige Ansprechen eines zweiten vorn Gegensystem der Ströme
abhängigen Relais an, ob ein dreipoliger oder zweipoliger Kurzschluß vorliegt.
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Bei Impedanzanregung läßt man die symmetrischen Komponenten der Spannungen
und Ströme in einem Relais zur Wirkung kommen. Dabei können die Impedanzmeßglieder
z. B: als Waagebalkenrelais oder Drehspulmeßwerke ausgebildet sein. Zur Erhöhung
der Ansprechsicherheit , der Impedanzineßglieder kann zweckmäßigerweise ein Vorwiderstand
in einem der Meßkrese kurzgeschlossen werden. Zweckmäßigerweise werden die im Relais
zur Wirkung kommenden Spannungen oder Ströme gleichgerichtet.
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Zur Energierichtungsbestimmung werden wattmetrische Systeme verwendet,
wobei zweckmäßigerweise der Stromspule ein dem Mitsystem der Ströme proportionaler
Strom und der Spannungsspule ein dem Mitsystem der Spannungen proportionaler Strom
zugeführt wird: Bei Auftreten eines zweipoligen Kurzschlusses müssen in Abhängigkeit
vom Auftreten eines Stromgegensystems die den Iinpedanzmeßgliedern zugeführten Spannungen
halbiert werden oder der Strom muß verdoppelt werden, sofern von der Benutzung des
Strorngegensystems abgesehen wird. Die dazu erforderlichen Umschaltungen lassen
sich jedoch zweckmäßigerweise durch Benutzung des Stromgegensystems vermeiden. Man
kann die Spannungs- und Strom-, Mit-und Gegensysteme an Stelle Waagebalkenrelais
auch Teletropen, die auf einer gemeinsamen Welle sitzen, zuführen, wobei das Drehfeld
im Stator eines Teletrops, beispelsweise durch Speisung eines Wicklungszweiges der
dreiphasigen Statorwicklung über einen Kondensator, erzielt wird.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung durch mehrere Ausführungsbeispiele
veranschaulicht.
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Abb. i zeigt eine Unterimpedänzanregung gemäß der Erfindung. Bei schwacher
Generatorerregung und geringem Generatoreinsatz kann der Kurzschlußstrom kleiner
als der Betriebsstrom werden. In solchen Fällen dient dann als Kurzsehlußkriterium
das Absinken der Betriebsimpedanz auf die Kurzschlußimpedanz. In der Abb. i sind
mit 12 und 13 die Spannungsdrehfeldscheider für das Mitsystem 7 bzw. das Gegensystem
8 bezeichnet. Mit der Wicklung 1q. ist eine Impedanz 17 bzw. 18, mit der Wicklung
15 ein Ohmscher Widerstand 16 in Reihe geschaltet. Die anderen Enden der Wicklungen
rd. und 15 sind unmittelbar miteinander verbunden. Auf ,das Vergleichsgerät 29,
welches beispielsweise aus einem Waagebalkenrelais besteht, wirken einerseits die
Mit- und Gegensysteme der Ströme in den Kernen ig und 2o, andererseits die Mit-
und Gegensysteme der Spannungen.
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Das Spannungsgegensystem verschwindet bei symmetrischer Spannung,
das Stromgegensystem bei symmetrischem Strom. Die Drehmomente des Mit- und Gegensystems
der Spannung, die auf die Kerne 2i und 22 einwirken, arbeiten einander entgegen;
es wird also ihre algebraische Differenz wirksam. Die Drehmomente des Mit- und Gegensystems
der Ströme, die auf die Kerne ich und 2o einwirken, wirken in demselben Sinne; es
wird also ihre algebraische Summe wirksam.
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Bei dreipoligem symmetrischem Kurzschluß entspricht gemäß Schaltung
nach Abb. i das Spannungsmitsystem der verketteten Spannung U,A, das Strommitsystem
dem Wert
Die Messung erfolgt, abgesehen von der Vektorlage der Spulenströme, so als ob an
der Spannungsspule 2i die verkettete Spannung UR_7@ und an der Stromspule i9 der
Strom des Leiters R JR läge: Die von einem Unterimpedanzrelais gemessene Kurzschlußimpedanz
entspricht bei dreipoligem symmetrischem Kurzschluß dem Wert
Bei zweipoligem Kurzschluß entspricht das Spannungsmitsystem dem Wert
. Uph und die vom Unterimpedanzrelais beim zweipoligem Kurzschluß gemessene
Mitimpedanz am Kurzschlüßort selbst dem Wert für die Fehlerdistanzbestimmung unbrauch-Dieser
Impedanzwert ist aber bar, da die tatsächliche Fehlerentfernung am Kurzschlußort
gleich Null ist. Schaltet man jedoch die Spannung des Mitsysterns gegen die Spannung
des Gegensystems nach elektrischer oder mechanischer Gleichrichtung beider, so wird
die resultierende Spannung oder bei einer Anordnung nach Abb. i die Kraftwirkung
der Spannungsspulen 21 und 22 gleich Null; wenn der Kurzschluß an der Meßstelle
liegt.
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Auf dieser Erkenntnis, daß nämlich die algebraische Differenz des
Mit- und Gegensystems den Wert der den zweipoligen Kurzschluß speisenden verketteten
Spannung ergibt, beruht die Erfindung. Die den zweipoligen Kurzschluß speisende
verkettete Spannung U,12 arbeitet auf die doppelte
Leiterimpedanz,
so daß der Kurzschlüßstrom durch die Gleichung
gegeben ist, wenn Z die Leiterimpedanz zwischen der Kurzschlußstelle und der Meßstelle
bedeutet. Es ergibt sich also, daß bei zweipoligem Kurzschluß bei Speisung des Impedanzrelais
durch die verkettete Spannung und den Phasenstrom die doppelte Fehlerentfernung,
jedoch die richtige Impedanz gemessen wird, wenn man von einem Proportionalitätsfaktor
absieht, der durch Eichung berücksichtigt werden kann.
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Halbiert man beim Auftreten eines Stromgegensystems, das ein Kriterium
für einen zweipoligen Kurzschluß darstellt, die den Impedanzmeßgliedern zugeführte
Spannung oder verdoppelt man den Strom der Stromspulen mit Hilfe eines Umschaltrelais,
so wird sowohl bei dreipoligem Kurzschluß als auch beim zweipoligen eine der Fehlerortentfernung
proportionale Impedanz gemessen.
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Die Notwendigkeit einer Umschaltung erübrigt sich also, wenn dem Impedanzmeßglied
nicht nur das Mitsystem, sondern auch das Gegensystem der Ströme zugeführt wird.
Es wird dann dieselbe Impedanz wie bei einem dreipoligen Kurzschluß gemessen, ohne
daß eine Umschaltung erforderlich wäre. Damit ergibt sich die erfindungsgemäße Anordnung
gemäß Abb. i.
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Abb. 2 zeigt eine überstromanregung. i, z und 3 stellen eine Speiseleitung
dar, in der infolge einer unsymmetrischen Belastung unsymmetrische Ströme fließen
mögen. 4. und 5 sind zwei Stromwandler, die auf den Strorndrehfeldscheider 6 mit
den Ohmschen Widerständen 9 und io, der Selbstinduktion i i und den Relaisspulen
A und B einwirken.
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Statt den Überstrom bestimmter Leitungsphasen wie bei den üblichen
Selektivrelaisschaltungen auf mehrere Relais wirken zu lassen, kann man sich auch
mit einem einzigen Relais begnügen, welches anspricht, wenn der Strom des Mitsystems
die Größe des höchsten normalen Betriebsstromes überschreitet. Im Relais A tritt
ein- Strom auf, der dem Mitsystem der Ströme entspricht. - Es schließt seinen Kontakt
a, wenn der Strom dieses Mitsystems seine normale Betriebsgröße um einen einstellbaren
Wert überschreitet.
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Das Relais B spricht an sich dann an, wenn infolge Unsymmetrie ein
Gegensystem der 'Ströme auftritt. Wird nun das Relais B so eingestellt, daß es bei
Auftreten eines'Stromes des Gegensystems seinen Kontakt b schließt, der größer ist
als der bei normalem Betrieb auftretende Strom des Gegensystems, das durch betriebsmäßige
Stromunsymmetrie bedingt ist und demnach stets klein bleibt, so spricht dieses Relais
bei zweipoligem Kurzschluß und je nach Einstellung auch bei beispielsweise durch
Seilbruch erfolgter Unterbrechung eines Leiters an.
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Das Ansprechen der Relais A und B bedeutet demnach einen zweipoliggenKurzschluß.
Spricht nur das Relais A an, so liegt ein dreipoliger Kurzschluß vor. Bei geringem
zweipoligem Kurzschlußstrom kann auch nur das Relais B ansprechen. Es genügt also
auch dessen Ansprechen allein als Kriterium für einen'zweipoligen Kurzschluß.
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,= Wesentlich ist, daß die beiden Relais A und B unabhängig von ihrer
Ankerstellung etwa gleich große Scheinwiderstände besitzen, damit die Gesetzmäßigkeiten
der Schaltung erhalten bleiben. Das Mitsystem und das Gegensystem der Ströme muß
also bei einer Störung größer als das Betriebsmitsystern bzw. das Betriebsgegensystem
sein.
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Die Bildung der algebraischen Differenz der beiden Spannungssysteme
kann auch durch Gleichrichtung. der entsprechenden Wechselströme und Gegeneinanderschaltung
der entsprechenden Gleichströme erreicht werden. Ein Ausführungsbeispiel dafür ist
in Abb. 3 dargestellt. In dem Waagebalkenrelais 29 wirken einerseits auf den Kern
23 die in den Gleichrichtern 24 und 25 gleichgerichteten Mit- und Gegensysteme des
Stromes, andererseits auf den Kern 26 die in den Gleichrichtern 27 und 28 gleichgerichteten
Mit- und Gegensysteme der Spannungen. Die Anpassung der Unterimpedanzanregecharakteristik
an die jeweiligen Betriebsverhältnisse als gerade, gleichseitige Hyperbel oder als
kombinierte Charakteristik ist bei dieser Anordnung in gleicher Weise möglich wie
bei den bekannten Selektivschutzrelais.
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Für die Energierichtungsbestimmung wird ein wattmetrisches System
verwendet, dessen Stromspule zweckmäßigerweise ein dem Mitsystem der Ströme proportionaler
Strom und dessen Spannungsspule zweckmäßigerweise ein dem Mitsystem der Spannungen
proportionaler Strom zugeführt wird. Die Spannungsspule kann erforderlichenfalls
mit sehr kleinem Widerstand ausgeführt werden, da, ihre Stromstärke durch den Widerstand
der ihr vorgeschalteten Kunstschaltung bestimmt wird. Vertauscht man die Anschlüsse
für die Spannungsspule, so liegen bei cos T = i die Stromvektoren der Strom- und
Spannungsspule in derselben Richtung; jedoch um 18o° gegeneinandergedreht. Durch
Vertauschung _ der Stromspulen oder Spannungsspulenanschlüsse können die vorher
gegenphasigen Vektoren also gleichphasig gemacht werden.
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Bei Wirklastaufnahme schlägt nun das wattmetrische System in einer
bestimmten
Richtung aus: Tritt Wirklastabgabe ein, so dreht sich
das Strommitsystem um i8o°, das System schlägt in der anderen Richtung aus, weil
Strom und Spannung vektoriell in entgegengesetztcr Richtung liegen.
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Bei symmetrischer Belastung, also auch dreipoligemKurzschluß, dreht
sich derStrommitnehmervektor einfach um den zugehörigen Phasenwinkel, so daß die
Energierichtung richtig angezeigt wird.
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Auch für zweipoligen Kurzschluß läßt sich zeigen, daß das Energierichtungsreiais
in eindeutiger Weise die jeweilige Energierichtung anzeigt, wenn man der Spannungsspule
das Mitsystem der Spannungen; der Stromspule das Mitsystem der Ströme zuführt. Das
gilt selbst dann, wenn es sich um einen zweipoligen Saminelschienenkurzschluß handelt.
Nur bei dreipoligen Sammelschienenkurzschlüssen wird auch hier wegen der verschwindenden
Spannung die Energierichtünggsangabe unsicher.
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Selbstverständlich läßt sich durch geeignete Wahl der Ausgangsspannungen
erreichen, daß die Richtungsglieder eine sögenannte kapazitive Schaltung erhalten.
Dadurch wird erreicht, daß trotz großer induktiver Phasenverschiebungen, wie sie
beispielsweise bei Kurzschlüssen hinter Reaktanzspulen und Transformatoren oder
bei Kurzschlüssen in Freileitungen mit geringem kapazitivem Widerstand auftreten,
ein genügendes Drehmoment von mindestens 5o0/, des-höchsten Drehmomentes zustande
kommt.
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Wählt man statt eines Voreilwinkels des Stromes gegen die zugehörige
Sternspannung von 3o°, wie dies bei den bekannten Selektivschutzeinrichtungen der
Fall ist, einen Voreilwinkel von 6o° des Mitsystemstromspulenstromes gegenden Mitsystemshannungsspulenstrom
bei cos p = i, so ergeben sich nach Abb. q. verschiedene Möglichkeiten, die in Abb.
5 zusammengestellt sind. Je nach der Wahl der zur Gewinnung des Mitsystems der Spannungen
verwendeten verketteten. Spannungen liegt der S.pannungsspulenstrom bei ungestörtem
Betrieb oder _dreipoligein symmetrischem Kurzschluß in der Richtung a, b oder c.
'Je nach der Wahl der zur Gewinnung des Mitsystems der Ströme verwendeten Leiterströme
liegt der Stromspulenstrom bei cos 9 = i in der Richtung a', b' oder c'.
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Verwendet man demnach im Richtungsglied die Strompaare a, c', b,
a' und c, b', so eilen die Stromspulenströme den Spannungsspulenströmen bei
cos p = i um 6o° vor. Bei einem rein induktiven symmetrischen Kurzschluß (cos (p
= o) eilt der Stromspulenstrom um 30° nach. Das Drehmoment, also die Richtkraft
des Energierichtungsrelais, entspricht 86°/a des Höchstwertes, der sich bei einem
Kurzschiüßimpedanzwinkel gK = 6o° induktiv einstellt, weil in diesem Fall die beiden
Ströme im Richtungsrelais gleichphasig sind.
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Bei zweipoligem Kurzschluß und einer der durch Abb. 5 gekennzeichneten
Schaltung wird bei einem Kurzschlußimpedanzwinkel von 6o° induktiv das höchste Drehmoment
des Energierichtungsrelais erreicht. Man wird demnach bei stark induktiven Kurzschlüssen
etwa eine der Abb. 5 entsprechende Schaltung wählen, bei überwiegend Ohmschen Kurzschlüssen
(Kabelnetze) wird man eine ändere Schaltung mit geringerer Phasenverschiebung verwenden.
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Die Auslösezeit wird beispielsweise nach Abb. 8 bei den Schnellimpedanzrelais
grundsätzlich dadurch bestimmt, da,ß - die Meßglieder 31 und 32 sowie das Anregeglied
33 unverzögert oder überhaupt nicht kippen. Das Richtungsrelais 49 schließt bei
abfließender Fehlerenergie seinen Kontakt.
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In Abb.6 sind die Zeitkennlinien eines Schnelldistanzschutzes dargestellt:
Liegt der Fehler in der ersten Zone, so erfolgt unverzögert Auslösung. Liegt der
Fehler in der zweiten Zone, so kann in der Einrichtung nach Abb: 8 das Meßglied
3 z nicht mehr kippen, weil sein größter Kippimpedanzwer t überschritten wird: Das
Zeitwerk 6ö schließt daher, vom Anregeglied 33 in Tätigkeit gesetzt, den Auslösekreis
über das Meßglied 32 nach etwa i Sekunde. Liegt der Fehler in der dritten Zone,
so kippt nur noch das Anregeglied, das das Zeitwerk 6o einschaltet, das seinerseits
nach Ablauf der Grenzzeit den Auslösekreis schließt. Hierbei ist angenommen, daß
bei Fehlern in der zweiten und dritten Zone die Relais, die mit der ersten Stufe
eigentlich auslösen sollten, aus irgendeinem Grunde nicht ansprechen. Es besteht
mithin im wesentlichen die Aufgabe, Kippglieder auszubilden, die gemäß Abb. 7 dann
kippen, wenn die Betriebsimpedanz ZB der gesunden Leitungsstrecken die diesen Kippgliedern
zugeordneten Ansprechimpedanzen Z. unterschreiten. Erfindungsgemäß läßt sich mithin
eine Schnellimpedanzschutzeinrichtung, der die Spannungs- und Strom-, Mit- und Gegensysteme,
zugeführt werden, wie folgt schematisch darstellen: In der Einrichtung nach Abb.
8 sind zwei Spannungsdrehfeldscheider 7 und 8 für das Mitsystem bzw. das Gegensystem
und ein Strömdrehfeldscheider 6 gleichfalls für das Mit- und das Gegensystem vorgesehen.
Die Drehfeldscheider speisen die einzelnen Spulen der Unterimpedanzkippglieder 3r;
32 und 33, wobei die nach oben wirkenden Spannungsspulen 40, 4a und 42 dieser Kippglieder
dem Spannungsgegensystem, die nach unten wirkenden Spannungsspulen 34., 35, 36 und
q.6,
47, 48 dem Strommitsystem bzw. dem Stromgegensystem zugeordnet
sind.
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Die Mitsystemstromspulen 34, 35 und 36 'und die Gegensystemstromspulen
46, 47 und 48 der Kippglieder sind dabei in Reihe, die Mitsystemspannungsspulen
37, 38 und 39 und Gegensystemspannungsspulen 40, 41 und 42 je parallel geschaltet.
Die oberen Kontakte der Kippglieder 31 und 32 sorgen dafür, daß jeweils nur in der
betreffenden Stufe der Auslösestromkreis betätigt werden kann.
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Da beim dreipoligen symmetrischen Kurzschluß kein Gegensystem auftritt,
bleiben die Spulen 46, 47, 48, denen das Stromgegensystem zugeführt wird, stromlos.
Je nachdem wie weit der Kurzschluß entfernt ist, kippen dann die Glieder 33, 32
und 34 wodurch bei richtiger Energierichtung die Auslösezeit gegeben ist.
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Bei zweipoligem Kurzschluß werden dagegen auch die Stromgegensystemspulen
46, 47, 48 erregt. Die Meßglieder arbeiten dann in entsprechender Weise: Die in
den Abbildungen dargestellten Kippglieder stellen Waagebalkensysteme dar, welche
die Schneiden der Drehpunkte neben dem beträchtlichen Gewicht der Balken und Kerne
auch noch mit den magnetischen Zug= kräften der Spulen mechanisch belasten, wodurch
die Genauigkeit des Ansprechens leidet. Zur Steigerung der Ansprechgenauigkeit werden.
Relais nach dem Drehspulenprinzip vorgesehen, die so gebaut sind, daß z. B. die
Spulen 23 und- 26 der Abb. 3 auf die bewegliche Trommel eines Drehspulenmeßgerätes
aufgebracht sind, in dessen permanentem Magnetfeld sie sich bewegen. Infolge der
geringen bewegten Massen und der Entlastung der Lager von den magnetischen Kräften
gewährleistet ein derartiges Meßglied eine ebenso rasche wie genaue Kontaktgabe
bei Unterschreiten eines vorbestimmten Impedanzwertes.
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Um die Kontaktgabe ganz eindeutig zu gestalten, kann bei Meßwerten,
die gerade nur noch im Anfangsbereiche der Kontaktgabe liegen, wodurch eine aussetzende
Kontaktgabe erfolgen könnte, durch Kurzschließen eines . Vorwiderstandes etwa im
Stromkreis und die dadurch erreichte Drehmomenterhähung eine feste Kontaktgabe erreicht
werden.
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An Stelle der Verwendung von Gleichricliterwaagebal'k enimpedanz.neßgliedern
sowie von Drehspulineßgliedern können auch Teletrope verwendet werden, in denen
den einzelnen Systemen gemäß der Gleichung
proportionale Drehnomente erzeugt werden und die in geeigneter Weise auf eine gemeinsame
Welle wirken. In Abb.9 stellen 49 und 5o Leitungen dar, an, denen z. B. eine dem
Spannungsmitsystem proportionale Spannung auftritt. DieAnschlüsse 5i, 52 und 53
speisen die Ständerwicklung eines dreiphasig gewickelten und in Stern 54 geschalteten
Teletrops, dessen Zuleitung 53 über einen Kondensator 58 führt. Der durch den Kondensator
58 phasenverschobene Strom ergibt mit dem Strom der Leiter 51 und 52 ein magnetisches
Drehfeld im Luftspalt. Der Rotor 5`5 ist einphasig gewickelt und erhält über die
Schleifringe 56 oder entsprechende Stromzuführungsbänder über die Leitungen 57 einen.
dem Spannungsmitsystem proportionalen Strom, so daß im Rotor ein Wechselfeld entsteht,
das in ein rechts- und ein linksdrehendes Drehfeld zerlegt werden kann. Das mit
dem Ständerdrehfeld gleichsinnige Rotordrehfeld bedingt, sofern- die Achsen der
beiden sich nicht decken, ein Drehmoment, das dem Quadrat des Spannungsmitsystems
proportional ist. a Analog läßt sich ein Drehmoment herstellen, das dem Spannungsgegensystem
proportional ist. Läßt man den Strom, der dem Strom-, Mit- bzw. Gegensystem proportional
ist, an einem Widerstand einen Spannungsabfall erzeugen, so kann dieser in ähnlicher
Weise zur Herstellung von Drehmomenten benutzt werden, die dem Mit- bzw. Gegensystem
der Ströme proportional sind. Auch ist der unmittelbare Anschluß eines Teletrops
an die Klemmen des Stromdrehfeldscheiders gemäß Abb. 9 gegebenenfalls unter Zwischenschaltung
strombegrenzender Widerstände möglich.
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Die einzelnen Drehmomente wirken nach Abb. io auf eine gemeinsame
Achse, wobei die Schaltung und Einstellung so erfolgt, daß das UM entsprechende
Drehmoment in dein einen, daß UG entsprechende im anderen Sinne wirkt. Die
JA, und JG entsprechenden Drehmomente wirken dem UM entsprechenden
entgegen, so daß bei Gleichgewicht der Spannilngsdrehmomente und. Stromdrehmomente
ein bestimmter Impedanzwert und damit eine hehlerortentfernung gekennzeichnet .ist.