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Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Erdfehler-Schutzeinrichtungen
für elektrische
Verteilungssysteme und insbesondere eine Erdfehler-Schutzeinrichtung
für Schalttafeln
und Schaltanlagen mit mehren Stromquellen und Erdschlüssen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Erdfehler-Schutzeinrichtungen
(„GFP") werden üblicherweise
zur automatischen Schaltkreisunterbrechung nach dem Erfassen von
unerwünschten Kurzschlussströmen verwendet,
die infolge von Erdfehlerbedingungen in elektrischen Energieverteilungssystemen
fließen.
Derartige GFP-Einrichtungen umfassen üblicherweise Mittel zum schnellen
Erfassen und individuellen Isolieren etwaiger Fehler, die in den
jeweiligen Nebenstromkreisen des Energieverteilungssystems auftreten,
und verwenden eine selektive Koordination, um sofort anzusprechen
und die Energiezufuhr nur für
denjenigen Systembereich zu unterbrechen, in dem ein Fehler aufgetreten
ist, so dass unnötige
Energieverluste in anderen Bereichen verhindert werden. Ein Beispiel
einer derartigen GFP-Einrichtung ist in der U.S.-Patentschrift Nr. 3,259,802
mit dem Titel „Ground
Fault Responsive Protective System for Electric Power Distribution
Apparatus" beschrieben.
Schutzeinrichtungen dieses Typs verwenden bereichsschützende Verriegelungseinrichtungen,
die einen Fehler selektiv in einem bestimmten Systembereich beseitigen,
ohne die Energiezufuhr zu den anderen Bereichen des Systems zu unterbrechen.
Bei derartigen GFP-Einrichtungen wird
ein Verzögerungssignal
von einem (von der Quelle entfernten) stromabwärtigen Schutzschalter an einen
(näher
an der Quelle befindlichen) stromaufwärtigen Schutzschalter übertragen,
durch das der Schutzschalter veranlasst wird, nicht auszulösen, so dass
der stromabwärtige
Schutzschalter auslösen und
den Fehler isolieren kann. Folglich wird beim Auftreten eines Erdfehlers
in einem Nebenschaltkreis verhindert, dass der Hauptschutzschalter
unterbricht während
ein Schutzschalter im Nebenschaltkreis unterbrechen kann. Die Hauptleitung
befindet sich daher weiterhin in Betrieb während der fehlerhafte Nebenschaltkreis
unterbrochen und der Fehler isoliert ist.
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GFP-Einrichtungen
dieses Typs können
effizient eingesetzt werden bei elektrischen Verteilungssystemen
mit nur einer einzigen Stromquelle, bei denen nur ein Schutzschalter
erforderlich ist, um auszulösen
und den Fehler zu bereinigen. Da jedoch neuere Energieverteilungssysteme
immer komplizierter werden und eine Mehrzahl von Stromquellen und Strompfaden
verwenden, sind bei derartigen Systemen zusätzliche Schutzschalter für einen
angemessenen Schaltkreisschutz erforderlich. Es müssen daher
komplizierte Erdfehler-Schutzeinrichtungen
vorgesehen werden.
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Es
wurden GFP-Einrichtungen eines anderen Typs mit sekundären Einrichtungen
entwickelt, um mehrere Stromquellen unterzubringen; Einrichtungen
dieses Typs sind in den U.S.-Patentschriften Nr. 3,949,272; 4,068,275
und 4,110,808 offenbart. Derartige Einrichtungen verwenden eine
sekundäre Einrichtung
zum Leiten von Steuerungs- oder Auslöseströmen, um Erdfehlerrelais zu
betätigen
und bestimmte Schutzschalter auszulösen, so dass die Energiezufuhr
nur für
denjenigen Abschnitt der primären
Einrichtung, der den Erdfehler hat, unterbrochen wird. Ein Nachteil
dieser Schutzeinrichtung besteht jedoch darin, dass eine Zeit-Strom-Auslösekoordination
oder bereichsselektive Verriegelungsschemen erforderlich sind, um
einen Erdfehler zu isolieren.
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Ein
weiterer Nachteil dieser Schutzeinrichtungen besteht darin, dass
zusätzliche
Steuerkontakte vorhanden sein müssen,
um die Schutzschalter zu steuern. Ein Nachteil der in der U.S.-Patentschrift
Nr. 4,110,808 gezeigten Schutzeinrichtung betrifft insbesondere
die Schwierigkeit, das Auslösen
der speziellen Schutzschalter zu koordinieren. Daher werden bei
einem Erdfehler mehr Schutzschalter als nötig ausgelöst, wodurch mehr Lasten als
erforderlich von der Leistungszufuhr getrennt werden. Darüber hinaus
können
bei diesem Einrichtungstyp nicht alle Schutzschalter bei Normalbetrieb
geschlossen werden. Einrichtungen dieses Typs, der in der U.S.-Patentschrift
Nr. 4,068,275 gezeigt ist, sind in nachteilhafter Weise kostenaufwendig,
da sie mehr Bauteile erfordern, wie z. B. Stromtransformatoren,
um die Leistungszufuhr in dem Bereich des Systems, in dem der Erdfehler
auftritt, zu isolieren und zu unterbrechen. Ein Nachteil des in
der U.S.-Patentschrift Nr. 3,949,272 gezeigten Einrichtungstyps
besteht darin, dass die verbesserten Eigenschaften einiger der neuzeitlichen
Schutzschalter nicht genutzt werden können.
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Ein
weiterer Typ einer GFP-Einrichtung ist in Swindlers D. L., „Modified
differential ground fault protection for systems having multiple
sources and grounds",
IEEE Transactions und Industrial Applications, Volume 30, Nr. 6,
1. November 1994, Seiten 1490 bis 1504 offenbart. Ein derartiger
Einrichtungstyp kann bei Servicegeräten mit mehreren elektrischen
Energiequellen verwendet werden, die jeweils mehrere Erdschlüsse aufweisen
können.
Um Erdschluss-Auslösefunktionseinrichtungen,
die zusammen mit herkömmlichen Überstrom-Auslösefunktionseinrichtungen
in einem Leistungsschutzschalter vorgesehen sind, zu isolieren,
wird für
diese Einrichtung ein Hilfstransformator verwendet, so dass die
Erdfehler-Auslösefunktionseinrichtung
in Abhängigkeit
von Strömen
betrieben wird, die durch die Hauptleitungssensoren erfasst werden.
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Folglich
besteht der klare Bedarf, eine verbesserte Erdfehler-Schutzeinrichtung
zu schaffen, bei der die Einschränkungen
nach dem Stand der Technik beseitigt sind und durch welche elektrische Energieverteilungssysteme
mit mehreren Energiequellen, Lasten und Erdschlüssen wirksam geschützt werden
können
während
gleichzeitig eine ausreichende Bereichsselektivität geschaffen
wird, um unnötige
Energieverluste zu verhindern.
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Bei
einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein elektrisches Energieverteilungssystem
mit einer Erdfehler-Schutzeinrichtung vorgesehen, wobei das elektrische
Energieverteilungssystem mehrere Mehrfasen-Stromquellen mit jeweils
mehreren Phasenleitern und einem Neutralleiter, eine Mehrfasen- Hauptsammelleitung,
die an jeder Stromquelle angeschlossen ist und mehrere Phasenleiter
und einen Neutralleiter umfasst, einen Hauptschutzschalter, der
mit jeder Hauptsammelleitung elektrisch verschalten ist, um den
Stromfluss durch diese zu unterbrechen, eine Mehrfasen-Verbindungssammelleitung,
die zwischen jeder der Hauptsammelleitungen angeschlossen ist und
mehrere Phasenleiter und einen Neutralleiter umfasst, und einen
Verbindungsschutzschalter, der mit jeder der Verbindungssammelleitungen
elektrisch verschalten ist, um den Stromfluss durch diese zu unterbrechen,
aufweist, und die Erdfehler-Schutzeinrichtung:
- – einen
Stromsensor, der jeder der Haupt- und Verbindungssammelleitung zugeordnet
ist, ein Ausgangsanschlusspaar hat und benachbart zu jeder der Haupt-
und Verbindungssammelleitungen angeordnet ist, um einen Auslösestrom
an den Ausgangsanschlüssen
zu erzeugen, der sich direkt mit der Vektorsumme der Ströme, die
durch die Phasenleiter und den Neutralleiter an der Stelle des Stromssensors
fließen, ändert, und
- – eine
Auslösefunktionseinrichtung,
die jedem der Haupt- und Verbindungsschutzschalter zugeordnet ist,
wobei der Strom, der durch die Auslösefunktionseinrichtung fließt, den
ihr zugeordneten Schutzschalter auslöst, aufweist,
- – wobei
die Auslösefunktionseinrichtungen
und Stromsensoren zusammen in mehreren Sensorschaltkreisen angeordnet
sind, um jede Auslöseeinrichtung
in Abhängigkeit
vom Auslösestrom vom
Stromsensor bzw. den Stromsensoren innerhalb desselben Sensorschaltkreises
auszulösen, wobei
jeder fragliche Stromsensor einen Auslösestrom unter bestimmten Bedingungen
erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass
- – ein
Hilfstransformator zum Übertragen
eines zusätzlichen
Auslösestroms
von einem Stromsensor außerhalb
eines dieser Sensorschaltkreise zu einer Auslöseeinrichtung innerhalb des
Sensorschaltkreises vorgesehen ist, um auf den zusätzlichen
Auslösestrom
zu den Auslöseströmen von den
Stromsensoren innerhalb dieses Sensorschaltkreises anzusprechen.
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Weitere
optionale Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Der
Hilfstransformator überträgt den Auslösestrom
nur in diejenigen Abschnitte der Erdfehler-Schutzeinrichtung, die
bei der Erdfehler-Schutzeinrichtung nach dem Stand der Technik nicht
angeschlossen oder erreichbar sind. Durch die Verwendung des Hilfstransformators
sind i.) keine Hilfskontakte erforderlich, ii.) können die
Schutzschalter in der Primäreinrichtung
zunächst
geschlossen sein, und iii.) sind keine Zeit-Strom-Auslösekoordination und
bereichsselektive Verriegelungssysteme zum Verhindern eines unnötigen Auslösens von
Schutzschaltern im Bereich derjenigen Sammelleitungsabschnitte,
die nicht von dem Erdfehler betroffen sind, erforderlich.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Folgenden
detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen:
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1 ein
Schaltbild eines gattungsgemäßen Energieverteilungssystems
mit einer Erdfehler-Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
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2A–2D jeweils
ein Schaltbild des in 1 gezeigten Energieverteilungssystems
zeigen, die jeweils einen einzelnen Schritt der Schaltkreisanalyse
betreffen.
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Obwohl
die Erfindung verschiedene Modifizierungen und alternative Formen
zulässt,
wird eine spezielle Ausführungsform
beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und im Folgenden detailliert
beschrieben. Es wird jedoch verstanden, dass die Erfindung nicht
auf die beschriebene spezielle Ausführungsform begrenzt ist, sondern
im Gegenteil alle Modifizierungen, Entsprechungen und Alternativen, die
in den durch die anhängigen
Ansprüche
festgelegten Schutzbereich der Erfindung fallen, einschließt.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung und deren anderer bzw. weiterer Vorteile und
Eigenschaften werden die Folgende Offenbarung und die anhängigen Ansprüche in Verbindung mit
den zuvor beschriebenen Zeichnungen näher betrachtet.
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1 zeigt
ein Schaltbild eines dreiphasigen, vierdrahtigen elektrischen Energieverteilungssystems 10 gemäß der bevorzugten
Ausführungsform.
Das System 10 umfasst eine Primäreinrichtung und eine Sekundär- bzw.
Erdfehler-Schutzeinrichtung
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Schutz der Primäreinrichtung gegen Ströme, die
aus Erdfehlerbedingungen, die in einem System 10 auftreten
können,
resultieren. Die Primäreinrichtung
besteht aus drei Hauptsammelleitungen 12, 14 und 16 und
zwei Verbindungssammelleitungen 18 und 20, die
die Hauptsammelleitungen miteinander verbinden. Stromquellen, wie
z. B. dreiphasige Transformatoren 22, 24, 26 mit
geerdetem Sternpunkt versorgen Lasten 28, 30, 32,
die jeweils an die Hauptsammelleitungen 12, 14 und 16 über jeweilige
Hauptschalter oder Schutzschalter M1, M2 und M3 angeschlossen sind,
mit Energie, wenn die Hauptschutzschalter geschlossen sind. Durch
das Öffnen
des Hauptschutzschalters M1 wird die Quelle 22 von der
ihr zugeordneten Sammelleitung 12 getrennt, durch das Öffnen des
Hauptschutzschalters M2 wird die Quelle 24 von der ihr
zugeordneten Sammelleitung 14 getrennt und durch das Öffnen des
Hauptschutzschalters M3 wird die Quelle 26 von der ihr
zugeordneten Sammelleitung 16 getrennt. Die Verbindungssammelleitung 18 umfasst
einen Verbindungsschalter oder Schutzschalter T1, der im geschlossenen
Zustand die Hauptsammelleitungen 12 und 14 miteinander
verbindet und im geöffneten
Zustand die Verbindungssammelleitung 18 öffnet, um
die Hauptsammelleitungen voneinander zu trennen. Die Verbindungssammelleitung 20 umfasst
einen Verbindungsschalter oder Schutzschalter T2, der im geschlossenen
Zustand die Hauptsammelleitungen 14 und 16 miteinander
verbindet und im geöffneten Zustand
die Verbindungssammelleitung 20 öffnet, um die Hauptsammelleitungen
voneinander zu trennen. Die Hauptsammelleitungen 12, 14, 16 und
die Verbindungssammelleitungen 18 und 20 bestehen
jeweils aus drei Phasenleitern, die mit den Bezugzeichen 12a, 14a, 16a, 18a und 20a angegeben
sind, und jeweils einem Neutralleiter, die mit den Bezugzeichen 12N, 14N, 16N, 18N und 20N angegeben
sind.
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Die
Quellen 22, 24 und 26 bestehen jeweils aus
einem Transformator-Sekundärkreis mit
drei Phasenwicklungen, die in wye-Konfiguration angeschlossen sind,
wobei deren Sternpunkte jeweils bei 22a, 24a und 26a dauerhaft
geerdet sind. Der Sternpunkt der Quelle 22 ist mit dem
Neutralleiter 12N verbunden während der Sternpunkt der Quelle 24 mit dem
Neutralleiter 14N und der Sternpunkt der Quelle 26 mit
dem Neutralleiter 16N verbunden sind.
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Die
Erdfehler-Schutzeinrichtung gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist magnetisch mit der Primäreinrichtung
gekoppelt und dient zum Schutz des Systems 10 gegen Erdfehler,
die in dem System auftreten können.
Tritt zum Beispiel ein Erdfehler auf der Hauptsammelleitung 12 auf,
müssen üblicherweise
der Hauptschutzschalter M1 und der Verbindungsschutzschalter T1 geöffnet werden,
um den Fehler vom verbleibenden System zu isolieren. Unter diesen
Umständen
sollten die übrigen
Schutzschalter M2, M3 und T2 die Stellungen beibehalten, die sie
vor dem Auftreten des Erdfehlers hatten, so dass weiterhin eine
ununterbrochene Energiezufuhr von den Quellen 24 und 26 über die
Hauptsammelleitungen 14, 16, 20 erfolgen
kann.
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In ähnlicher
Weise sollten für
den Fall, dass ein Erdfehler auf der Hauptsammelleitung 14 auftritt, der
Hauptschutzschalter M2 und die Verbindungsschutzschalter T1 und
T2 öffnen,
um den Fehler von den verbleibenden Sammelleitungen zu isolieren, während die
Hauptschutzschalter M1 und M2 geschlossen bleiben, so dass jeweils
die Energiezufuhr von den Quellen 22 und 26 zu
den jeweiligen Hauptsammelleitungen 12 und 16 aufrechterhalten
wird.
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Die
Erdfehler-Auslösefunktionseinrichtung der
Hauptschutzschalter M1, M2 und M3 und der Verbindungsschutzschalter
T1 und T2 werden jeweils durch Auslösefunktions- oder Erdfehlerrelais,
die mit den Bezugzeichen GFM1, GFM2, GFM3, GFT1 und GFT2 angegeben
sind, gesteuert. Durch eine ausreichende Versorgung mit Energie
dieser Erdfehlerrelais (d. h. durch das Zuführen eines Durchgangsstroms,
der über
einem vorgegebenen Wert liegt) wird der zugeordnete Schutzschalter
für den
Fall, dass er geschlossen ist, geöffnet. Übersteigt beispielsweise ein
Strom durch das Erdfehlerrelais GFM1 einen vorgegebenen Wert, öffnet der
Hauptschutzschalter M1.
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Gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung wird eine wirksame Versorgung mit Energie der
Erdfehlerrelais GFM1, GFM2, GFM3, GFT1 und GFT2 durch einen Strom
gesteuert, der durch die Erdfehler-Schutzeinrichtung fließt. Die
Erdfehler-Schutzeinrichtung umfasst die Erdfehlerrelais, Stromsensoren 34, 36, 38, 40 und 42 und
einen Hilfstransformator AT. Die Stromsensoren sprechen auf die
Vektorsumme der Ströme
an, die durch die primären
Leiter an den Stellen der einzelnen Sensoren fließen. Der
Hilfstransformator AT hat vorzugsweise ein Übersetzungsverhältnis von
1 : 1 oder 5 : 5.
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Jeder
der Stromsensoren besteht aus vier (nicht gezeigten) Stromtransformatoren
zum Erfassen des Stroms, der durch die ihm zugeordneten Phasen-
und Neutralleiter fließt.
Diese Stromtransformatoren erzeugen Stromsignale charakteristisch
für die
Ströme,
die in den Phasen- und Neutralleitern fließen, um diese separat der Erdfehler-Schutzeinrichtung
zuzuführen.
Die vier Stromtransformatoren haben Primärwicklungen, die mit den drei
Phasen und dem Neutralleiter verbunden sind, und Sekundärwicklungen,
die parallel geschaltet sind, wobei die Parallelschaltung Ausgangsanschlüsse aufweist,
die mit der Erdfehler-Schutzeinrichtung in Reihe geschaltet sind.
Die Stromsensoren erzeugen einen Strom durch ihre Anschlüsse, der
im Wesentlichen proportional der Vektorsumme der Ströme ist,
die durch die drei Primärleiter
und den Neutralleiter an der Stelle des Stromsensors fließen. Solange
diese Vektorsumme Null ist, erzeugt der Stromsensor keinen wirksamen
Sekundärstrom
durch seine Anschlüsse,
wobei jedoch dieser sekundäre
Strom bei einer Zunahme der Vektorsumme ansteigt. Obwohl bei der
bevorzugten Ausführungsform
die Verwendung von Stromsensoren mit vier Stromtransformatoren gezeigt
ist, wird darauf hingewiesen, dass Stromsensoren, die eine beliebige
Anzahl von Stromtransformatoren haben, eingesetzt werden können, solange
dieselben Prinzipien der Stromerfassung befolgt werden. D. h. der
Stromsensor erzeugt keinen wirksamen Sekundärstrom durch seine Anschlüsse, wenn
die Vektorsumme Null ist, und erzeugt einen Sekundärstrom,
wenn die Vektorsumme ungleich Null ist.
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Die
Polaritäten
der Stromsensoren 34, 36, 38, 40 und 42 und
des Hilfstransformators AT sind durch die rechteckigen schwarzen
Punkte (Polaritätsmarkierungen)
benachbart zu den Wicklungen angegeben. Insbesondere verlässt, wenn
der Primärstrom
in eine bestimmte Primärwicklung
durch den schwarzen Punkt benachbart zu dieser Primärwicklung
fließt,
ein Sekundärstrom
die zugehörige
Sekundärwicklung
durch den schwarzen Punkt benachbart zur Sekundärwicklung. Wird die Richtung
des Primärstroms
umgekehrt, ist die Richtung des Sekundärstroms entsprechend umgekehrt.
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Der
Stromsensor 34 befindet sich im Bereich des Hauptschutzschalters
M1 und hat vier (nicht gezeigte) Stromtransformatoren mit Primärwicklungen, die
mit der Hauptsammelleitung 12 benachbart zum Hauptschutzschalter
M1 gekoppelt sind. Die Sekundärwicklungen
sind parallel geschalten, wobei die Parallelschaltung Anschlüsse 34a und 34b hat,
die jeweils mit den Knoten 44 und 46 der Erdfehler-Schutzeinrichtung
verbunden sind. Der Stromsensor 34 erzeugt einen Strom
durch die Anschlüsse 34a und 34b,
wobei dieser Sekundärstrom
bei einer Zunahme der Vektorsumme ansteigt.
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Zur
Erfassung der Vektorsumme des Stroms durch die Hauptsammelleitung 14 ist
der Stromsensor 36 im Bereich des Hauptschutzschalters
M2 vorgesehen. Der Stromsensor 36 umfasst vier (nicht gezeigte)
Stromstransformatoren mit Primärwicklungen,
die mit der Hauptsammelleitung 14 benachbart zum Hauptschutzschalter
M2 verbunden sind. Diese Sekundärwicklungen
sind parallel geschalten, wobei die Parallelschaltung Anschlüsse 36a und 36b hat, die
jeweils mit den Knoten 44 und 47 der Erdfehler-Schutzeinrichtung
verbunden sind. Der Stromsensor 36 erzeugt einen Strom
durch die Anschlüsse 36a und 36b,
der im Wesentlichen proportional der Vektorsumme der Ströme durch
die Hauptsammelleitung 14 an der Stelle des Stromsensors
ist. Solange die Vektorsumme Null ist, erzeugt der Stromsensor 36 keinen
wirksamen sekundären
Strom durch die Anschlüsse 36a und 36b;
jedoch steigt dieser sekundäre
Strom bei einer Zunahme der Vektorsumme an.
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Zur
Erfassung der Vektorsumme des Stroms durch die Hauptsammelleitung 16 ist
der Stromsensor 38 im Bereich des Hauptschutzschalters
M3 vorgesehen. Der Stromsensor 38 umfasst vier (nicht gezeigte)
Stromstransformatoren mit Primärwicklungen,
die mit der Hauptsammelleitung 16 benachbart zum Hauptschutzschalter
M3 verbunden sind. Diese Sekundärwicklungen
sind parallel geschalten, wobei die Parallelschaltung Anschlüsse 38a und 38b hat, die
jeweils mit den Knoten 48 und 50 der Erdfehler-Schutzeinrichtung
verbunden sind. Der Stromsensor 38 erzeugt einen Strom
durch die Anschlüsse 38a und 38b,
der im Wesentlichen proportional der Vektorsumme der Ströme durch
die Hauptsammelleitung 16 an der Stelle des Stromsensors
ist. Solange die Vektorsumme Null ist, erzeugt der Stromsensor 38 keinen
wirksamen sekundären
Strom durch die Anschlüsse 38a und 38b;
jedoch steigt dieser sekundäre
Strom bei einer Zunahme der Vektorsumme an.
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Zur
Erfassung der Vektorsumme des Stroms durch die Verbindungssammelleitung 18 ist
der Stromsensor 40 im Bereich des Verbindungsschutzschalters
T1 vorgesehen. Der Stromsensor 40 umfasst vier (nicht gezeigte)
Stromstransformatoren mit Primärwicklungen,
die mit der Verbindungssammelleitung 18 benachbart zum
Verbindungsschutzschalter T1 verbunden sind. Diese Sekundärwicklungen sind
parallel geschalten, wobei die Parallelschaltung Anschlüsse 40a und 40b hat,
die jeweils mit den Knoten 46 und 52 der Erdfehler-Schutzeinrichtung
verbunden sind. Der Stromsensor 40 erzeugt einen Strom
durch die Anschlüsse 40a und 40b,
der im Wesentlichen proportional der Vektorsumme der Ströme durch
die Verbindungssammelleitung 18 an der Stelle des Stromsensors
ist. Solange die Vektorsumme Null ist, erzeugt der Stromsensor 40 keinen
wirksamen sekundären
Strom durch die Anschlüsse 40a und 40b;
jedoch steigt dieser sekundäre
Strom bei einer Zunahme der Vektorsumme an.
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Zur
Erfassung der Vektorsumme des Stroms durch die Verbindungssammelleitung 20 ist
der Stromsensor 42 im Bereich des Verbindungsschutzschalters
T2 vorgesehen. Der Stromsensor 42 umfasst vier (nicht gezeigte)
Stromstransformatoren mit Primärwicklungen,
die mit der Verbindungssammelleitung 20 benachbart zum
Verbindungsschutzschalter T2 verbunden sind. Diese Sekundärwicklungen sind
parallel geschalten, wobei die Parallelschaltung Anschlüsse 42a und 42b hat,
die jeweils mit den Knoten 52 und 50 der Erdfehler-Schutzeinrichtung
verbunden sind. Der Stromsensor 42 erzeugt einen Strom
durch die Anschlüsse 42a und 42b,
der im Wesentlichen proportional der Vektorsumme der Ströme durch
die Verbindungssammelleitung 20 an der Stelle des Stromsensors
ist. Solange die Vektorsumme Null ist, erzeugt der Stromsensor 42 keinen
wirksamen sekundären
Strom durch die Anschlüsse 42a und 42b;
jedoch steigt dieser sekundäre
Strom bei einer Zunahme der Vektorsumme an.
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Das
Erdfehlerrelais GFT1 ist auf einer Seite am Knoten 44 mit
dem Anschluss 34a des Stromssensors 34 verbunden
und auf der anderen Seite am Knoten 54 zwischen den Seiten
der Erdfehlerrelais GFM1 und GFM2 mit dem Knoten 44 angeschlossen. Die
andere Seite des Erdfehlerrelais GFM1 ist am Knoten 46 mit
dem Anschluss 34b des Stromsensors 34 und dem
Anschluss 40a des Stromsensors 40 verbunden. Die
andere Seite des Erdfehlerrelais GFM2 ist mit einem Ende der Primärwicklung
des Hilfstransformators AT verbunden. Das andere Ende der Primärwicklung
des Hilfstransformators AT ist mit dem Anschluss 40b des
Stromsensors 40, dem Anschluss 42a des Stromsensors 42 und
den Knoten 47 und 52 verbunden.
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Ein
Ende der Sekundärwicklung
des Hilfstransformators AT ist mit dem Anschluss 34a des Stromsensors 34,
dem Anschluss 38a des Stromsensors 38, einem Ende
des Erdfehlerrelais GFT2, einem Knoten 60 und den Knoten 44 und 48 verbunden.
Das andere Ende der Sekundärwicklung
des Hilfstransformators AT ist mit dem anderen Ende des Erdfehlerrelais
GFT2, einem Ende des Erdfehlerrelais GFM3 und einem Knoten 62 verbunden.
Das andere Ende des Erdfehlerrelais GFM3 ist mit dem Anschluss 38b des
Erdfehlersensors 38 und dem Anschluss 42b des
Erdfehlerrelais 42 am Knoten 50 verbunden.
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Im
Folgenden wird die Arbeitsweise der Erdfehler-Schutzeinrichtung
unter verschiedenen Bedingungen beschrieben. Beim Analysieren, wohin
die Ströme
in der Erdfehler-Schutzeinrichtung fließen, muss berücksichtigt
werden, dass, a) um einen merklichen Stromfluss in einer vorgegebenen
Sekundärwicklung
eines Transformators zu erzeugen, ein entsprechender Stromfluss
in seiner Primärwicklung vorhanden
sein muss, und (b) die erste Kirchhoff'sche Regel in jedem Verzweigungspunkt
oder Knoten erfüllt
sein muss (d. h., dass die algebraische Summe aller augenblicklichen
Ströme
in jedem dieser Knoten gleich Null sein muss).
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Zum
Analysieren der Erdfehler-Schutzeinrichtung müssen bestimmte Annahmen getroffen werden,
wie z. B. die Annahme, welche Schutzschalter geschlossen oder geöffnet sind
und wohin der Strom über
die Haupt- und Verbindungssammelleitungen fließt. In der Figur ist die Stromflussrichtung durch
Pfeile angegeben und die Höhe
des Stroms in Einheiten angegeben, die neben den Pfeilen aufgetragen
sind. Gemäß 2A wird
angenommen, dass sämtliche
Schutzschalter geschlossen sind und eine Stromeinheit von der Quelle 22 in
den Phasenleitern 12a der Hauptsammelleitung fließt, 0,5
Stromeinheiten von der Quelle 24 in den Phasenleitern 14a der Hauptsammelleitung
fließen
und 0,5 Stromeinheiten von der Quelle 26 in den Phasenleitern 16a der Hauptsammelleitung
fießen.
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Darüber hinaus
wird angenommen, dass eine mit GF bezeichnete Erdfehlerbedingung
auf der Hauptsammelleitung vorliegt und zwei Stromeinheiten beträgt. Es werden
insgesamt zwei Stromeinheiten dem System 10 von den Quellen
zugeführt
und zwei Stromeinheiten aus dem System in Form eines Erdfehlers
abgeführt.
Die Summe der Ströme,
die in das System 10 fließen und das System 10 verlassen beträgt Null.
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Gemäß der ersten
Kirchhoff'schen
Regel muss für
den Fall, dass ein Strom von den Quellen fließt, ein Strom zu den Quellen
zurückfließen, wobei jeder
Strom, der zur Quelle zurückfließt, dem
abfließenden
Strom entsprechen muss. Bei elektrischen Energieverteilungssystemen
sind mehre Pfade vorgesehen, über
welche der Strom fließen
kann, wenn er zur Quelle zurückfließt. Z. B.
kann der Strom im Metallblech eines Gehäuses oder im Neutralleiter fließen. Bei
dem gezeigten System ist es wichtig, diejenigen Ströme, die
durch die Neutralleiter fließen können, zu
berücksichtigen.
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2B zeigt
die bei der Analyse des Systems 10 getroffene Annahme,
wie der Erdfehlerstrom wieder in das System eintreten und zu den
Quellen zurückfließen kann.
Es wird angenommen, dass 0,5 Stromeinheiten in den geerdeten Neutralleiter 22a der
Quelle 22 fließen,
1,5 Stromeinheiten in den geerdeten Neutralleiter 24a der
Quelle 24 fließen
und 0 Stromeinheiten in den geerdeten Neutralleiter 26a der
Quelle 26 fließen.
Folglich fließen
2 Stromeinheiten in das System 10 zurück, wodurch die beiden Stromeinheiten,
die aus dem System durch den Erdfehler GF fließen, ausgeglichen werden. Der
Strom, der zu jeder Quelle zurückfließt, muss
gleich dem abfließenden
Strom sein. Ist der Strom, der in einem bestimmten Erdungspunkt
eintritt, nicht im Gleichgewicht mit dem Strom, der in die Quelle
fließt,
muss der überschüssige Teil
oder der fehlende Teil über den
Neutralleiter fließen.
Daher müssen
die Ströme in
den Neutralleitern vom Neutralleiter fließen. Folglich müssen die
Ströme
in den Neutralleitern 12N, 14N, 16N, 18N und 20N,
wie dargestellt, sämtliche
zu den Quellen zurückfließende Ströme ausgleichen. Beispielsweise
muss eine Stromeinheit in den Neutralleiter 14N fließen und
anschließend
an einem Knoten 56 verzweigt werden, so dass 0,5 Stromeinheiten
in den Neutralleitern 18N und 20N fließen.
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2C zeigt
die durch die Hauptleiter 12a, 14a, 16a, 18a und 20a fließenden Ströme an jedem der
Stromsensoren und zeigt die Ströme,
die die Stromsensoren verlassen. Z. B. fließt eine Stromeinheit in das
Polaritätszeichen
des Stromsensors 34 durch die Phasenstromleiter 12a und 0,5 Stromeinheiten
von den Polaritätszeichen
des Stromsensors 34 durch den Neutralleiter 12N weg.
Die Summe dieser beiden Ströme
beträgt
0,5 Stromeinheiten, die in das Polaritätszeichen fließen, so
dass sich 0,5 Stromeinheiten ergeben, die von der Sekundärseite des
Stromsensors 34 am Anschluss 34a fließen.
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Am
Stromsensor 36 fließen
0,5 Stromeinheiten durch die Phasenleiter 14a in das Polaritätszeichen
und eine Stromeinheit durch den Neutralleiter 14N in das
Polaritätszeichen.
Folglich fließen
1,5 Stromeinheiten vom Anschluss 36a des Stromsensors 36.
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Am
Stromsensor 38 fließen
0,5 Stromeinheiten durch die Phasenleiter 16a in das Polaritätszeichen
und 0,5 Stromeinheiten durch den Neutralleiter 16N vom
Polaritätszeichen
weg. Folglich fließt
kein Strom von der Sekundärseite
des Stromsensors 38.
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Am
Stromsensor 40 fließt
eine Stromeinheit durch den Phasenleiter 18a in das Polaritätszeichen und
0,5 Stromeinheiten durch den Neutralleiter 18N vom Polaritätszeichen
weg. Folglich fließen
0,5 Stromeinheiten von der Sekundärseite des Stromsensors 40 am
Anschluss 40a.
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Am
Stromsensor 42 fließen
0,5 Stromeinheiten durch die Phasenleiter 20a vom Polaritätszeichen und
0,5 Stromeinheiten durch den Neutralleiter 20N in das Polaritätszeichen.
Folglich fließt
kein Strom von der Sekundärseite
des Stromsensors 42.
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In 2D ist
der in die Erdfehler-Schutzeinrichtung fließende Strom in Einheiten angegeben. Wie 2C zu
entnehmen ist, fließen
0,5 Stromeinheiten vom Anschluss 40a zum Knoten 46 ein
und verlassen 0,5 Stromeinheiten den Knoten 46 in Richtung
zum Anschluss 34b. Da der Strom, der zum Knoten 46 fließt und von
diesem wegfließt,
ausgeglichen ist, ist kein Stromfluss vom Knoten 46 durch
das Erdfehlerrelais GFM1 möglich,
wie in 2D gezeigt. Folglich wird durch
das Erdfehlerrelais GFM1 der Hauptschutzschalter M1 nicht ausgelöst. Zusätzlich ist
der Strom, der vom Erdfehlerrelais GFM1 zum Knoten 54 fließt, gleich
Null.
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In
Bezug auf den Knoten 52 in 2C ist
erkennbar, dass 0,5 Stromeinheiten abfließen und zum Anschluss 40b fließen müssen, und
dass kein Strom vom Anschluss 42a zum Knoten fließt. Folglich
müssen
0,5 Stromeinheiten vom Knoten 47 zum Knoten 52 fließen, wie
in 2D angegeben. Da 1,5 Stromeinheiten zum Anschluss 36b des
Stromsensors 36 fließen,
wie in 2C gezeigt, müssen zwei Stromeinheiten
vom Knoten 54 durch das Erdfehlerrelais GFM2, durch die
primäre
oder untere Spule des Hilfstransformators AT und zum Knoten 47 fließen. Diese
beiden Stromeinheiten werden dann in 1,5 Stromeinheiten, die vom
Knoten 47 in Richtung zum Anschluss 36b des Stromsensors 36 fließen, und
0,5 Stromeinheiten, die von dem Knoten 47 in Richtung zum
Knoten 52 fließen,
aufgeteilt, wie in 2D gezeigt.
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Wie
in 2D gezeigt, müssen,
da zwei Stromeinheiten durch die untere Spule des Hilfstransformators
AT fließen,
zwei Stromeinheiten durch die sekundäre oder die oberen Spule des
Hilfstransformators AT und in den Knoten 60 fließen. Da
zwei Stromeinheiten in die obere Spule des Hilfstransformators AT
fließen
müssen,
um die zwei Stromeinheiten, die die obere Spule verlassen, auszugleichen, zwei
Stromeinheiten vom Knoten 60 durch das Erdfehlerrelais
GFT2 zum Knoten 62 und vom Knoten 62 in Richtung
zur oberen Spule des Hilfstransformators AT fließen. Die zwei Stromeinheiten,
die durch das Erdfehlerrelais GFT2 fließen, lösen den Verbindungsschutzschalter
T2 aus. Da der Strom, der den Knoten 60 in Richtung zum
Knoten 62 verlässt,
dem Strom entspricht, der zum Knoten 60 vom Hilfstransformator
AT fließt,
muss der Strom, der zum Knoten 60 vom Knoten 48 fließt, gleich
Null sein. 2D zeigt, dass der Strom, der
zum Knoten 60 vom Anschluss 38a des Stromsensors 38 fließt, Null
ist; daher muss gemäß der ersten
Kirchhoff'schen
Regel der Strom, der zum Knoten 48 vom Knoten 44 fließt, ebenfalls
Null sein.
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2D zeigt,
dass 0,5 Stromeinheiten vom Anschluss 34a zum Knoten 44 fließen und
1,5 Stromeinheiten vom Anschluss 36a zum Knoten fließen. Da
zwischen dem Knoten 44 und dem Knoten 48 kein
Strom fließt,
werden die 1,5 Stromeinheiten mit den 0,5 Stromeinheiten kombiniert,
um zwei Stromeinheiten zu bilden, die vom Knoten 44 und durch
das Erdfehlerrelais GFT1 zum Knoten 54 fließen, so
dass der Verbindungsschutzschalter T1 ausgelöst wird.
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Da
der Strom, der vom Anschluss 38b und vom Anschluss 42b zum
Knoten 50 fließt,
Null ist, ist der Strom, der vom Knoten 50 wegfließt, ebenfalls Null.
Daher ist der Strom, der durch das Erdfehlerrelais GFM3 fließt, gleich
Null, so dass der Hauptschutzschalter M3 nicht ausgelöst wird.
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Die
Erdfehler-Schutzeinrichtung wurde vollständig analysiert, um sicherzustellen,
dass sämtliche
Regeln der Schaltkreisanalyse erfüllt sind. Der resultierende
Strompfad in der Erdfehler-Schutzeinrichtung erzeugt einen Stromfluss
durch die Erdfehlerrelais GFT1, GFM2 und GFT2. Der Stromfluss durch
diese Erdfehlerrelais löst
jeweils die zugeordneten Schutzschalter T1, M2 und T2 aus, so dass
die Hauptsammelleitung 14 von den anderen Sammelleitungen
des Systems 10 isoliert wird. Man beachte, dass kein Strom
durch die Erdfehlerrelais GFM1 und GFM3 fließt, wodurch sichergestellt
ist, dass die Hauptschutzschalter M1 und M3 nicht ausgelöst werden
und somit die Hauptsammelleitung 12 und die Hauptsammelleitung 16 elektrische
Energie zuführen können.
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Bei
anderen Typen von Erdfehler-Schutzeinrichtungen können die
Haupt-Schutzschalter
M1 und M3 Auslösesignale
empfangen, bei denen die jedoch ein Auslösen durch selektive Koordination
oder Rückhaltesignale,
die von anderen Schutzschaltern übertragen
werden, verhindert wird. Der Vorteil der Erdfehler-Schutzeinrichtung
der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch den Aufbau
der Erdfehler-Schutzeinrichtung und die Verwendung des Hilfsstromtransformators
AT eine Eigenselektivität geschaffen
wird. D. h., dass durch die Verwendung der Erdfehler-Schutzeinrichtung
der vorliegenden Erfindung keine selektive Koordination oder Rückhaltesignale
von anderen Schutzschaltern des Systems erforderlich sind. Des Weiteren
schafft die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass keine Hilfssteuerkontakte
erforderlich sind und die Funktion völlig unabhängig vom Status der Schutzschalterkontakte
ist.
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Es
sei darüber
hinaus darauf hingewiesen, dass der Strom, der vom Erdfehlerrelais
GFM3 zum Knoten 62 fließt, unter allen Umständen gleich
Null bleibt, solange der Erdfehler GF auf der Hauptsammelleitung 14 vorhanden
ist. Dies ist von Bedeutung, wenn die Arbeits- und Funktionsweise
des Hilfsstromtransformators AT jeweils in Bezug auf den Betrieb
des Grundfehlerrelais GFT2 betrachtet wird. Es besteht die natürliche Tendenz,
dass der Strom vom Hilfsstromtransformator AT auch zum Erdfehlerrelais GFM3
und/oder zu anderen Stellen im rechten Abschnitt der Erdfehler-Schutzeinrichtung
fließen
kann. Aus dem gleichen Grunde kann, wenn durch das Erdfehlerrelais
GFM3 Strom zum Erdfehlerrelais GFTM2 umgeleitet wird, der Strom,
der eventuell durch den Hilfstransformator AT durch das Erdfehlerrelais GFM2 übertragen
wird, ein Problem darstellen. Der Hilfstransformator AT schafft
jedoch einen Isolationsgrad, durch den eine Verbindung zwischen
zwei unterschiedlichen Teilen der Erdfehler-Schutzeinrichtung hergestellt
werden kann.
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Die
vorhergehende Beschreibung ist nicht auf die beschriebene spezielle
Ausführungsform
begrenzt sondern durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche festgelegt.
Z. B. kann, obwohl die bevorzugte Ausführungsform anhand eines Energieverteilungssystems
mit drei Quellen und drei Lasten beschrieben wurde, der Aufbau ohne
weiteres bei einem elektrischen Energieverteilungssystem mit mehr als
drei Quellen oder drei Lasten angewendet werden. Bei diesen Systemen
sind mehr als ein Hilfstransformator erforderlich, um den Auslösestrom
an die zuständige
Schutzschalter-Auslösefunktionseinheit
zu verzweigen.