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Summenstromwandlerschaltung für Mehrphasensysteme Zusatz zum Patent
637 989 Generatoren mit über Widerstände geerdeten Sternpunkten zur Begrenzung ihres
Erdschlußstromes müssen gegen innere; im Generator entstandene Erdschlußfehlerstellen
durch richtungsempfindliche Schutzeinrichtungen geschützt werden. Da die Erdschlußströme
in der Sternpunktserdleitung aber unabhängig von der Lage des Fehlerortes im Innern
des Generators oder in dem von ihm gespeisten Verteilungsnetz stets in der gleichen
Richtung fließen, kann der Erdschlußstrom in dieser Leitung nicht für die Erkennung
der Lage des Fehlerortes dienen. Es ist deshalb allgemein üblich, in jede Phase
der Netzzuleitungen des Generators je einen Stromwandler zu legen und deren Sekundärwicklungen
in Summenstromschaltung miteinander zu verbinden. An die beiden Sternpunkte dieser
Summenschaltung wird die Stromspule des wattmetrischen Erdschlußrichtungsrelais
angeschlossen, während die Spannungsspule von einem parallel zum Erdschlußstrombegrenzungswiderstand
liegenden Spannungswandler erregt wird.
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Dieser Grundschaltung haften verschiedene Mängel an. Liegt z. B. kein
satter Klemmen-oder Leitungserdscl-luß vor, sondern liegt der Fehlerort im Innern
eines Verbrauchers oder des Generators in Wicklungsteilen, die nur eine Spannungsdifferenz
von wenigen Hundertteilen der Phasenspannungen gegen den Sternpunkt aufweisen, so
nimmt die Erregung der Spannungsspule proportional ab. Das, für das Ansprechen des
Relais erforderliche Produkt aus Erregerspannung mal Strom in der Stromspule muß
auch bei niedriger Erregerspannung mindestens gleich groß sein wie bei hoher. Dies
bedeutet, daß der Strom der Stromspule des Relais umgekehrt proportional der verminderten
Spannung steigen muß. Der Erdschlußstrom ist aber der Spannung am Fehlerort proportional
und daher im gleichen Verhältnis wie diese kleiner geworden. Sowohl die Erregerspannung
als auch der Strom des Relais verändern sich bei Erdschlüssen, die nicht Klemmenerdschlüsse
sind, in einem für das Ansprechen des Relais ungünstigen Sinne, so daß der Schutzbereich
und damit der Wert der Schaltung nicht befriedigend sind.
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Der in der mit Erdschluß behafteten Phase liegende Stromwandler übersetzt
den primären Erdschlußstrom auf die Sekundärseite dieses Wandlers und speist so
einen um den eigenen Magnetisierungsstrombedarf verminderten Strom in die Summenschaltung
der Sekundärwicklungen ein. Dieser fließt teils über die Stromspule des Erdschlußrichtungsrelais
und
teils als Magnetisierungsstrom über die ebenfalls parallel liegenden Sekundärwicklungen
der beiden Stromwandler in den anderen Phasen. Der Magnetisierungsstrombedarf der
drei Summenstromwandler vermindert somit den im Relais zur Wirkung kommenden sekundären
Fehlerstrom unter Umständen sehr beträchtlich, was eine weitere Verminderung des
Schutzwertes der Schaltung zur Folge hat.
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In Erkenntnis dieser Mängel sind bereits eine Reihe grundsätzlicher,
von der Grundschaltung verschiedener, zum Teil sehr kostspieliger Schaltungen entwickelt
worden. Man hat auch versucht, die Mängel der Grundschaltung mittelbar zu beseitigen.
So sind Schaltungen bekanntgeworden, bei denen in den Stromkreis der Spannungsspule
ein Eisen-Wasserstoff-Widerstand geschaltet ist, um die Erregung des Relais in möglichst
weiten Grenzen konstant zu halten. Diese Maßnahme bringt eine bedeutende Verbesserung.
Die den Eisen-Wasserstoff-Widerständen anhaftende Eigenschaft, die Einschaltstromspitzen
vom 8- bis iofachen Betrag des Sollwertes erst nach Ablauf einiger Sekunden zu begrenzen,
vermindert jedoch den Wert der erzielten Verbesserung beträchtlich, da das anfangs
auftretende übermäßig große Feld der Spannungsspule auch ohne Mitwirkung der Stromspule
Kräfte auf dem Relaisanker auszuüben vermag und dadurch unter Umständen Fehlauslösungen
hervorrufen kann.
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Gemäß dem Hauptpatent hat man nun die Einspeisung eines Zusatzstromes
in den Summenstromkreis sowohl zur Deckung des Magnetisierungsstrombedarfes der
Wandlergruppe als auch zur teilweisen Deckung des Ansprechstromes für die Stromspule
des Richtungsrelais vorgeschlagen und diesen Zusatzstrom der Sekundärseite eines
in die Sternpunktserdleitung geschalteten Stromwandlers entnommen. Da die Größe
dieses Zusatzstromes eine Funktion des Fehlerstromes ist, ist der Wert dieser Einspeisung
nur gering. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, die Einspeisung aus dem Stromwandler
über einen Eisen-Wasserstoff -Widerstand vorzunehmen. Dieser Widerstand ist für
den Stromwandler eine stark veränderliche Bürde und verursacht eine bedeutende Winkelabweichung
des Einspeisestromes gegenüber dem sekundären Fehlerstrom. Eine Verbesserung des
Schutzbereiches durch diese Maßnahme ist daher nur bei der Verwendung von Stromrelais
möglich. Für richtungsempfindliche, winkelabhängige, dynamometrische Relais ist
diese Maßnahme aber nicht anwendbar.
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Erfindungsgemäß werden diese Mängel in einfacher Weise dadurch vermieden,
daß der Zusatzstrom einem an einer Teilspannung des Erdschlußstrombegrenzungswiderstandes
liegenden Spannungswandler unter an sich bekannter Zwischenschaltung eines Konstantstromwiderstandes
entnommen wird.
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Die Störungen der Schutzschaltungen, die auf die durch die Eisen-Wasserstoff-Widerstände
bedingten Stoßbeanspruchungen der Relais zurückzuführen sind, werden ferner durch
mit den Eiseil-Wasserstoff-Widerständen in Reihe geschaltete zusätzliche Widerstände
mit stark negativem Temperaturkoeffizienten beseitigt, deren Stromzeitkennlinien
einander so angepaßt sind, daß der Einschaltstrom gedämpft wird und den Sollwert
zu keiner Zeit überschreitet. Die Beseitigung der Winkelverschiebung zwischen dem
sekundären Fehlerstrom aus der Summenstromschaltung und dem Einspeisestrom aus dem
Stromwandler in der Sternpunktserdlei-' tung wird praktisch restlos durch die Verwendung
eines Spannungswandlers an Stelle des Stromwandlers als Einspeisestromquelle beseitigt.
Von diesem Spannungswandler, der parallel zu einem Teil des Erdungswiderstandes
liegt, wird zweckmäßig auch die Erregerspule des Erdschlußrichtungsrelais gespeist.
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Die Zeichnung zeigt schematisch eine Schutzschaltung nach der Erfindung.
Mit i ist der zu schützende Generator, mit 2 sein im Sternpunkt liegender Erdungswiderstand,
und mit 3 sind die drei einphasigen Netzstromwandler bezeichnet, deren Sekundärwicklungen
in Summenschaltung miteinander ! verbunden sind. q bezeichnet einen Stromwandler
in der Erdleitung zur Speisung eines verzögert ansprechenden Maximalstromrelais
5, das als Erdschlußschutzrelais auf die Auslöseorgane des nicht dargestellten Maschinenschalters
wirkt. 6 ist ein dynamometrisches Erdschlußrichtungsrelais mit einem normalerweise
geschlossenen Kontakt 7, und 8 ist ein Spannungswandler, der parallel zu einem Teil
des Erdungswiderstandes 2 liegt.
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Die Einspeisung des Zusatzstromes in den Summenstromkreis erfolgt
über eine Konstantstromwiderstandskombination 9 mit stark gedämpfter Stromzeitkennlinie,
die Speisung der Erregerspule über einen zweiten Konstantstromwiderstand io aus
dem Spannungswandler B.
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Die Schaltung arbeitet folgendermaßen: Tritt im Netz, beispielsweise
in Phase T, ein Erdschluß auf, so fließt der Erdschlußstrom JF, über den
Stromwandler q. und den Widerstand 2 zum Generator i zurück. Die Spannungsspule
des ErdscHußrichtungsrelais 6 wird über den Konstantwiderstand i o aus dem Spannungswandler
8 erregt. Im Summenstromkreis fließt aus dem Wandler der Phase T der Sekundärfehlerstrom
JFE und
über den Könstantwiderstand 9 der Einspeisestrom1s aus dem
Spannungswandler 8. Die Phase von JF2 und is wird so gewählt, daß in der
Strömspule des Richtungsrelais bei äußerem Erdschluß ein Summenstrom gleicher Phase
fließt, der das Relais innerhalb des eingestellten Schutzbereiches unverzögert zum
Ansprechen bringt. Der durch das Richtungsrelais 6 mittelbar oder unmittelbar geöffnete
Kontakt 7 sperrt den Generatorauslösestromkreis des verzögert ansprechenden Erdschlußrelais
5.
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Tritt ein Erdschluß im Innern des Generators auf, so wird> bei Parallelbetrieb
von mehreren Generatoren der Strom JF.., in entgegengesetzter Phase von i, dem Relais
zufließen. In der Stromspule des Relais fließt ein Differenzstrom aus JF2 und i,.
Das Relais spricht daher nicht oder erst, wenn der Differenzstrom den der Erregung
des Relais entsprechenden absoluten Betrag des Ansprechstromes des Relais erreicht,
in entgegengesetzter Richtung an, sofern die Bewegung des Relais in dieser Richtung
nicht durch einen Anschlag gesperrt ist. Der Kontakt *7 bleibt geschlossen, so daß
nach erfolgtem Ansprechen des Erdschlußschutzrelais 5 die Abschaltung des fehlerhaften
Generators eingeleitet wird.
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Arbeitet der mit Erdschluß behaftete Generator allein auf das Netz,
so wird JF2 = O.
Da auch in diesem Falle das Richtungsrelais 6 trotz der Einspeisung
von is nicht zum Ansprechen kommen darf, liefert dieser Betriebszustand die Bedingung
für die Größe des maximal zulässigen Einspeisestromes 1s, wobei weiterhin noch dem
Einfluß der Netzbelastung durch geeignete Wahl der Summenstromwandler hinsichtlich
Übersetzung, sekundärem Scheinwiderstand und Magnetisierungscharakteristik zu begegnen
ist.
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Durch die Verwendung eines dynamometrischen Relais als Richtungsrelais
werden Fehlauslösungen durch die kapazitiven Erdschlußstromkomponenten des Netzes
sicher verhindert. Es hat sich weiter als zweckmäßig ,erwiesen, die Erregerspule
des Relais als Drehspule auszubilden, da der durch die Zuleitungsfedern und die
hohe Stromdichte der Drehspule bedingte größere Leistungsbedarf leicht aus dem Spannungswandler
gedeckt werden kann. Während die den teuersten Teil des Relais ausmachende Drehspule
für alle Anlagen einheitlich sein kann, besteht in bezug auf die leicht herstellbare
feststehende Summenstromspule volle Freiheit hinsichtlich ihrer Windungszahl, ihrer
Aufteilung in eine oder zwei Spulen und ihres für die Anpassung an die Summenstromwandler
erforderlichen Scheinwiderstandes.