DE702078C - Schutzeinrichtung fuer elektrische Anlagen - Google Patents

Schutzeinrichtung fuer elektrische Anlagen

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DE702078C
DE702078C DE1937A0085107 DEA0085107D DE702078C DE 702078 C DE702078 C DE 702078C DE 1937A0085107 DE1937A0085107 DE 1937A0085107 DE A0085107 D DEA0085107 D DE A0085107D DE 702078 C DE702078 C DE 702078C
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DE
Germany
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relay
impedance
relays
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voltage
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Expired
Application number
DE1937A0085107
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English (en)
Inventor
Oliver C Traver
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AEG AG
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AEG AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/40Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to ratio of voltage and current

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

  • Schutzeinrichtung für elektrische Anlagen Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für elektrische Anlagen, die nur auf Fehler, nicht aber auf Laststöße ansprechen sollen, die insbesondere in Bahnnetzen sehr leicht Fehlerbedingungen vortäuschen können. Andererseits sollen die . Schutzeinrichtungen auch dann noch auslösen, wenn die Geschwindigkeit der infolge eines Fehlers auftretenden Änderung der überwachten elektrischen Größe zu gering ist, um ein Sprungrelais zum Ansprechen zu bringen, oder wenn dieses Relais nicht in Ordnung ist.
  • Derartige Sprungrelais sind für Schutzeinrichtungen an sich bekannt und werden meistens zum Schutz von Bahnstromkreisen benutzt. In diesem Fall muß häufig die Schalterauslösung für eine hohe Geschwindigkeit der Stromänderung eingestellt werden, um eine Fehlauslösung zu verhindern, falls gleichzeitig mehrere Züge .in einem Speiseabschnitt anfahren oder Einschaltstromstöße und Wanderwellen auftreten. Solche Wanderwellenströme sind unter Umständen sehr groß, besonders in Netzen mit niedrigerer Frequenz, wie sie im Bahnbetrieb üblich ist, und wenn außerdem Lokomotivtransformatoren zum Zweck der Gewichtsersparnis mit möglichst wenig Eisen ausgeführt sind. Außerdem können- Wanderwellen von den Stromabnehmern ahrender Züge hervorgerufen werden. Wenn jedoch die durch die Sprungrelais bewirkte Schalterauslösung so hoch eingestellt ist, daß unter den gekennzeichneten Bedingungen keine Auslösung erfolgt, so besteht die Gefahr, daß auch bei echten Fehlern keine Auslösung erfolgt, bei denen die Geschwindigkeit der Fehlerstromänderung für eine Schalterauslösung nicht ausreicht. Dadurch werden aber die Stromkreise und die angeschlossenen Anlageteile stark gefährdet.
  • Die genannten Forderungen erfüllt der Gegenstand der Erfindung, und zwar dadurch, daß außer irgendeiner Schutzrelaiseinrichtung vorzugsweise mit Impulsauslösung, beispielsweise bekannte Sprungauslöser oder Sprungrelais, zur Unterscheidung zwischen Last- und Fehlerströmen zwei impedanzabhängige, kontaktseitig in Reihe geschaltete Relais mit verschiedenen Impedanz- und Ansprechkennlinien vorgesehen sind, von denen das eine nur unterhalb eines Wertes der Leitungsimpedanz anspricht, der proportional ist dem Kosinus der Differenz zwischen dem Phasenverschiebungswinkel der Leitung und dem Phasen%vinkel bei Höchstempfindlichkeit des Relais, während das andere Relais nur unter-; halb eines Wertes der Leitungsimpedanz anspricht, der dem reziproken Wert dieses Differenzwertes proportional ist, und die beide bei solchen Fehlern, bei denen eine Auslösung durch die sonst vorgesehene Schutzregek-inrichtung nicht erfolgt, ansprechen.
  • Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht.
  • In Abb. i ist schematisch eine Ausführungsform der Schutzeinrichtung nach der Erfindung dargestellt. 3 und 4. sind die Sammelschienen eines einphasigen Bahnnetzes, von denen die eine Phase geerdet ist. Die Sammelschienen sind mit den Fahrleitungen, der Schiene 5 und der Oberleitung 6 verbunden, wobei in die Leitung 6 irgendein Leistungsschalter ; eingeschaltet ist. Dieser kann vorzugsleise von einer an sich bekannten Impulsauslösung, beispielsweise Sprungrelais oder -auslöser, gesteuert werden. Der Schalter hat eine Haltespule 8, die den Schalter geschlossen hält, so lange, bis der Stromkreis der Haltespule unterbrochen wird oder ein entgeg°ngesetzter magnetischer Fluß die magnetische Wirkung der Spule aufhebt. Um die Haltewicklung nicht dauernd zu erregen, wenn der Schalter offen ist, können Kontakte 9 vorgesehen werden, die vom Hauptschalter gesteuert werden und sich gleichzeitig mit diesem öffnen und schließen.
  • Erfindungsgemäß sind zwei Relais io und i i mit verschiedenen Impedanzansprechkennlinien vorgesehen, die aus einem magnetischen Rahmen 12 mit mehreren Polen 13, 14, 15, 16 und auf ihnen angeordneten Erregerwicklungen bestehen. Zwischen den Polen ist ein feststehender Teil 17 aus magneiischem Stoff und in dem gebildeten Luftspalt ein stromleitendes, beispielsweise zylindrisches Element aus Kupfer oder Aluminium angeordnet, das einen Kontaktarm i 9 bewegt -und dadurch einen Stromkreis schließen kann. Der Kontaktarm wird durch eine Feder 2o in seiner Ruhelage gehalten.
  • Das Relais io hat eine Spannungswicklung, die aus vier in Reihe geschalteten und auf dem Rahmen 12 sitzenden Spulen 2 i besteht. Diese sind an eine Spannung, beispielsweise an diejenige der Sammelschienen, über einen Spannungswandler 22 angeschlossen. DieWicklung 23 auf dem Pol 16 kann vom Strom im Fahrdraht 6 über einen Stromwandler 24 erregt werden. Um den Ansprechwert einstellen zu können, kann die Wicklung 23 mit Anzapfungen 25 versehen sein. Die Wicklungen 21 und 23 ergeben dann ein Richtungsmoment im Läufer 18, welches proportional dem Wert EJ # cos (cp - cpl) ist. E und J sind die Spannung bzw. der Strom des Bahnstromkreises in der Station, cp der Leistungsfaktorwinkel des Bahnstromkreises und rpi der Winkel zwischen dem Strom J und der Spannung E, bei dem die höchste Empfindlichkeit oder das höchste Drehmoment des Relais io erzielt wird.
  • Um auch dann, wenn die Spannung völlig gleich Null wird, ein genügendes Drehmoment im Relais zu erhalten, kann in die Leitungen der Spannungswicklungen 21 ein Kondensator 26 eingeschaltet werden, der im Verhältnis zur Induktivität des Spannungskreises so bemessen ist, daß dieser Stromkreis 'bei Netzfrequenz sich in Resonanz befindet. Hierdurch wird auch nach völligem Ausbleiben der Spannung eine genügende Zeit lang ein Drehmoment im Relais sichergestellt.
  • Um die gewünschte Distanzkennlinie zu erhalten, ist auf dem Pol 14 noch eine weitere Spannungswicklung 27 angeordnet, die mit den Spannungswicklungen 21 so zusammenwirkt, daß ein dem Quadrat der Leistungsspannung E proportionales Drehmoment im Normalbetrieb erzeugt wird, das den Kontaktarm i 9 in der Offenstellung hält. Die Größe des Moments kann beispielsweise durch einen in Reihe mit der Wicklung 27 liegenden einstellbaren Widerstand 28 verändert werden.
  • Das auf den Läufer i 8 im Sinne einer Kontaktschließung ausgeübte resultierende Drehmoment ist dann Mdi=EJ#cos(cp-cpl)-K1#E2, wobei I(1. eine Konstante und durch den Widerstand 28 einstellbar ist. Aus dieser Gleichung ergibt sich die Gleichung für den Fall, daß die beiden Drehmomente sich aufheben. Das Relais schließt also seine Kontakte i g, wenn der Scheinleitwert den Wert überschreitet und cos ,(y-rpl) positiv ist. Die Impedanzcharakteristik ist dann Eine solche Kennlinie erscheint als Kreis 30 im Polardiagramm der Abb.2, bei dem die j kreisförmigen Koordinaten ein Maß für den Scheinwiderstand wid die radialen Koordinaten ein Maß für die Ströme bei verschiedenen Phasenwinkeln mit der Spannung 0V darstellen. Der Durchmesser des Kreises 30 beim Winkel g, gibt die größte Impedanz an, bei der das Relais arbeitet.
  • Das Relais io ermöglicht die Unterscheidung zwischen Einschalt- und Fehlerströmen, da es nur anspricht, wenn die Größe der Grundwelle der Spannung im Vergleich zur Leitungsspannung einen Fehler anzeigt. Magnetisierungsströme treten nur auf, wenn die Spannung nahezu ihren normalen Wert hat. Außerdem sind diese Ströme sehr stark verzerrt. Das Relais hat daher, da es nur auf die Grundfrequenz anspricht, nur 4o bis 5o% der Empfindlichkeit beirü Auftreten von Magnetisierungsströmen im Vergleich zu der vollen Empfindlichkeit bei vorliegenden Fehler-.bedingungen.
  • Das Relais i i mißt eine Komponente des Scheinwiderstandes des geschützten Stromkreises. Zu diesem Zweck hat das Relais i i eine Stromwicklung aus vier in Reihe geschalteten, auf dem Rahmen 12 angeordneten Spulen 31, die von einem Stromwandler 24 gespeist werden. Außerdem ist auf den Polen 14 und 16 eine Wicklung aus zwei in Reihe geschalteten Spulen 32 angebracht. Diese Spulen werden in Abhängigkeit von der vektoriellen Differenz zwischen der Fahrdrahtspannung und einer Spannung, die dem Strom in der Fahrleitung proportional ist und um 9o° voreilt, erregt. Um den Ansprechwert des Relais ohne Störung der Leistungsfaktoreinstellung prüfen zu können, kann die Spannung von dem Spannungswandler 22 über einen mit Anzapfungen versehenen Spartransformator 33 dem Relais zugeführt werden. Die vom Strom abhängige Spannung wird von einem Wandler mit hoher Induktivität 34 abgenommen, dessen Primärwicklung in Reihe mit dem Stromwandler 24 liegt.
  • Um den Leistungsfaktor oder die Empfindlichkeit einzustellen, sind die Spulen 32 in Reihe mit einem veränderlichen Widerstand 36 geschaltet, zu dem parallel ein Kondensator 35 liegt.
  • Bei der dargestellten Anordnung ist das im Sinne einer Kontaktschließung ausgeübte Drehmoment am Läufer 18 gleich M12 = l(2 # 12 - EJ # cos (cp - 92). cp2 ist hierbei der Phasenversehiebungswinkel, bei dem die Relaisempfindlichkeit ihren Höchstwert erreicht; l(2 ist eine Konstante. Wenn kein Drehmoment ausgeübt wird, ist EJ # cos (,p - cp2) - I<2 # J2, woraus für die Impedanz folgt: Das Relais i i schließt also seine Kontakte, wenn die Impedanz Z2 kleiner als der vorstehende Wert und cos (cp - cp2) positiv ist. ' Durch Wahl der Anzapfungen des Spartransformators 33 ist die Konstante l(2 einstellbar, ohne daß die Leistungsfaktoreinstellung cp2 geändert wird. Diese Kennlinie .wird durch die Gerade 40 in Abb. 2 dargestellt. Die Senkrechte vom Nullpunkt auf die Gerade 4o mit dem Winkel 92 stellt den Wert des Impedanzwinkels dar, bei dem die größte Relaisempfindlichkeit vorhanden ist.
  • Aus Abb. 2 ist. zu ersehen, daß, wenn 'die ImpedanzZi innerhalb des Kreises3o liegt, der die Kennlinie für. das Relais i o darstellt, dieses seine Kontakte schließt. Ebenso wird, wenn die Leitungsimpedanz einen-Wert hat, der in den durch die Linie 4o begrenzten Bereich fällt, das Relais i i ebenfalls seine Kontakte schließen. Derjenige Teil des Kreises, der von der Linie 4o begrenzt wird und nach dem Koordinatennullpunkt zu liegt, ist dann als der Bereich anzusehen, in dein fehlerhafte Impedanzen auftreten. Durch Änderung der Winkel cpi oder 92 oder beider Winkel können die Bereiche, in denen das Relais arbeitet, geändert werden.
  • In Abb. 2 mögen die Punkte verschiedene Werte von Leitungsimpedanzen bei verschiedener Last bedeuten, bei denen keine Relaisbetätigung eintreten soll. Die Kreuze bedeuten Fehlerimpedanzen, bei denen die Schutzeinrichtung auslöst. Wenn man die beiden Gruppen der Impedanzwerte betrachtet, ist zu ersehen, daß durch Veränderung der Winkel cpi und cp2 oder beider Winkel die Lage des Kreises 3 0 und der Liiiie 4o und auch die Größe des Kreises verändert werden kann. Die Werte g, und cp, können als die besten Werte angesehen werden, um das Ansprechen auf Fehler und nicht auf Lastimpedanz sicherzustellen. Selbstverständlich sind auch bestimmte Abweichungen von diesen Werten noch zulässig, wodurch die Einstellung wesentlich vereinfacht werden kann.
  • Da die Impulsauslösung des Leistungsschalters eine genügende Zeit zum Auslösen haben muß, wird die Wirkung der erfindungsgemäßen Relaiseinrichtung so lange verzögert, daß die Impulsauslösung ansprechen kann. Dies wird durch ein Hilfsrelais 41 bewirkt, dessen Spule in Reihe mit den Kontakten i 9 1 der Relais io und i i an eine Auslösestromquelle, beispielsweise an die Gleichstromsammelschiene 39, gelegt wird. Das Relais 41 trägt hierbei eine kurzgeschlossene Wicklung 42, welche die Zeitverzögerung bewirkt. Über die Kontakte 43 kann das Relais seinen Stromkreis selbst öffnen und schließen. Gleichzeitig steuert es den Stromkreis des Auslöserelais 44 über die Kontakte 47. Sobald das Relais 44 erregt wird, öffnet es den Stromkreis der Haltewicklung 8 und bewirkt so die Auslösung des Schalters 7. Dabei wird auch der Hilfsschalten 9 geöffnet, so daß die Entregung des Relais 4.4 erst dann wieder Stromfluß in der Haltewicklung 8 zuläßt, wenn der Leistungsschalter geschlossen wird. Zur Unterdrückung von Schaltfunken kann in den Gleichstromkreis ein Kondensator .15 und ein Widerstand 46 eingeschaltet sein.
  • Die Wirkung der erfindungsgemäßen Einrichtung tritt also nur dann ein, wenn ein Fehler aufgetreten ist und das Sprungrelais den Schalter nicht auslösen konnte. Andererseits wird in allen Fällen, wenn die gemessene Impedamz außerhalb der in Abb. 2 angedeuteten Fläche fällt, entweder das Arbeiten des Relais i o oder i i und somit ein fälschliches Ansprechen verhindert.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Schutzeinrichtung für elektrische Anlagen, insbesondere solche mit stark wechselnder Belastung, dadurch gekennzeichnet, daß außer irgendeiner Schutzrelaiseinrichtung vorzugsweise mit Impulsauslösung, beispielsweise bekannte Sprungauslöser oder Sprungrelais, zur Unterscheidung zwischen Last- und Fehlerströmen zwei impedanzabhängige, kontaktseitig in Reihe geschaltete Relais (i o, i i) mit verschiedenen Impedanz- und Ansprechkennlinien vorgesehen sind, von denen das eine (i o) nur unterhalb eines Wertes der Leitungsimpedanz anspricht, der proportional ist dem Kosinus der Differenz zwischen dem Phasenverschiebungsu-inkel (.I) der Leitung und dem Phasenwinkel (cpi) bei Höchstempfindlichkeit des Relais, während das andere Relais (i i ) nur unterhalb eines Wertes der Leitungsimpedanz anspricht, der dem reziproken Wert dieses Differenzwertes proportional ist, und die beide bei solchen Fehlern, bei denen eine Auslösung durch die sonst vorgesehene Schutzrelaiseinrichtung nicht erfolgt, ansprechen.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anzapfungen an den die Relais speisenden Wandler und/oder im Speisepfad liegende veränderliche Widerstände die Ansprechkennlinien der Relais unabhängig voneinander verändert werden können.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch an sich bekannte Mittel die Innenwinkel der Relais unabhängig voneinander verändert werden können.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eines oder beide Relais strom- oder spannungsseitig über Resonanzkreise, die auf die Netz-. frequenz abgestimmt sind, angeschlossen sind.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsspule oder Spulen eines Relais (i o) über einen Kondensator (26) solcher Bemessung angeschjossen sind, daß er mit der Induktivität der Spannungswicklung einen auf die Netzfrequenz abgestimmten Resonanzkreis bildet.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in solchen Anlagen, bei denen die Schalterauslösung als Impulsauslösung ausgebildet ist, die Wirkung der zusätzlichen Impedanzrelais über eine Zeitspanne verzögert wird, die normalerweise für das Arbeitender Impulsauslösung ausreicht.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsaus-Lösung des Schalters (7) verhältnismäßig unempfindlich eingestellt ist.
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