-
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.