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Regelbare Löschinduktivität für den induktiven Erdschlußschutz von
Hochspannungsnetzen In Hochspannungsnetzen mit induktivem Erdschlußschutz ist es
vielfach erforderlich, die Löschinduktivität (Erdschlußspule, Löschspule, Löschtransformator
o. dgl.) der jeweiligen Netzlänge anzupassen, um stets einen gewünschten Kompensationsgrad
aufrechtzuerhalten. Dies setzt aber voraus, daß die Löschinduktivität regelbar,
zum mindesten aber einstellbar ist. Die bisherigen, diesem Zweck dienenden Einrichtungen
besitzen aber verschiedene Nachteile, die im Hinblick auf die Wichtigkeit der Regelung
in Kauf genommen wurden. So hat man beispielsweise die Löschinduktivität dadurch
geregelt, daß man ihre Spule mit einer Reihe von Anzapfungen versah und j e nach
dem .gewünschten Wert der Induktivität mehr oder weniger Windungen in den Erdungskreis
schaltete. Bei dieser Regelung entspricht dem größten Wert des induktiven Stromes
die kleinste Windungszahl, und der bewegliche Einstellkontakt liegt dabei auf dem
untersten Kontakt der Kontaktbahn. Alle darüberliegenden Windungen sind zwar stromlos,
aber keinesfalls spannungslos, und j e nach dem Verhältnis der Windungszahl der
freien zu den angeschlossenen Windungen können an dem Ende des freien Wicklungsteiles
außerordentlich hohe Spannungen auftreten. Außerdem stellt dieser Teil der Spule
ein schwingungsfähiges Gebilde dar, das leicht Anlaß zu hohen Überspannungen geben
kann.
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Eine andere Art der Regelung der Löschinduktivität besteht darin,
daß man auf dem Eisenkern der zwischen Netznullpunkt und Erde geschalteten Löschspule
eine Sekundärwicklung mit regelbarer Windungszahl anordnet, an die eine auf besonderem
Eisenkern angeordnete Drosselspule angeschlossen ist. Hier ist die Gefahr des Auftretens
von hohen Spannungen an den nicht benutzten Windungen vermieden, aber an Stelle
einer
einzigen Eisendrossel tritt hier ein Transformator in Verbindung
mit einer Eisendrossel. Diese Regelung ist also mit einem sehr großen Materialaufwand
verbunden. Außerdem haben beide Regelungsarten den Fehler gemeinsam, daß sie nur
eine stufenweise Regelung der Löschinduktivität gestatten, und da die Regelung wechselstromseitig
erfolgt, sind verwickelte Schalteinrichtungen erforderlich, durch welche ein wenn
auch nur kurzzeitiges Kurzschließen von Windungen oder Wicklungsteilen vermieden
werden muß. Es liegt auch die Gefahr vor, daß während der Einregelung der Löschinduktivität
ein Erdschluß erfolgt und die Kontakte während des Überschalters durch den Erdschlußstrom
hoch beansprucht werden, was leicht zur Schädigung der Einrichtung führen und schwere
Störungen verursachen kann.
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Um die genannten Nachteile zu vermeiden, soll zur Regelung der Löschinduktivität
ein völlig anderes, an sich bekanntes Prinzip benutzt werden, nämlich das Prinzip
der Querniagnetisierung des Eisenkerns einer wechselstromgespeisten Drossel. Über
den Einfluß der Quermagnetisierung des Eisenkerns von Drosselspulen sind bereits
vor langer Zeit theoretische Untersuchungen angestellt worden, und man hatte gefunden,
daß die Querniagretisierung durch Gleichstrom oder Wechselstrom Einfluß auf die
Hvsteresis und die Pernieabilität des Eisens hat, aber man hatte nicht erkannt,
daß wichtige technische Nutzanwendungen dieser interessanten Erscheinungen möglich
sind. Eine sehr vorteilhafte Anwendung des genannten Prinzips ergibt sich nun bei
der Regelung einer dem induktiven Erdschlußschutz von Hochspannungsnetzen dienenden
Induktiv ität mit Eisenkern. Erfindungsgemäß soll hierfür ein besonderer, den Eisenkern
der Induktivität quer magnetisierender Magnetkreis (Hilfsmagnetkreis) vorgesehen
sein, dessen magnetomotorische Kraft regelbar bzw. einstellbar ist. Den physikalischen
Vorgang kann man sich etwa in folgender Weise erklären. Stellt man sich das zunächst
urmagnetische Eisen der Löschspule als einen Haufen durcheinandergewürfelter 1lolekularinagnete
vor, deren Felder sich nach außen hin kompensieren, wobei aber diese kleinen Magnete
durch eine kleine, dauernd wirksame Richtkraft und Reibung in ihrer so gegebenen
Lage verharren, so werden diese Magnete durch eine in der Längsachse des Eisenkerns
wirkende 1IMK während der Dauer ihres Vorhandenseins aus ihrer ursprünglichen Lage
herausgedreht und mehr oder weniger in Richtung der MMK, also der Kernachse, gebracht
werden. Um einen solchen Molekularmagneten um den jeweils erforderlichen Winkel
zu drehen, muß also die längs magnetisierende MMK die kleinen, den Magneten festhaltenden
Kräfte überwinden. Diesen Kräften entsprechend stellt sich der Magnetisierungsstrom
der Drossel ein. Durch eine Querinagnetisierung, hervorgerufen z. B. durch die Ml\IK
einer Gleichstromerregung, kann aber die Kraft, welche der Drehung des Molekularinagneten
entgegenwirkt, außerordentlich erhöht werden, und dementsprechend wird sich auch
ein ganz erheblich größerer Magnetisierungsstrom einstellen, um die der gewünschten
Kraftlinieninduktion entsprechende Drehung des 11o:ekularmagneten hervorzurufen.
Die zusätzliche MMK der Längsmagnetisierung steht also ziemlich annähernd in geradem
Verhältnis zur MMK der (3uermagnetisierung. Bei einer Löschspule bedeutet dies,
daß sie z. B. bei Anschluß an den Nullpunkt des Netzes j e nach dem Grad der Ouermagnetisierung
verschiedene Ströme aufnehmen wird, wenn bei Erdschluß die Phasenspannung auf sie
einwirkt. Mit anderen Worten: durch Regelung der Quernl.agnetisierung wird die Induktivität
der Löschspule geregelt.
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Die Erfindung sei an Hand des Ausführungsbeispiels der Figur näher
erläutert: Es bedeuten ja und ib je eine Hälfte des vertikal gestellten Eisenkerns
einer Löschspule (Hauptmagnetkreis), 2 einen horizontal liegenden Magnetkreis für
die Quermagnetisierung (Hilfsmagnetkreis), 5, 5 zwei gegenüberliegende Schenkel
des Hilf smagnetkreises, an deren Mitten die Kernhälften ja und ib anliegen derart,
daß die die Schichtung der Bleche zeigenden Flächen aufeinanderstoßen. 3a und 3b
sind die "vechselstromerregten Wicklungen der Löschspule in Hintereinanderschaltung,
wobei das eine Ende der Wicklungsreihe mit Erde, das andere mit dem Sternpunkt der
das letz 9 speisenden Wicklung desTransformators ä verbunden ist. Die Spulen 3a
und 3b magnetisieren ihre Eisenkerne in Richtung der Schenkelachse (Längsmagnetisierung),
dagegen die Eisenkerne 5, 5 quer zu deren Schenkelachse. Umgekehrt ist die MMK der
auf dein Hilf sinagnetkreis 2 angeordneten, gleichstromerregten Spülen 4, 4 zur
Achse der Eisenkerne 5, 5 längs gerichtet, während sie zur Achse der Schenkel des
Hauptmagnetkreises quer gerichtet ist. Die Regelung der Induktivität der Löschspule
erfolgt nun derart, daß für den größten Wert von coL der Löschspule (oi = Kreisfrequenz;
L = Koeffizient der Selbstinduktion) die Spulen 4, 4 urerregt sind. Zur Einstellung
kleinerer Werte von «)L erhalten die Spulen 4, 4 aber über den Regelwiderstand 6
Strom aus dem Gleichstromnetz 7. Dadurch wird in dem Kraftlinienweg des Hauptmagnetkreises
ein durch Gleichstrom quer magnetisiertes Eisenstück
-,eingeschaltet,
welches für den Durchgang der Kraftlinien in Längsrichtung. de. Hauptkerne infolge
der Quermagnetisierun, schlechter durchlässig gemacht ist. Da= Ganze kommt im übertragenen
Sinne der Einschaltung einer Luftstrecke in den Kraftlinienweg des- Hauptmagnetkreises-
-gleich. Diese Art der Regelung der Löschinduktivitä. hat nun sehr viele Vorteile
vor den bekanntes. Arten der Regelung. Die- Einstellung -der Löschinduktivität kann
nahezu stufenlos mit Hilfe eines Gleichstromregelwi.derstandes erfolgen. Das Ab-
und Zuschalten von. an Wechselspannung liegenden Wicklungsteilen fällt fort. Es
besteht keine Gefahr, daß während der Regelung durch einen plötzlich auftretenden
Erdschluß Kontakte beschädigt werden können. Freie Wicklungsenden sind an der Löschspule
nicht vorhanden, daher keine erhöhten Spannungen an freien Enden und keine frei
schwingenden Wicklungsteile. Der Mehraufwand- an Material gegenüber der nicht geregelten
Spule ist gering, er ist -auch kleiner als der bei -einer -durch =Windungsabschaltüng
oder transformatorisch geregelten Induktivität, da stets alle Windungen der Löschspule
eingeschaltet sind und auf dem Hauptmagnetkreis das erhebliche Mehrkupfer vermieden
ist und da die Summe des Materials von Hauptmagnetkreis und Hilfsmagnetkreis weniger
beträgt als die der bekannten Kombination von Transformator mit der von ihm getrennten
Eisendrossel, zumal beide für die volle Erdschlußleistung zu bemessen sind. Beim
Gegenstand der Erfindung beträgt. die Erregerleistung des Hilfsmagnetkreises nur
einen geringen Bruchteil der kVA-Leistung der Löschspule, da der- Größenordnung
nach die zur Erregung des Hilfsmagnetkreises erforderliche Leistung sich zur kVA-Zahl
der Löschspute annähernd verhält wie der Ohmsche Widerstand der Löschspule zu ihrem
induktiven Widerstand, also bei großen Spulen etwa wie i : ioo. Im allgemeinen wird
es aber gar nicht erforderlich sein, .die Löschinduktivität in ganz weit auseinanderliegenden
Grenzen zu regeln. Man wird daher in den von den Spulen 3a und 3U eingeschlossenen
Teilen der Eisenschenkel feste Luftspalte vorsehen und nur zusätzlich den magnetischen
Widerstand des Hauptkreises durch Qüermagnetisierung erhöhen. Auch in den Schenkeln
5, 5 des Hilfskreises lassen sich Luftspalte für den Hauptkreis vorsehen, wenn man
den Hilfsmagnetkreis aus Schichten zusammensetzt, die Luftabstand voneinander haben.
Zur Herabsetzung der Erregerleistung des Hilfsmagnetkreises wird man in seinem eigenen
Kraftlinienweg keine Luftschlitze vorsehen und die Induktion im Eisenweg, soweit
er nicht im Kraftlinienweg des Hauptmagnet- -kreises liegt, möglichst gering halten.
Man könnte die Quermagnetisierung auch durch Wechselstrom gleicher oder verschiedener
Frequenz vornehmen, aber das würde eine ererhebliche Steigerung der Magnetisierungsleistung
bedeuten und sich in vielen Fällen als unwirtschaftlich erweisen. Steht Gleichstrom
nicht unmittelbar zur Verfügung, dann kann er aus- .dem Hochspannungsnetz selbst
oder aus einem sonst .gegebenen Wechselstromnetz durch Gleichrichtung gewonnen werden.
Als Gleichrichterzellen kommen die bekannten mechanischen Gleichrichter, die Elektronenröhren,
die elektrolytischen Zellen oder Trokkengleichrichter in Betracht. Die mit Gasentladung
arbeitenden. Zellen können dabei auch steuerbar sein, so daß sich die Verwendung
eines Regelwiderstandes zur Regelung der Quermagnetisierung erübrigt.
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Die Stärke der Quermagnetisierung wird stets der jeweiligen Länge
des geschützten Netzes -derart anzupassen sein, daß ein gewünschter Kompensationsgrad
(Resonanz-oder Dissonanzabstimmung) erreicht wird. Sind Einrichtungen vorhanden,
welche - die Kapazität, des Netzes oder den Kompensationsgradmessen, so kann die
Erregung des Hilfsmagnetkreis:es selbsttätig. in Funktion der genannten Netzgrößen
eingestellt werden. Der bei bekannten Einrichtungen dieser Art die Windungszahl
der Löschspule einstellende Regler wird in diesem Falle der Regelkontakt des.Regelwiderstandes
oder die Steuereinrichtung der- steuerbaren Gleichrichterzellen auf denjenigen Wert
einstellen, bei welchem die Größe der Quermagnetisierung der Löschinduktivität den
der gemessenen Netzgröße zugeordneten Wert verleiht.
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Wie aus dem an früherer Stelle Gesagten hervorgeht, wirkt die MMK
des längs magnetisierenden. Magnetkreises ihrerseits quermagnetisierend auf den
Hilf smagnetkreis, und dies hat zur Folge, daß der Gleichstromflüx des Hilfsmagnetkreises
Schwankungen unterworfen ist, die in der Gleichstromerregerwicklungeine Wechselspannung
hervorrufen, deren Frequenz das Zweifache der Netzfrequenz ist. Denn die Erhöhung
des magnetischen Widerstandes des Hilfskreises ist unabhängig von der Richtung des
Fluxes im Hauptkreis. Um diese Schwankungen, also die Rückwirkung des Wechselfluxes
des Hauptmagnetkreises auf .den Hilfskreis, zu unterdrücken, stehen dem Fachmanne
verschiedne Mittel zu Verfügung. Man könnte z. B. in den Gleichstromerregerkreis
eine Drossel einschalten, welche die Spannung doppelter Frequenz aufnimmt und dadurch
den Schwankungen des Gleichstromfluxes entgegenwirkt. Besser ist es jedoch, um die
Schenkel des Hilfsmagnetkreises Kurzschlußwindungen zu
legen, die
unter dem Einfluß der Rückwirkung des Hauptflusses der Gleichstromdurchflutung eineWechselstromdurchflutung
solcher Größe und Frequenz überlagern, daß der Gleich-23 seinen konstanten Wert
beibehält.