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Anordnung zur Feststellung des Vorzeichens eines kurzzeitigen Vorganges
in einem elektrischen Starkstromsystem In verschiedenen Fällen ist die Aufgabe gestellt,
festzustellen, ob eine Schwingung mit einer positiven oder mit einer negativen Halbwelle
beginnt, wobei eine konstante oder auch eine periodische Größe die Bezugsgröße sein
kann. Halbwellen der.Schwingung oberhalb einer Nullinie seien bespielsweise die
positiven Halbwellen genannt; die unterhalb der Nullinie liegenden Halbwellen sind
dann die negativen Halbwellen. Die Schwingung selber kann einen gedämpften oder
auch einen ungedämpften Verlauf haben Sie kann sogar so stark gedämpft sein, daß
sie einen aperiodischen Verlauf nimmt. Auch dann kann man unterscheiden zwischen
solchen Fällen, bei denen .das graphische Bild dieses aperiodischen Vorganges- oberhalb
der Nulllinie verläuft, und solchen, bei denen les unterhalb der Nullinie liegt.
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Als ein Bespiel für das Zustandekommen solcher Schwingungen sei der
einphasige Erdschluß genannt. Der Erdschluß beginnt mit einem Uberschlag oder Durchschlag
eines Isoliermittels. Er entsteht also regelmäßig in der Nähe des Spannungsmaximums
des betreffenden Anlageteiles gegen Erde. Bei einer Drehstromleitung wird also beispielsweise
die Phase V im Augenblick ihrer größten Spannung gegen Erde Erdschluß bekommen,
d. h. in einem Zeitpunkt, in welchem der Leiter nahezu seine größte kapazitive Ladung
gegen Erde besitzt. Der Erdschluß bewirkt dann eine Entladung dieser aufgespeicherten
Elektrizitätsmenge, und es hat die Untersuchung solcher Erdschlüsse namentlich auch
in Kabelnetzen ergeben, daß dabei hochfrequente Schwingungen des Erdschlußstromes
entstehen. Der Entladestrom fließt zur Erdschlußstelle. Die erste Halbwelle ist
in dem Leitungsabschnitt auf der einen Seite der Fehlerstelle positiv, während sie
in dem Leitungsabschnitt auf der anderen Seite der Fehlerquelle entgegengesetzte
Richtung hat, also negativ ist, bezogen auf dieselbe Bezugsgröße, beispielsweise
die zugehörige Spannung. Es ist zur richtigen Erdschlußerfassung oder Erdschlußanzeige
festzulegen, welches Vorzeichen die Schwingung des Ladestromes im Augenblick ihrer
Entstehung besitzt.
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Um das Vorzeichen eines kurzzeitigen Vorganges in einem elektrischen
Starkstromsystem, insbesondere um das Vorzeichen von kurzzeitigen Erdschlußwischern
festzustellen, werden erfindungsgemäß zwei von dem kurzzeitigen Vorgang mit entgegengesetztem
Vorzeichen
gesteuerte gas- oder dampfgefüllte Entladungsröhren
in solcher Schaltung vorgesehen, daß jede von ihnen bei ihrer Zündung die andere
unwirksam macht, so daß nur die als erste gezündete Entladungsröhre auf eine Anzeige-
oder Relaiseinrichtung einwirkt. Dadurch ist es in einfacher und sicherer Weise
möglich, das Vorzeichen eines kurzzeitigen Vorganges in einem Starkstromsystem zu
erfassen.
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Anordnungen, mit denen man die Polarität der ersten Halbwelle einer
Schwingung oder die Polarität eines aperiodischen Stromstoßes feststellen kann,
werden durch einige Figuren erläutert.
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In Fig. I besteht die Anordnung aus zwei Entladungsgefäßen I und
2 mit je einer Anode 3 und 4, je einer Kathode 5 und 6 und je einem Steuergitter
7 und 8. Als Anodenspannung ist eine Gleichstromquelle vorgesehen. Die Röhren sind
gleichsinnig parallel geschaltet, und ihre Kathoden werden von einem gemeinsamen
Heiztransformator I0 geheizt. Die Steuergitter 7 und 8 sind über die Wicklung eines
Wandlers 11 miteinander verbunden. Die Wandlermitte ist angezapft und mit einem
Punkt eines Widerstandes 12 verbunden, wodurch die Gitter eine negative Vorspannung
gegenüber der Kathode erhalten.
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Sobald auf die Primärwicklung des Wandlers 1 1 ein Impuls trifft,
wird je nachdem, welches Vorzeichen die erste Halbwelle der durch den Impuls hervorgerufenen
Sekundärspannung dieses Wandlers hat, das Gitter 7 oder das Gitter 8 gegenüber der
zugehörigen Kathode positiv. Dabei ist angenommen, daß die Sekundärspannung ausreicht,
die negative Vorspannung des Gitters 7 bzw. 8 aufzuheben. Je nachdem also, in welcher
Richtung der erste Stromstoß über die Primärwicklung des Wandlers verläuft, wird
die Röhre I oder die Röhre 2 gezündet. Aus der Anodenspannungsquelle wird der Stromdurchgang
durch das Rohr, welches gezündet hat, aufrechterhalten. Die Spannung zwischen Anode
und Kathode sinkt auf den Betrag (Brennspannung), der für die Aufrechterhaltung
des Stromdurchganges notwendig ist. Da die beiden Röhren I und 2 parallel liegen,
liegt an beiden dieselbe Spannung, so daß also auch die Anodenspannung der nicht
gezündeten Röhre auf den Betrag der Brenuspannung sinkt. Diese Spannung liegt unter
der für die Zündung notwendigen Spannung, so daß das zweite Rohr auch dann nicht
zum Ansprechen kommt, wenn nachträglich, d. h. also bei der zweiten Halbwelle der
Sekundärspannung des Wandlers 11, sein Gitter ein gegenüber der Kathode positives
Potential erhält. Es wird also in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der ersten Halbwelle
der Sekundärspannung des Wandlers II nur die eine oder nur die andere der beiden
Entladungsrohre gezündet.
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Infolge des erhöhten Stromdurchganges durch den Widerstand 12 wird
ferner auch die negative Vorspannung der Steuerelektro den oder Zündelektroden 7
und 8 erhöht. Die Spannungserhöhung entspricht dem Spannungsabfall, den der Strom
durch die eine der beiden Entladungsröhren einerseits in dem Teil des Widerstandes
I2, der zwischen den beiden Anzapfstellen liegt, und anderseits in einem zusätzlichen
Strombegrenzungswiderstand 13 hervorruft. Es wird also das Zünden der zweiten Röhre
gleichzeitig durch zwei Maßnahmen unterdrückt, nämlich einmal dadurch, daß die Anodenspannung
nahezu auf die Brennspannung der anderen Röhre sinkt, und ferner dadurch, daß die
negative Gittervorspannung erhöht wird.
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In Fig. 2 ist eine Anwendung der in Fig. 1 angegebenen Anordnung
zweier Entladungsröhren bei Wechselstromnetzen dargestellt.
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Die zwei Entladungsgefäße 1 und 2 liegen wiederum parallel an einer
gemeinsamen Gleichspannungsquelle, die Steuerelektroden 7 und 8 sind wieder über
die Sekundärwicklung eines Zwischentransformators 1 1 miteinander verbunden und
mit Hilfe eines Strombegrenzungswiderstandes I2 sowie eines zusätzlichen einstellbaren
Widerstandes 14 wird normalerweise eine negative Vorspannung der Steuerelektroden
aufrechterhalten. Im Anodenkreis liegen aber nicht zwei getrennte Relais, sondern
ein Relais mit einer Doppelwicklung, die entgegengesetzte Felder hervorrufen, wenn
sie vom Strom durchflossen sind.
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Mit diesen beiden Spulen 15 und I6 wirkt ein Richtfeld zusammen, das
von einer Spule I7 hervorgerufen ist, welches von einer periodischen Spannung, nämlich
der Sekundärspannung eines Spannungswandlers oder Transformators I8, erregt ist.
Der Transformator 11 wird von einem Stromwandler 19 mit einem Nebenschluß 20 gespeist.
Besonders vorteilhaft kann hier die Anwendung eines Zwischenwandlers sein, der schon
bei kleiner Erregung gesättigt ist und eine konstante Spannung liefert. Man kann
die Sekundärspannung des Wandlers II auch durch bekannte Mittel, z.B. Glinunlampen,
auf der Primärseite oder Sekundärseite begrenzen.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist bezüglich der beiden Gasentladungsröhren
1 und 2 die gleiche wie bei der Anordnung in Fig. 1; sobald die Sekundärspannung
des Wandlers 11 dazu ausreicht, wird die negative Vorspannung der Zündelektrode
der Röhre I oder der Röhre 2 überwunden, so daß eine dieser beiden Röhren zum Ansprechen
kommt.
Infolgedessen wird dann entweder die Spule 16 oder die Spule 15 von einem Gleichstrom
durchflossen und je nachdem, ob in diesem Augenblick die Netzspannung, die am Transformator
I8 abgenommen wird, sich im positiven oder negativen Halbwellenbereich befindet,
ergibt das Instrument I5, I6, I7, welches ein Wattmeter darstellt, einen ersten
Ausschlag nach links oder nach rechts.
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Dadurch wird entweder über die Kontakte 21 ein Relais 22 oder über
die Kontakte 23 ein Relais 24 angeworfen. Jedes Relais steuert ein darunter als
halbschraffiertes Viereck angedeutetes Signalgerät. Außerdem besitzt jedes Relais
zwei Kontakte, von denen einer einen Selbsthaltekreis für das betreffende Relais
bedeutet, während der andere im Erregerkreis des zweiten Relais liegt und eine nachträgliche
Erregung dieses zweiten Relais verhindert. Wenn die Relais eine Fallklappe auslösen,
kann der Selbsthaltekontakt entbehrt werden. Die gegenseitige Verriegelung ist vorgesehen,
weil die Wattmeterkontakte 21 und 23 im Rhythmus der Frequenz der vom Transformator
28 entnommenen Spannung abwechselnd geschlossen werden. Wenn beispielsweise die
Stromrichtung im Augenblick der Entstehung des Fehlers derartig ist, daß zunächst
der Kontakt 2I geschlossen wird, so öffnet das Relais 22 zunächst einen Kontakt
25 im Stromkreis des - Relais 24.
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Umgekehrt wird, wenn zuerst Ider Kontakt 23 geschlossen wird, die
Magnetspule 24 eingeschaltet, die mittels eines Kontaktes 27 das Relais 22 abschaltet.
Es wird bei dieser Anordnung also, je nachdem, ob der erste Einsatz des periodischen
oder aperiodischen Fehlerstromes das Entladungsrohr I oder das Entladungsrohr '2
zündet, das Relais 22 oder nur das Relais 24 angeworfen, und es kommt darin zum
Ausdruck, ob der Stromstoß mit Bezug auf die Phasenlage der Netzspannung positive
oder negative Richtung hatte.
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In Fig. 3 ist die Anwendung der Erfindung für eine Erdschlußschutzeinrichtung
dargestellt. Bei dieser Anordnung sind zwei Paare von Entladungsröhren angewendet,
von denen das eine Paar durch den Summenstrom und das andere Paar durch die Nullpunktsverlagerungsspannung
gesteuert wird. Nach den Beschreibungen der anderen Figuren versteht sich die Wirkungsweise
auch ohne allzu eingehende Darstellung. Je nach der Richtung des Einsatzes des Summenstromes
wird ein Entladungsgefäß 3I oder ein Entladungsgefäß 32 gezündet. Der Zündtransformator
II ist dabei an die bekannte Summenschaltung dreier Stromwandler 33 angeschlossen.
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Die Nullpunktsverlagerungsspannung steuert die Entlandungsgefäße 34
und 35 mittels eines Zündtransformators III. In Abhängigkeit von der Polarität des
Einsatzes der Nullpunktsverlagerungsspannung kommt nur die Röhre 34 oder nur die
Röhre 35 in Betrieb.
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Es wirken nun die Röhren 3I und 34 einerseits und die Röhren 32 und
35 anderseits zusammen derart, daß ein Signal oder eine Schaltwirkung nur dann zustande
kommt, wenn entweder das Röhrenpaar 31, 34 oder das Röhrenpaar 32, 35 gezündet hat.
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Beim Ansprechen der Röhre 31 wird ein Relais 40 erregt, welches seinen
Kontakt 41 schließt. In entsprechender Weise bewirkt das Zünden des Entladungsgefäßes
34 die Erregung eines Relais 42 und auf diese Weise die Schließung eines Kontaktes
43. Wenn die Kontakte 41 und 43 geschlossen sind, kommt eine Signal- oder Schaltvorrichtung
44 zum Ansprechen.
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Die von den Röhren 32 und 35 gesteuerte Signalvorrichtung oder Schaltvorrichtung
besteht beispielsweise aus einem Relais 45 mit zwei Wicklungen, die zusammen ein
wattmetrisches Drehmoment nur dann ergeben, wenn sie gleichzeitig erregt sind.
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Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung hat die Wirkung eines unverzögerten
Erdschlußrichtungsrelais, welches nur dann anspricht, wenn die Fehlerstelle vom
Relaisort aus auf einer bestimmten Seite liegt. Wie für den Erdschluß läßt sich
die Anordnung bei entsprechender Erregung der Steuertransformatoren II und III auch
als Richtungsrelais für den Kurzschluß schutz verwenden.
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Man kann auch erreichen, daß je nachdem, ob die Fehlerstelle links
oder rechts vom Relaisort liegt, ein erstes oder ein zweites Signal- oder Schaltgerät
in Tätigkeit tritt.
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Zu diesem Zweck wird das Vorzeichen der Schwingungen des Summenstromes
mit Bezug auf das Vorzeichen des Momentanwertes der Spannung festgestellt. Hierzu
kann man beispielsweise die vom Leitungsstrom oder Fehlerstrom gesteuerte Anordnung
3I, 32 und II in Verbindung mit den von der Spannung getrennten Röhren 34, 35 benutzen.
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Durch den Anodenstrom der Röhren 31 und 32 wird beispielsweise je
ein Kontakt geschlossen, während durch den Anodenstrom der Röhren 34 und 35 je zwei
Kontakte geschlossen werden.
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Ein Schema einer derartigen Schaltung zeigt Fig. 4. Mit J+, 1-, E+
bzw. E-sind die Kontakte bezeichnet, die beispielsweise unter Zuhilfenahme von Relais
in den Anodenkreisen der einzelnen Röhren bei positivem oder negativem Vorzeichen
des Einsatzes von Strom bzw. Spannung geschlossen werden. Bei dieser Anordnung steuert,
wie man sieht, jedes vom Strom gesteuerte Entladungsgefäß einen Kontakt, jedes von
der Spannung gesteuerte Entladungsgefäß dagegen
zwei Kontakte.
Man kann selbstverständlich die Anordnung auch umgekehrt treffen, so daß also in
den Anodenkreisen der vom Strom gesteuerten Entladungsgefäße zwei Kontakte liegen,
während die von der Spannung gesteuerten Röhren nur je einen Kontakt steuern.
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In Fig. 5 ist eine Anordnung gezeichnet, die dasselbe Ergebnis liefert
wie die Anordnung in Fig. 4, die aber im Gegensatz zu dieser gar keine Kontakte
in den Anodenkreisen benötigt. Die Anodenkreise der vom Strom erregten Röhren sind
über zwei Wattmeterspulen geführt, derart, daß beispielsweise die eine Entladungsröhre
32 zwei Stromspulen6I und 62 speist, während das andere Entladungsgefäß 3I zwei
Stromspulen 63 und 64 mit Strom versorgt. Der Strom in den Spulen 61 und 62 erzeugt
ein Feld der einen Richtung, der Strom in den Spulen 63 und 64 erzeugt in jedem
Wattmeter ein Feld der anderen Richtung. Jedes Wattmeter besitzt dann noch eine
Spannungsspule 65 und 66, die aus den beiden Entladungsgefäßen 34 und 35, die von
der Spannung gesteuert werden, den Strom erhalten. Wenn z. B. das Entladungsgefäß
3I vom Strom gezündet wird, entsteht ein wattmetrisches Drehmoment nur in demjenigen
Wattmeter, dessen Spannungsspule gleichzeitig erregt wird.
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Das ist aber je nach der Phasenlage zwischen Strom und Spannung entweder
nur die Spannungsspule65 oder nur die Spannungsspule 66. Infolgedessen wird entweder
nur der Wattmeterkontakt 69 oder nur der Wattmeterkontakt 70 eingestellt. Jedes
Wattmeter kann nach zwei Seiten ausschlagen. Die Gegenkontakte kann man daher paarweise
zusammenschalten, wenn man lediglich die Fehlerrichtung erfassen will. Daran, ob
der Kontakt 69 oder der Kontakt 70 geschlossen wurde, erkennt man auch, ob der Fehler
mit positivem oder negativem Stromstoß einsetzte und ob er bei positiver oder negativer
Spannung entstanden ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 sind die wattmetrischen
Relais mit zwei Stromspulen und nur je einer Spannungsspule ausgestaltet. Die Anordnung
arbeitet ebenfalls richtig, wenn die in der Figur vom Strom gesteuerten Entlasdungsgefäße
statt dessen von - der Spannung gesteuert werden und die Röhren 67 und 68 statt
von der Spannung vom Strom gesteuert werden.
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Röhren mit Gas- oder Dampffüllung können mit kalter oder geheizter
Kathode arbeiten. Für die Gasfüllung kommen außer Luft von atmosphärischer Zusammensetzung
vor allem Edelgas, wie Helium und Neon, oder Mischungen beider sowie Wasserstoff
oder Stickstoff bei geeignet gewähltem Druck in Betracht. Mit Vorteil können auch
Quecksilberdampfröhren mit innenliegender oder außenliegender (kapazitiver) Zündelektrode
verwendet werden. Man wählt zweckmäßig solche Elektrodenformen, welche der auftretenden
Stromstärke und Dauer angepaßt sind.
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Bei -Röhren mit kalter Kathode wird durch Wahl geeigneter Elektrodenformen
der Zündverzug praktisch gänzlich vermieden. Röhrenschaltungen ohne Hilfszündung
sind bis zu den höchsten Frequenzen, welche hierfür Bedeutung haben, brauchbar;
sie können fast im ganzen Bereich der Tonfrequenzen angel wendet werden. Wenn eine
ausreichend hohe Steuerspannung zur Verfügung steht, was z. B. beim Anschluß der
Schaltung an Stromwandler wohl stets der Fall sein dürfte, kann man Anodenspannung
und Steuerspannung oder Zündspannung gegeneinander vertauschen. Die Wandlersekundärspannung
wird dann zur Anodenspannung, und die Steuerelektroden erhalten eine positive Vorspannung.
Im Augenblick der Zündung der einen Röhre wird ein Gitterkondensator z. B. durch
den Spannungsabfall des Anodenstromes des zuerst gezündeten Rohres stark negativ
geladen. über einen hohen Wilderstand geht diese negative Aufladung nur langsam
verloren. In der Zwischenzeit kann die erste Röhre ein Relais mit Fallkontakt oder
Selbsthaltekontakt erregt haben, welches beide Röhren kurzschließt oder abtrennt.
Rasch aufeinanderfolgende Zündungen des ersten Rohres sind dabei durchaus möglich,
wenn die Zeitkonstante des Kondensatorkreises der anderen Röhre groß genug ist.