DE762983C

DE762983C - Anordnung fuer Differentialschutzvorrichtungen

Info

Publication number: DE762983C
Application number: DEST61716D
Authority: DE
Inventors: Sven J Stage
Original assignee: STALTURBINE GmbH
Current assignee: STALTURBINE GmbH
Priority date: 1941-05-05
Filing date: 1942-04-11
Publication date: 1953-06-22
Also published as: CH228757A; FR881766A; GB554210A

Description

Beim Differentialschutz für Transformatoren und andere Anlageteile hat das Differentialrelais die Aufgabe, den Transformator vor inneren Fehlern zu schützen. Das Differentialrelais kann aber Fehlauslösungen hervorrufen, wenn ein Fehler im Netz außerhalb des Transformators entsteht und dabei so große Ströme durch den Transformator fließen, daß das Eisen in den zur Schutzeinrichtung gehörenden Stromwandlern gesättigt wird. Hierdurch entstehen im Differentialrelais Stromdifferenzen, die den Anschein geben, als ob ein Fehler im Transformator vorliege.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, hat man bisher das Differentialrelais mit einem Halteglied versehen, das ein Auslösen durch das Relais verhindert, wenn der Fehlerstrom einen gewissen prozentualen Teil des Durchgangsstromes des Transformators unterschreitet. Dieses Verhältnis zwischen Fehlerstrom und Durchgangsstrom wird gewöhnlich Stabilitätsgrad genannt.

Die Gleichstromkomponente, die während der ersten Perioden eines Kurzschlusses vorhanden ist, bringt .aber eine weitere große Gefahr für die Sättigung der Stromwandler

mit sich. Das führt dazu, daß der scheinbare Fehlerstrom (Falschstrom) kurzzeitig einen unberechenbaren Wert erreichen kann. Bei den außerordentlich schnell wirkenden Schutzvorrichtungen, die in der modernen Schutztechnik benutzt werden, muß auf diesen scheinbaren kurzzeitigen Fehlerstrom Rücksicht genommen werden. Wenn man die bisherige Schaltung verwenden will, muß man den Stabilitätsgrad sehr hoch wählen.

Die Erfindung betrifft eine Differentialschutzeinrichtung, bei der die Gefahr der Fehlauslösungen durch große Durchgangsströme des Transformators beseitigt wird, ohne daß die Empfindlichkeit des Differentialrelais erniedrigt wird. Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Differentialrelais mit einem besonderen Sperrelais zusammengeschaltet wird. Dieses Sperrelais ersetzt das genannte Halteglied. Es ist als Vergleichsrelais gebaut und besitzt einen Kontakt, der in dem Arbeitsstromkreis des Differentialrelais eingeschaltet ist. Durch die Anordnung eines derartigen Vergleichsrelais gewinnt man gegenüber den bekannten Anordnungen den Vorteil, daß durch eine zweckmäßige Anpassung der Spulen des Relais jedes gewünschte Schutzgebiet erreicht werden kann. Gewöhnlich werden die Spulen so angepaßt, daß das Relais nicht sperrt, wenn der Strom, der durch den Transformator hindurchgeht, kleiner als der Normalstrom ist. Wenn der Normalstrom aber überschritten wird, tritt das Sperrelais in Tätigkeit. Da das Relais als Vergleichsrelais ausgebildet ist, hat man den Vorteil, daß dem Sperrgebiet die gewünschte Größe gegeben werden kann. So kann man erreichen, daß Sperrung dann eintritt, wenn der Strom durch den Transformator den Nullwert erreicht für den Fall, daß die zu dem Transformator fließenden Ströme gleich den abfließenden sind. Die Sperrung erfolgt aber erst bei wesentlich höheren Strömen, wenn diese Ströme nicht gleich sind, und überhaupt nicht, wenn die Ströme besonders ungleich sind. Die bisher verwendete Anordnung mit einem Differentialrelais erlaubt nicht, das Differentialrelais zum Ansprechen zu bringen, wenn der Strom durch den Transformator einen gewissen Wert nicht erreicht. Meist liegt dieser Wert in der Höhe des Normalbelastungsstromes des Transformators. Diese Anordnung ist mit dem Nachteil behaftet, daß bei kleinen Strömen Sperrung auch dann eintritt, wenn der Strom in den Transformator von beiden Seiten hereinfließt (vielseitige Speisung), d. h. bei einem Fehler innerhalb des Transformators.

x\n Hand der Abbildungen wird die Erfindung erläutert. Abb. 1 zeigt die bisher verwendete Anordnung mit einem Differentialrelais und einem Halteglied; die Abb. 2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung bei einem Transformator, der mit zwei Zuleitungen versehen ist, während die Abb. 3 und 4 zwei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung für Dreiwicklungstransformatoren erkennen lassen.

Für die mathematische Behandlung der Wirkungsweise der Anordnungen ist es zweckmäßig, die zu dem Transformator fließenden Ströme mit positiven Vorzeichen zu bezeichnen. Die Ströme in den Zuleitungen werden mit x, y und ζ bezeichnet, α und b sind Koeffizienten, welche die Wirkung der Ströme in den Spulen angeben, die auf den Enden des Waagebalkens des Sperrelais (Vergleichsrelais) wirken.

In den Abbildungen bezeichnet 1 den Transformator, 2, 3 und 4 die verschiedenen Zuleitungen zu dem Transformator und 5, 6 und 7 die in den Zuleitungen eingeschalteten Stromwandler.

In Abb. ι ist der Waagebalken des Relais mit 8 bezeichnet und der Arbeitskontakt mit 9. 10 ist das als Differentialglied wirkende Spulensystem und 11 das als Halteglied wirkende Spulensystem. Bei Fehlern im Transformator, wenn also die Ströme χ und y in dem System 10 zusammenwirken, wird der' Waagebalken auf der rechten Seite nach unten gezogen, so daß der Kontakt 9 geschlossen wird und die Auslösung stattfindet. Dem Spulensystem 10 wirkt hierbei das Spulensystem 11 und die Feder 12 entgegen. Hierdurch wird erreicht, daß das Relais eine Auslösung nicht eher bewirken kann, bis der Strom beispielsweise den Normalwert überschritten hat und der Differenzstrom gleichzeitig verhältnismäßig groß ist.

Wenn die Kraft der Feder 12 mit P bezeichnet wird, gilt für das Relais die Gleichung:

a^z(x 4- y)² — Ψ {x

P = o.

Wird eine Drehung der Koordinaten um 45 ° vorgenommen, so nimmt die Gleichung die Form

= I

an. Diese Gleichung stellt eine Hyperbel dar von dem Aussehen der Kurve 17 der Abb. 5. no Sie hat die Halbdurchmesser 1/— und 1/— .

In dem Bereich, der von der schraffierten Fläche angegeben wird, ist der Kontakt 9 offen. Hieraus geht hervor, daß das Differentialrelais gesperrt ist, nicht nur, wenn die Ströme klein sind und die richtige Richtung durch den Transformator haben, sondern auch, wie von der kreuzschraffierten Fläche angegeben wird, wenn die Ströme gegen den Transformator gerichtet sind, d. h. wenn in demselben ein Fehler vorhanden ist. Dies ist natürlich ein

großer Nachteil, der vollständig vermieden wird, wenn das Differentialrelais in der in den Abb. 2 bis 4 gezeigten Weise von dem Sperrglied getrennt wird.

In der Anordnung nach Abb. 2 bezeichnet 14 das Differentialrelais selbst, das eine Spule 15 hat und einen Arbeitskontakt 16, der bei einer Differenz zwischen den von den Wandlern 5 und 6 abgegebenen Strömen geschlossen wird, ίο Für das Relais 13 gilt die Gleichung:

a²(x + y)² — b² (x— y)² +p = o.

Wird auch für diese eine Drehung der Koordinaten um 45⁰ vorgenommen, erhält die Gleichung die Form

2 a²

2 δ²

Diese Gleichung bedeutet eine Konjugathyperbel zu der vorigen Hyperbel und die für die beiden

HyperbelngemeinsamenAsymtotenyj^ = ± X₁^- oder, in den ursprünglichen Koordinaten ausgedrückt, y = — χ —i. undy = χ ——. Die

CL — O U-r-u

Halbdurchmesser dieser Hyperbel sind auch

I/— und I/ Den kleinsten Strom, für

Y 2a² Y 2b²

welchen das Relais anspricht, erhält man, wenn X₁ gleich Null gesetzt wird. Dann wird y_x gleich 1/ —-. χ und y sind untereinander gleich

VIp

und gleich "— „
10

Diese Hyperbel ist in der Abb. 5 mit 18 bezeichnet. Das Gebiet, in welchem der Kontakt 9 offen ist, ist in der Abbildung mit einer groben Schraffierung bezeichnet, d. h. nur in diesem Gebiet übt das Relais eine sperrende Wirkung aus.

Es ist offenbar, daß man durch das Wählen von verschiedenen Verhältnissen zwischen a und b den Winkel zwischen den Asymptoten verändern kann, wodurch verschieden große Sperrgebiete zu erzielen sind. Durch die Auswahl von verschiedenen absoluten Werten für b und P kann man ferner den kleinsten Strom verändern, für welchen das Relais anspricht.

Wie ersichtlich, verursacht dieses Relais eine Sperrung des Äuslösekreises erst bei verhältnismäßig großen Stromwerten und nur, wenn der Unterschied zwischen den Strömen nicht allzu

(* + y + z)² — b*

Auch diese Gleichung bedeutet einen hyperbolischen Zylinder.

groß ist. Für den Fall, daß die Ströme groß sind und ferner der Unterschied zwischen ihnen so groß ist, daß er nicht durch eine Sättigung in den Wandlern hervorgerufen sein kann, sondern durch einen Fehler im Transformator, sperrt das Relais nicht.

Bei Dreiwicklungstransformatoren werden die in den Abb. 3 und 4 gezeigten Anordnungen verwendet. In diesen Abbildungen sind entsprechende Teile mit denselben Bezeichnungen wie in der Abb. 2 bezeichnet.

In der Anordnung nach Abb. 3 besteht das Spulensystem 11 aus drei Spulen, die auf dem einen Ende des Waagebalkens 8 wirken, während die Spule 10 auf das andere Ende wirkt.

Für dieses Relais gilt die Gleichung:

a²(x + y +z)² — b²(x² + y²+z²)+P = o.

Diese Gleichung stellt einen hyperbolischen Zylinder dar, der alle Koordinatebenen nach Hyperbeln schneidet, deren Gleichungen man erhält, wenn x, y und ζ der Reihe nach gleich Null gesetzt werden.

Werden auch für diese Schnitthyperbeln die Koordinaten um 45⁰ gedreht, erhalten sie die Gleichungen:

	P	b²	P
2a	2		b² ζ ²
	P	*■b²*	P
	*X₁ ²*		y 2
	P	*-b²*	P
*2 a*	2 __	b²

Die reellen Halbdurchmesser werden also dieselben in allen Koordinatebenen, nämlich 1/—, d. h. wenn einer von den drei Strömen γ b²

gleich Null angenommen wird,, spricht das Relais erst dann an, wenn die zwei anderen Ströme

einander gleich, und zwar auch gleich Ί/— sind.

γ 2 δ²

Innerhalb der von den beiden gewölbten Flächen des hyperbolischen Zylinders begrenzten Räume übt das Relais seine Sperrwirkung aus, dagegen nicht innerhalb des zwischen diesen liegenden Raumes.

Die Anordnung nach Abb. 4 arbeitet praktisch in derselben Weise. Für dieses Relais gilt die Gleichung:

+ (2 ζ

y)²] +P= 0.

Wenn in der Gleichung x, y und ζ der Reihe nach gleich Null gesetzt werden, erhält man die

Schnittkurven mit den Koordinatebenen. Wenn ferner eine Drehung der Koordinaten um 45⁰ vorgenommen wird, erhalten diese Kurven die Gleichungen:

	.-	P	*■ν)*
		*_κ«*
	(a-	P	δ²)
2		ι ²
	P

2 (α-

6 δ²

Die Halbdurchmesser der Schnitthyperbeln werden auch hier gleich groß in allen drei

ΙΓτΓ

Die Anordnung nach Abb. 4 gibt also mit entsprechenden Abmessungen der Spulen dieselbe Wirkung wie die Anordnung nach Abb. 3. Sie dürfte aus konstruktiven Gründen vorgezogen werden.

Wie ersichtlich, geben die oben angegebenen Anordnungen die Möglichkeit, die Größe des Sperrgebietes, und zwar nur durch eine geeignete Anpassung der Koeffizienten der Spulensysteme und der Zugkraft der Feder, frei zu wählen. Es ist also möglich, ohne die Empfindlichkeit des Differentialrelais herabzusetzen und sich gegen Fehlauslösungen zu sichern, die auf eine unsymmetrische Wirkungsweise der Schutzwandler zurückzuführen sein könnten.

Claims

Patentansprüche:

i. Anordnung für Differentialschutz vorrichtungen von Transformatoren und anderen Anlageteilen zur Verhinderung von Fehlauslösungen bei Fehlern außerhalb des zu schützenden Apparates durch ein in den Arbeitsstromkreis des Differentialrelais eingeschaltetes Sperrelais, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Sperrelais (13) als Vergleichsrelais ausgeführt ist mit einem Glied (10), das von der Summe der zu schützenden Ströme am Apparat betätigt wird, und mit einem diesem Glied entgegenwirkenden Glied (11), das von der Differenz dieser Ströme betätigt w'rd.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz von Dreiwicklungstransformatoren das Sperrelais mit einem Glied (10) versehen ist, das von der Summe der Ströme betätigt wird, und mit einem diesem Glied entgegenwirkenden Glied, das aus drei voneinanderunabhängigen Elektromagneten (11) besteht, deren Wicklungen jede von dem Strom einer der Transformatorwicklungen durchflossen wird.
3. Anordnung nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz von Dreiwicklungstransformatoren das Sperrelais mit einem Glied versehen ist, das von der Summe (x -f- y + z) der zu dem Transformator fließenden Ströme betätigt wird, und mit einem diesem Glied entgegenwirkenden Glied, das aus zwei unabhängigen Elektromagneten besteht, von welchen der eine mit zwei einander entgegenwirkenden Wicklungen versehen ist, die von dem Strom (x und y) zweier Transformatorwicklungen durchflossen werden, während der andere Elektromagnet drei Wicklungen hat, von welchen die eine von dem Strom (z) der dritten Transformatorwicklung durchflossen wird, während die zwei anderen Wicklungen, die in derselben Richtung wirken, von den Strömen (x und y) der beiden ersten Transformatorwicklungen durchflossen werden.

Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

Deutsche Patentschrift Nr. 612747;

»Relaisbuch« von Dr. Michael Walter, 1940, S. 86 bis 89.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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