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Einrichtung zum Schutz eines Teiles einer elektrischen Kraftanlage
gegen innere Fehler dieses Teiles Die Erfindung betrifft Schutzeinrichtungen für
elektrische Kraftanlagen und bezieht sich im besionderen auf Differentialschutzeinrichtungen
für elektrische Anlagen mit Sammelschienen, Generatoren u.dgl.
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Bisher wurden zum Schutz elektrischer Vorrichtungen gewöhnlich Differentialstromschutzeinrichtungen
benutzt. Beispielsweise ist es bei Kraftsammelanlagen, bei denen mehrere Kraft-und
Speiseleitungen über Trennschalter an he Sammelschiene angeschlossen, sind, üblich,
in alIen, Kraft- und Speiseleitungen Stromtransformatoren anzuordnen, um die Sammelschiene
selbst und die zwischen dien einzelnen Trennschaltern und der Sammelschiene liegenden
Teile der Kraft- und Speiseleitungen unter Ausnutzung der Stromdifferenz zu schützen,
die von den verschiedenen Stromtransformatoren bei einem im geschützten Bereich
auftretenden Fehler erzeugt wird.
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Eine solche Schutzeinrichtung darf naturgemäß nicht die innerhalb
der besondieren geschützten Zone liegen-den Teile abschalt-en, wenn außerhalb dieser
geschützten Zone Fehl-er auftreten. Nun können aber die sogenannten Fehlerstromtransformatoren
bei den bekannten Differentialstrornschutzeinrichtungen während - ein-es
außerhalb der geschützten Zone auftretenden Fehlers gesättigt werden, und infolgedessen
entsteht in der auf den Fehler ansprechenden Stromspule des Schutzrelais ein starker,
durch die Unsymmetrie verursachter
Strom der seinerseits die Abtre
nnung der Siammelschiene und der zugeordneten Leitungen innerhalb der geschützten
Zone bewirkt. Um diese Neigung zum falschen Auslösen bei äußeren Fehlern zu überwinden,
ist es üblich, das fehlerempfindliche Relais so einzustellen,daß es nur auf starke
Ströme oder mit Zeitverzögerung anspricht. Die Starkstromeinstellung kann jedoch
die gewünschte Auslösung bei inneren Fehlern verhindern, wenn die Fehlerströme schwach
sind, und selbstverständlich sollten die Fehler schnell beseitigt werden, weswegen
eine verzögerte Auslösung ungünstig ist. Außerdem ist die Anbringung von gehemmten
Mitteln zwedks Sicherung gegen eine falsche Auslösung sehr umständlich und teuer,
insbesondere wenn mehrere Kreise umfaßt werden.
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Beim Gegenstand der Erfindung braucht das auf lehler ansprechende
Relaisnicht so unempfindlich eingestellt zu werden, daß es nur auslöst, wenn verhältnismäßig
hohe Ströme auftreten, und außerdem braucht keine Zeitverzögerung in die Schutzeinrichtung
eingebaut zu werden. Es können normale Stromtransfortnatoren, z. B. Durchführungstransformatoren,
benutzt werden und selbst beim Auftreten einer Sättigungsbedingung kann die Einrichtung
nicht falsch arbeiten. Infolge der einfachen Bauart lassen sich die Arbeitseigenschaften
leicht im voraus init ausreichendem Sicherheitsspielraum berechnen.
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Diese Vorteile werden gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der
Relaiskreis im Vergleich zu den Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren eine
hohe Impedanz erhält. Dabei ist dem Relais zweckmäßig ein Spannungsbegrenzer zugeordnet,
der bei den infolge innerer Fehler auftretenden Spannungen die höheren Werte begrenzt.
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Ferner kann bei der Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung ein spannungsempfindliches
Relais benutzt werden, das keinerlei Hemmung aufweist und bei dem ein abgestimmter
Kreis zum Sperren der Gleichstromkomponente der Fehlerspannung dient. Ein abgestimmter
Kreis ist für diesen Zweck besser als ein Kondensator gleicher Impedanz bei der
Netzgründfrequenz, weil die strombegrenzende Reaktanz nicht nur ein Ansprechen der
Schaltung auf einperiodische Gleichspannungsimpulse verhindert, sondern außerdem
durch die Neutralisierung der Kondensatorreaktanz bei dieser Frequenz die Verwendung
eines wesentlich kleineren Kondensators ermöglicht und dadurch den sich bei einem
solchen Impuls ergebenden Relaisstrorn weiter verringert.
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Erfindungsgemäß kann weiterhin die Schutzeinrichtung einen Spannungsbegrenzer
in, Reihe mit einem differential geschalteten Stromrelais enthalten, um durch diese
Reihenschaltung den normalen Unterschied , zwischen den auf den Relaisanker bei
niederer und bei hoher Spannung ausgeübten Kraftwirkungen zu vergrößern und dadurch
ein Arbeiten des Relais bei hoher Spannung zu sichern und bei niederer Spannung
zuverlässig auszuschließen. Schließlich kann die Anordnung bei der Schutzeinrichtuig
nach der Erfindung auch so getroffen werden, daß die Schutzrelaisspule 'und die
mit ihr verbundenen Strornkreisteile unmittelbar nach dem Ansprechen auf einen inneren
Fehler kurzgeschlossen werden, wodurch das Zeitmaß der Beanspruchung des Relais
und der zugehörigen Stromkreisteile auf einen Mindestwert gebracht werden kann.
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Weitere kennzeichnende Einzelheiten der elektrischen Schutzeinrichtung
nach der Erfindung sind aus der Zeichnung ersichtlich, welche beispielsweise eine
Ausführungsform der Einrichtung in Benutzung bei einer Sammelschiene für elektrische
Kraftanlagen veranschaulicht und die Anwendbarkeit der Erfindung auch bei anderen
Bestandteilen von elektrischen Einergieanlagen, wie z. B. Generatoren tind ähiilicheii
Naschinen, erkennen läßt.
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Fig. I zeigt in schematischer Darstellung die Schaltanordnung einer
elektrischen Kraftänlage mit Sammelschiene in Verbindung mit einer Schutzeinrichtung
nacli der Erfindung, und Fig. 2 und 3 geben abgeänderte Ausführungen der Schutzeinrichtung
wieder, die an die Stelle des durch gestrichelte Linien umrahmten Teiles der Anordnung
nach Fig. i treten können. In Fig. i ist der Übersichtlichkeit der Zeichnung halber
nur eine einzige Sammelschlene vorgesehen, aber die Erfindung ist natürlich ohne
weiteres auch bei mehrphasigen Anlagen anwendbar.
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Gemäß Fig. i sind mit der Sammelschierie i d#ie von einer elektrischen
Stromquelle kommenden Leitungen 2, 3 und 4 über die selbsttätigen Ausschalter
5, 6 und 7 und außerdem die Speiseleitungen 8 und
9 über die selbsttätigen Ausschalter io und i i verbunden. Die Stromunterbrecher
5, 6
und 7 weisen Auslösespulen 12, 13 und 14 und die Stromunt-erbrecher
io und ii Auslösespulen 15 und 16 auf. In den Leitungen 2, 3 und 4 liegen
die Stromtransformatoren 17i 18 und, ig und in den Leitungen 8 und
9 die Strorntransformatoren 20 und 21, und alle diese Transformatoren können
Manteltransformatorcn in normaler Einheitsausführung sein. Die Sekundärwicklungen
sämtlicher Transformatoren, 17 bis 21 sind in ParalleIschaltung an die gemeinsamen
Klemm-en 22 und 23 angeschlossen, von denen die eine, z. B. die Klemme 22,
geerdet sein kann.
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Bei dieser Schalt#anordnung umfaßt der durch das Relais geschützte
Bereich die Sammelschien-e i und die zwischen dieser und den einzeln-en Stromtransformatoren
17 bis 21 gelegenen Teile der Kraftleitungen 2, 3, 4 und der
, Speiseleittingen 8
und g. Daher soll ein z. B. im Punkt X auftretender
innerer Fehler die Auslösung all-er Ausschalter 5, 6, 7, 10 und i i hervorrufen,
aber ein außerhalb dieses Schutzbereiches z. B. im Punkt 17 vorkommender
äußerer l,'elilei- k-einen dieser Ausschalter zur Wirkung bringen.
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Die Höchstspannung, die zwischen den Klemmen 22 und 23 bei
einer äußeren, z. B. im Punkt Y vorhandenen Stärungsstelle entstehen kann, ist in
der jeweiligen Anlage notwendigerweise auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert
in der Größ#eti#
ordung von etwa ioo Volt beschränkt, während die
Spannung, die an den Verbindungspunkten 22 und 23 bei einem inneren Fehler zwangsläufig
auftreten muß, naturgemäß sehr hoch sein wird und in der Tat eine solche Größe erreicht,
daß erfindungsgemäß zum Schutz der Anlage gegen diese übermäßigen Spannungen besondere
Maßnahmen getroffen werden. So ist es durch Verwendung eines SpannungsrelaiS 24
mit einer eine hohe Impedanz aufweisenden Spule 24a möglich, die Auslösespannung
für (las Relais beispielsweise auf ungefähr 200 Volt einzustellen, was einen angemessenen
Sicherheitsspielraum in der Spannung gegen falsches Ansprechen des Relais bei äußeren
Störungen bietet und gleichzeitig ein bestimmtes und zuverlässiges Arbeiten des
Relais bei inneren Fehlern auf Grund der hohen Spannungen gewährleistet, die durch
die Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren unter den bei inneren Störungen
auftretenden Verhältnissen erzeugt werden.
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Zur erschöpfenden Erläuterung der Erfindung sei hier eine kurze Darlegung
der beim Vorkominen eines äußeren Fehlers in der Anlage sich einstellenden Bedingungen
eingefügt: Bekanntlich hat die durch die Kraftleitungen 2, 3, 4 der Sammelschient
i zu- und von dieser durch die Speiseleitungen 8, 9 abströmende elektrische
Energie das Entstehen eines Stromes zur Folge, der über die parallelen, die Sekundärwicklungen
der Stromtransformatoren I7 bis 2I, miteinander verbindenden Leitungen seinen Weg
nimmt. Die Spannung, die In den SekundärNvicklungen dieser verschiedenen Stromtransformatoren
z. B. in der Sekundärwicklung des Transformators I7 auf Grund des normalen, durch
die Leitung 2 fließenden Belastungsstromes, induziert wird, verbraucht sich für
gewöhnlich als Spannungsabfall durch die Impedanz der Sekundärwicklung des Stromtransformators
I7 und den in den Verbindungsleitungen zwischen dieser und den Klemmen 22, 23 hauptsächlich
durch Widerstand hervorgerufenen Spannungsverlust, so daß sich zwischen den Verbindungsklemmen
22 und 23 eine vernachlässigbare Spannung ergibt.
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Wenn, z. B. an der Stelle Y ein äußerer Fehler, insbesondere ein eine
große Gleichstromkomponente einschließender Fehler auftritt, kann der Transformator
20 eine Sättigung erfahren, so daß die in seiner Sekundärwicklung indulzierte '
Spannung nicht im Verhältnis zum Anwachsen des durch die Speiseleitung 8 gehenden
Stromes zunimmt. Der Transformator 2o arbeitet unter diesen besonderen Bedingungen
als sogenannter Fehlerstromtransformator, während die Transforrnatoren I7, I8 und
i9 als Kraftleitungstransformatorenwirksam sind und, wenneineStromerzeugungsquelle
an die Speiseleitung 9 angeschlossen ist, wirkt auch der Transformator 21
als ein sogenannter Kraftleitungstransformator. Nimmt man an, daß ein -elektrischer
Energieerzeuger mit der Leitung 9 verbunden ist, so werden die Sekundär-Nvicklungen
der Transformatoren 17, 18, 19 und 21 je nur einen Teil des der Sekundärwicklung
des Transformators 2o zugeleiteten Stromes führen, so daß dieser voraussichtlich
gesättigt wird. Wenn der nach dem Punkt Y fließende Fehlerstrom so schwach ist,
daß -er 'keine Sättigung des Transform#ators 2o herbeiführen kann, sind n#atürlich
die Verhältnisse ähnlich wie bei dem im Zusammenhang mit normalen Belastungsbedingunger
beschriebenen Fall, -und zwischen den Verbindungspunkten 22 und 23 wird praktisch
keine Spannung vorhanden sein.
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Ist jedoch der Transformator 20 gesättigte, so ist seine indtizierte
Spannung verhältnismäßig niedrig, und die zwischen den Verbindungspunkten 22 und
23 auftreten-de Spannung wird durch den Spannungsabfall gegeben sein, der
durch den gesamten Strom verursacht wird, der durch die Impedanz der Sekundärwicklung
des StromtransformatorS 20 und die stark resistive Impedanz der diese Sekundärwicklung
an die Verbindungspunkte 22, und 2-anschließenden Leitungen fließt, vorausgesetzt
natürlich, daß kein nennenswerter Strom von der eine sehr hohe Impedanz besitzenden
Relaisspule 24a aufgenommen wird. Praktisch ist die Verlustreaktanz des gemantelten
FehlerstromtransformatorS 2o an seiner vollen Wicklung sehr klein und vernachlässigbar,
so daß nur der Widerstandsabfall durch diese Sekundärwicklung zusammen mit dem Widerstandsabfall
der diese Wicklung mit den Punkten 22 und 23 verbindenden Leitungen zu berücksichtigen
ist.
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Dieser gesamte Widerstand erreicht in einer praktischen Anlage nur
einen kleinen Betrag, z. B. von i Ohm. Wenn der mögliche Höchstwert des Fehlerstromes
an der Stelle Y beispielsweise 12 ooo Ampere und das Windungszahlenverhältnis der
Transformatoren 120 ZU i ist, wird der durch die Sekundärwicklung des Transformators
20 fließende Strom ioo Ampere betragen. Ein Strom von ioo Ampere ruft beim Durchgang
durch einen Widerstand von i Ohni einen Spannungsabfall von ioo Volt hervor. Unter
den extremsten Verhältnissen an der äußeren Fühlerstülle Y wird daher die Höchstspannung,
die zwischen den Verbindungspunkten 22 und 23 auftreten kann, in der Größenordnung
von ungefähr ioo Volt sein. Diese Spannung wird etwas durch den schwachen Strom
verringert, der durch die Relaisspule 24a fließt, und erfährt weiterhin eine kleine
Verminderung durch die in der Wicklung 2o erzeugte induzierte Gegenspanriung. Die
Spannung von ioo Volt stellt somit, wie ersichtlich, in der Tat einen äußersten
Grenzfall für dieses typische Beispiel dar.
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Die Auslösespannung des SpannungsrelaiS 24 kann auf irgendeinen über
dieser ioo-Volt-Grenze liegenden Wert eingestellt sein, um ei ' n, unrichtiges
Ansprechen des Relais bei einem äußeren Fehler zu verhindern. Für praktische Zwecke
ist ein angemessener Sicherheitsspielraum bezüglich der Auslösespannung für das
Relais gegeben, wenn dieses so eingestellt ist, daß es sein Kontaktglied
25
in die Stromschlußlage erst bei Auftreten einer' Spannung von 200 Volt
oder mehr an den Verbindungspunkten 22, 23 überführt. Als günstig für die
bauliche
Form und als wirtschaftlich für die Ausführung des Relais 24 hat sich die Ausbildung
des Relaisstromkreises mit einer Impedanz von ungefähr 3000 Ohm erwiesen.
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Bei Auftreten eines inneren Fehlers z. B. im Punkt X fließt kein Strrn
von der Sammelschiene i durch die Primärwicklung des an der Speiseleitung 8 vorgesehenen
Strorntransforrnators 2o ab, wie dies bei einem äußeren Fehler z. B. an dem Punkt
Y der Fall ist. Wenn ein Stromerzeuger an die Leitung 8 angeschlossen ist,
geht Ntrorn von dieser nach der Fehlerstelle X in der umgekehrten Richtung wie der
hei dern äußeren Fehler an dem Punkt Y entstehende Stromfluß. Daher sind bei Vorhandensein
eines inneren Fehlers an der Stelle X alle Sekundärströme entweder Null oder
verlaufen in einander ähnlicher Richtung zwischen den Verbindungspunkten. 22 und
23, so daß weder der Transformator 2o noch irgendeiner der anderen Transformatoren
als Weg für einen Sekundärstrom von den übrigen Transformatoren in Betracht kommt.
Liegt kein Stromerzeuger an der Speiseleitung8, so wird kein Strom durch die Primärwicklung
des StromtransformatorS 2o bei Auftreten eines inneren Fehlers an dem Punkt X gehen
und nur ein vernachlässigbarer Strom in der Sekundärwicklung dieses Transformators
auf Grund der vorhandenen Sekundärspannung bis zur Sättigung des Transformatorkerns
fließen. Auf diese Weist sind unter den bei einem inneren Fehler gegebenen Bedingungen
alle Stromtransformatoren I7 bis 2I, deren Primärwicklungen mit einer Stromerzeugungsquelle
verbunden sind, so gut wie als offene Stromkreise anzusehen, da mit Ausnahme der
hohen Impedanz des Stromkreises der Relaisspule 24a und des Spannungsbegrenzers
sowie der Magnetisierungsimpedanz der übrigen Stromtransformatoren keine leitende
Verbindung zwischen den Sekundärwicklungen dieser Stromtransformatoren besteht.
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Daher ist mit Sicherheit bei Auftreten eines inneren Fehlers, da die
möglichen Spannungen bekanntlich hoch sind, an den Verbindungspunkten 22 und
23 eine hinreichende Spannung vorhanden, so daß die kelaisspule 24a die Relaiskontakte
25
schließt. Dieser Kontaktschluß hat die Erregung der Spule 26 des
Relais 27 zur Folge, das dann die Auslösung einer von Hand wiedereinschaltbaren
Klinke bewirkt, wodurch eine die Kontaktbrücken 29 bis 3,4 tragende verschiebbart
Stange 28
für die Ausführung einer Senkbewegung freigegeben wird. Die dabei
in die Schließlage übergehenden Kontaktbrücken 29 bis 33 vervollständigen die Erregerstromkreise
für die Auslösespulen I6, I4, I3, I2 und I5 der Ausschalter I I, 7, 6, 5 und io,
die daher alle in Tätigkeit treten und die Leitungen 2, 3, 4, 8 und 9 von der Sammelschiene
i trennen. Die Kontaktbrücke 34 anderseits unterbricht den Erregerstromkreis der
Spule 26 des Relai s 27 und schließt dafür die Verbindungspunkte 22 und
23 kurz, und dieser Kurzschluß verhindert eine verlängerte Dauer des Bestehens
der durch die einzelnen Stromtransformatoren erzeugten hohen Spannung, so daß d'er
Span#-nungsbegrenzer und die RelaiSSPUle24a nicht für ein langes Zeitmaß der Wirkung
bemessen und ausgeführt zu werden brauchen.
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Die zwischen den Verbindungspunkten 22 und 23
vorhandene Spannting
wird der Spule 24a des Relais 24 über eine mit ihr in Reihe liegende Drosselspule
35 und über eine ebenfalls damit in Reilhe geschaltete Kapazität
36 sowie über einen Gleichrichter 37 zugeführt. Die DrosselsPule
35 und die Kapazität 36 sind so abgestimmt, daß sie die GLeichstromkomponente
und die harmonischen Komponenten der Fühlerspannung hindern, Strom durch die RelaiSSPUle
24a zu treiben.
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Im Falle von äußeren Fehlern zeigt sich die Gleichstromkomponente
in derZeitspanne zwischen der Sättigung des Kerns des in der fehlerhaften Speiseleitung
liegenden Stromtransformators und der Sättigung der Kerne der zu den Kraftleitungen
gehörigen Strorntransformatoren, während sie bei inneren Fehlern nicht in Erscheinung
tritt ' weil in diesem Fall eine Sättigung in den Kernen bei sämtlichen Transformatoren
in jeder Halbpe,riode statt nur bei denen von einer Polarität stattfindet. Die Fernhaltung
der Gleichstromkomponente von der Spule 24a des Relais 24 ist daher ein Behelf
bei der Unterscheidung zwischen äußeren und inneren Fehlern.
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Die Indu:ktanz der Relaisspule 24" verändert sich mit der Lage des
in der Spule verschiebbaren Tauchk,erns, die entsprechend der gewählten Auslösespannung
des Relais --4 eingestellt wird. Der Gleichrichter 37 ist deshalb so in den
Relaisstromkreis geschaltet, daß die Einstellung des Relais 24 auf den sein Ansprechen
hervorrufenden Spannungswert ohne Änderung der Abstimmung des die DrosselsPule
35 und den Kondensator 36 umfassenden Schwingungskreises möglich ist.
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Um die RelaisspUle 24", die Drossel-sPulc 35, den Kondensator
36 und den Gleichrichter 37 gegen übermäßig hohe Spannungen zu, schützen,
die an den, Verbindungspunkten 22 und 23 infolge des Auftretens eines inneren
Fehlers entstehen können, ist ein Spannungsbegrenzer 38 vorgesehen, der unter
Verwendung einer nicht porösen, anorganisehen, keramischen Mischung hergestellt
oder in der Form einer Glimmröhre oder auch einer Funkenstrecke ausgeführt sein
kann. Auf alle Fälle muß der Spannungsbegrenzer so beschaffen sein, daß sein Widerstand
mit dem Anwachsen der seinen Klemmen aufgedrückten! Spannung abnimmt. Bei verhältnismäßig
niedrigen Spannungen muß er ,einen für alle praktisch vorkommen-den Verhältnisse
unendlichen Widerstand aufweisen, während bei hohen Spannungen, etwa in der Größenordnung
von iooo Volt, ein beträchtlicher Strom in ihm auf Grund der weitgehenden, durclh
die Zunahme der Spannung an seinen Enden bedingten Verkleinerung sein-es Widerstand-es
fließen soll. Auf diese Weise werden, wenn hohe Spannungen in den Verbin#dungspunkten
22 und 23 bei einem inneren Fehl-er vorhanden sind, die RelaiSSpU1C
24g, die Drosselspule 35, der Kondensator 36 und der
Gleichrichter
37 gegen ausnahmsweise hohe Spannungen auf Grund des Stromdurchganges durch den
Spannungsbegrenzer 38 geschützt, der parallel zu diesen Teilen der Einrichtung
liegt.
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Das aus der Drosselspule 35 und dem Kondensator36bestehende abgestimmte
elektrisscheSchaltgebilde bringt als eine Folge der für seine Wirkung bestimmenden
Merkmale eine kleine, unv ermeidbare Verzögerung von etwa 3/oo bis 6/6o Sekunden
für die Stromentwicklung in der Relaisspule 247 mit sich. Wo eine hohe Empfindlichkeit
für die Schutzeinrichtung nicht gefordert wird, kann gemäß Fig. 2 ein Relais 39
mit einer Spule 4O von niederer Impedanz in Reihenschaltung mit dem Spannungsbegrenzer
38 die Rolle des Relais 24 und der zugehörigen Stromkreisteile
35, 36, 37
der Anordnung nach Fig. i übernehmen. Bei dieser Ausführung der
Schutzeinrichtung können hohe Spannungen, die beim Auftreten eines inneren Fehlers
entstehen, nicht eine unzulässige Beanspruchung der Einrichtung hervorrufen, sondern
werden statt dessen den Durchgang eines Stromes durch dieses auf Strom ansprechende
Relais zur Folge haben, das bei einem inneren Fehler den Auslösevorgang rasch, z.
B. in 1/6o bis 3/6o Sekunden, vollziehen wird. Ein äußerer Fehler wird hingegen
keine genügend hohe Spannung, die den großen Widerstand des Spannungsbegrenzers
zu überwinden vermag, zum Entstehen bringen, und' die bei einem inneren Fehler auftretende
verhältnismäßig niedere Spannung kann nur einen schwachen Strom hervorrufen.
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Wenn die Schutzeinrichtung sowohl hohe Empfindlichkeit des Ansprechens
als auch große Schnelligkeit des Arbeitens aufweisen soll, können die Ausführungen
nach Fig. i und 2 in der Art von Fig. 3 miteinander vereinigt werden, was die Anpassungsfähigkeit
der Einrichtung hinsidhtlich Anwendung und Einstellung an den jeweiligen Sonderfall
steigert.