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Differentialschutz für Stromrichter Zur Vermeidung der nachteiligen
Wirkungen von Rückzündungen bei Stromrichtern, insbesondere bei Kontaktumformern,
ist es bekannt, eine den zugeführten Wechselstrom mit dem vom Stromrichter abgegebenen
Gleichstrom vergleichende Einrichtung zu verwenden, welche im Rückzündungsfall eine
Schutzvorrichtung auslöst.
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In Fig. i ist ein derartiger Differentialschutz schematisch dargestellt.
Es ist dabei als Beispiel ein gegen Rückzündungen zu schützender, nur symbolisch
dargestellter Kontaktumformer K gewählt. Der von ihm abgegebene Gleichstrom Je wird
in einem Differentialringwandler R mit einem zweiten Gleichstrom J,, verglichen,
der mittels einer Doppelweggleichrichteranordnung G aus den Sekundärströmen von
Stromwandlern SW gebildet wird, die in die Wechselstromzuleitungen Ul, 17,
ff' des Kontaktumformers K eingefügt sind. Bei einer Störung des Durchflutungsgleichgewichtes
im Ringwandler R, wie sie z. B. bei einer Rückzündung dadurch eintritt, daß der
aus den Wechselströmen der Phasen U, h, W gewonnene Gleichstrom J" sehr schnell
ansteigt, während der Belastungsgleichstrom Jg abzufallen beginnt, wird der Ringkern
des Wandlers ummagnetisiert und ein Stromstoß iA in der Auslösewicklung A erzeugt,
der den Kurzschließer Sch zum Abfallen bringt. Der Kurzschließer, der beispielsweise
durch die Haltewicklung H bei normalem Betriel> in geöffnetem Zustand gehalten wird,
überbrückt dann die Schaltkontakte des Umformers K und schützt sie dadurch vor dem
Verbrennen, so daß die Abschaltung der Störung in geeigneter Weise, z. B. durch
den Hauptschalter, ohne besondere Ansprüche an die Schnelligkeit der Abschaltung
erfolgen kann.
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Wegen des Erfordernisses der Gleichrichterschaltung G und der Stromwandler
SW kommt die Schutzschaltung nach Fig. i vorzugsweise für Großstromrichter in Frage.
Der Aufwand ist aber für Stromrichter kleinerer und mittlerer Leistung nicht
mehr
tragbar. . Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung
zu schaffen, bei der die Stromwandler und die Hilfsgleichrichteranordnung vermieden
werden.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls einen D ifferentialschutz für Stromrichter,
insbesondere für Kontaktumformer, bei dem eine dem zugeführten Wechselstrom mit
dem abgegebenen Gleichstrom vergleichende Einrichtung die Schutzeinrichtung für
den Stromrichter .auslöst. Sie besteht darin, daß die zu vergleichenden Ströme unmittelbar
die Durchflutung von geschlossenen magnetischen Kreisen bilden, auf denen die Auslösewickl(lngen
für die Schutzeinrichtung angebracht sind. An Hand der Zeichnungen 'wird die Erfindung
nachfolgend näher beschrieben.
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In Fig. 2 und 3 ist ein Beispiel für die grundsätzliche Anordnung
einer Schutzeinrichtung nach der Erfindung für einen dreiphasigen Anschluß schematisch
dargestellt. Durch drei Ringkerne R1, R, und R3 aus Magnetwerkstoff mit vorzugsweise
annähernd rechteckiger Hystereseschleife, z. B. aus einer Nickeleisen- oder einer
Siliciumeisenlegierung, ist der eine der beiden Gleichstromleiter geführt, so daß
alle drei Kerne vom Belastungsgleichstrom J, durchflutet werden. Ferner ist durch
jeden Kern je einer der drei Wechselstromleiter U, U, W geführt. Außerdem tragen
alle drei Kerne noch Auslösewicklungen Al, A2, A3, die beispielsweise in Reihe geschaltet
und mit der Auslösespule der Schutzeinrichtung verbunden sind.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung sei zunächst an Hand der dreiphasigen
Sternpunktschaltung eines Kontaktumformers nach Fig. 4 erläutert. Die nicht näher
dargestellte Kombination des einzelnen mechanischen Schaltkontaktes mit der zugehörigen,
an sich bekannten Schaltdrossel ist dabei durch das Symbol je eines Ventils K1,
K2, K3 ersetzt, um gleichzeitig die normale Stromrichtung durch den Kontaktumformer
zum Ausdruck zu bringen. KI, K2, K3 können aber auch andere Stromrichter, z. B.
Entladungsgleichrichter, sein. Ty ist ein an das Wechselstromnetz R, S,
T an-
geschlossener Transformator. Die Ströme der Sekundärphasen
U, 1l, W desselben werden durch die Ventile K1, K2, K3 gleichgerichtet.
L stellt die Belastung des Stromrichters dar und D eine Drossel zur Glättung des
Belastungsgleichstromes Jg. R1, R2, R3 sind die in Fig.2 und 3 dargestellten Ringkerne.
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In Fig. 5 sind die Ströme il, i2 und i3 durch die Ventile K1, K2,
K3 der einzelnen Phasen U, V, W
(Fig. 4) dargestellt. Im normalen, ungestörten
Betriel) bildet sich am Ende eines jeden Stromblockes infolge der Wirkung der erwähnten,
zu jedem Ventil in Reihe geschalteten Schaltdrossel eine Stufe St sehr kleinen Stromes
aus, während deren der Ventilkontakt ohne Funkenbildung geöffnet werden kann. :Fach
der Kontaktöffnung ist der Stromfluß in der betreffenden Phase bis zum Wiedereinschalten
in der nächsten Periode unterbrochen.
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Der Rückzündungsfall ist nun dadurch gekennzeichnet, daß aus irgendeinem
Störungsgrund der Strom nach Ablauf -der Stufe nicht unterbrochen ist, sondern sich,
etwa über einen zwischen den Kontaktflächen brennenden Lichtbogen, als Rückstrom
forsetzt. Wenn als Beispiel eine Rückzündung nach Ablauf -der Stufe des Stromes
il angenommen wird, so würde dieses der Rückstrom il, sein. Dieser Rückstrom wird
geliefert von der Folgephase, im Beispiel also von der Phase 2, so daß der Vorwärtsstrom
dieser Phase über den normalen Wert i2 = Jg hinaus spiegelbildlich zum Rückstrom
ilR nach der Kurve 12R weiter ansteigt. Die Ströme ilR und i2R können dabei sehr
schnell auf 'hohe Beträge anwachsen, da i2 jetzt nicht mehr, wie im ungestörten
Betrieb, durch den Widerstand des äußeren Belastungskreises begrenzt wird, sondern
nur noch durch die Spannungsabfälle iln Stromwendekreis.
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In Fig. 6 sind unter Zugrundelegung einer idealisierten rechteckigen
Hystereseschleife die Vorgänge im Ringkern R2 dargestellt. Im ungestörten Betrieb
wird der Kern dauernd durch den abgegebenen Gleichstrom Jg in negativer Richtung
gesättigt gehalten. Zu den Zeiten, in denen der Stromfluß der Phase 2 unterbrochen
ist, entspricht die Feldstärke der senkrechten Linie 1z = o, und der Zustandspunkt
auf der Hystereseschleife ist -ß,. Während des Arbeitsabschnittes der Phase 2 ist
72 = Jg. Infolge der entgegengesetzt gerichteten Durchflutung in dem magnetisch
geschlossenen Kreis des Ringkernes hebt also der Wechselstrom die Gleichstromdurchflutung
gerade auf, und der "Zustandspunkt ist auf den Remanenzpunkt -B,. verschoben. Dieser
Vorgang wiederholt sich in jeder Periode. Der dauernde Wechsel zwischen -ß, und
-ß, ist, wenn gutes Eisen verwendet wird, praktisch mit keiner Flußänderung verbunden,
so daß die auf dem Kern vorhandene Auslösewicklung stromlos bleibt.
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Sobald jedoch imRückzündungsfall de rStrom i2 auf i2R anwächst, während
der Gleichstrom J, im ersten Augenblick noch als unveränderlich angesehen werden
kann und dann abnimmt und dadurch den Durchflutungsüberschuß des Stromes i2R noch
vergrößert, wird der Kern nach dem gestrichelt hervorgehobenen Verlauf der Hystereseschleife
umma gnetisiert. Hierdurch entsteht in der Auslösewicklung eine EMK, die einen Auslösestrom
von solcher Höhe zur Folge hat, daß dieser Strom die Summe der Durchflutungen wieder
praktisch zu Null ergänzt.
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Die anderen beiden Ringkerne R1 und R3 sind bei Beginn der Rückzündung
durch den Gleichstrom ebenfalls gesättigt. Die Wirkung des Stromes ilR im Kern R1
wirkt nun zusätzlich in sättigender Richtung, und ferner hat in beiden Kernen R1
und R3 der die Auslösewicklungen Al und A3 durchfließende Auslösestrom iA eine sättigungsversteifende
Richtung. In diesen 1)eiden Kernen R1 und R3 wird daher keine Spannung erzeugt,
die das Ansteigen des Auslösestromes hindern könnte. Es erfolgt auch durch den ansteigenden
Auslösestrom iA keine Ummagnetisierung dieser Kerne, sondern es tritt lediglich
ein der Luftinduktivität der Auslösewicklungen entsprechender Spannungsabfall auf.
| Somit ist die Hinrichtung nach den Fit,. 2 his |
| befähigt, die bekannte Schutzschaltung von Strom- |
| richtern nach Fig. i in vorteilhafter Weise unter |
| Vermeidung von besonderen Stromwandlern und |
| Gleichrichtern zii ersetzen. |
| Damit unabhängig von der jeweiligen magneti- |
| schen Vorgeschichte der vorzugsweise als Ringkerne |
| ausgeführten geschlossenen magnetischen Kreise |
| die richtige Sättigungsrichtung beim Einschalten |
| des Stromrichters stets gewährleistet ist, kann es |
| vorteilhaft sein, den Kernen eine schwache Gleich- |
| stromvormagnetisierung in Richtung des ansteigen- |
| den Rückstromes, d. h. also in Richtung des |
| Stromes Jg im Gleichstromleiter, zu erteilen, so daß |
| im ungestörten Betrieb die Gleichstronidurchflutung |
| etwas überwiegt. Zur Erzeugung dieser Vor- |
| niagnetisierung kann eine Hilfswicklung auf den |
| Kernen vorgesehen sein, die entweder von dem |
| Strom eicier kleinen Gleichstromquelle oder auch |
| vom Grundlaststrom des Stromrichters durchflossen |
| sein kann. letzteres ist auch in den Fällen mög- |
| lich, wo der Grundlaststroin bei Überschreitung |
| einer gewissen äußeren Mindestbelastung ab- |
| geschaltet wird. Wenn nämlich der Kern zu Beginn |
| erst einmal richtig polarisiert worden ist, so kann |
| auch nach Aufhören der Vormagnetisierung nur |
| eine Störung ihn aus dieser Polarität wieder heraus- |
| bringen. |
| Anstatt die Auslösewicklungen A1, A2, A3 der |
| drei Ringkerne Ri, R." R3 (1"i-. 2 bis) in Reihe |
| zu schalten, können die einzelnen Auslösewick- |
| lungen auch getrennt auf die Schutzeinrichtung |
| wirken; es braucht nur der für diese vorgesehene |
| Auslöser mit drei getrennten Wicklungen versehen |
| zu sein. In Fig.4 sind in diesem Fall für den |
| Kurzschließer Sch außer der Haltewicklung
H drei |
| getrennte Steuerwicklungen anzuordnen. An Stelle |
| des Kurzschließers Sch kann auch jede andere |
| Schutzeinrichtung treten, die einen verzögerungs- |
| freien Schutz des Stromrichters heim Auftreten |
| einer Rückzündung gew1-ilirleistet. |
| In Fig.7 und 8 ist eine andere Gruppierungs- |
| mö glichkeit der Ringkerne R" R_" R3 in Seiten- |
| ansicht und Draufsicht dargestellt, bei der die den |
| geraden Gleichstromleiter umgebenden Ringkerne |
| Ri, R2, R.3 gegeneinander so versetzt angeordnet |
| sind, daß die Wechselstromleiter U, L', Yh ohne |
| Kröpfung ebenfalls geradlinig durch die ihnen zu- |
| geordneten Kerne hindurchgeführt werden können. |
| Vorzugsweise eignen sich zum Aufbau der neuen |
| Differentialschutzeinrichtung sog. Ringbandkerne, |
| die aus dünn gewalzten, ringförmig aufgewickelten |
| Bändern aus Magiretwerkstoff bestehen. Die ge- |
| schlossenen magnetischen Kreise können aber auch |
| eine andere Form und einen anderen Aufbau auf- |
| weise@i. |
| Im folgenden sei dargelegt, wie sich die neue |
| Schutzeinrichtung verhalt, wenn sie bei einer |
| Stronirichterbrückenschaltung benutzt wird. In |
| Fig. 9 ist eine solche dreiphasige Brückenschaltung |
| in ihrer einfachsten Form dargestellt. Gleiche Be- |
| zugszeichen verweisen auf gleiche Teile wie in |
| F ig. 4. Die Sekundärphasen U, V, W des Trans- |
' formators Tr sind über die Verzweigungspunkte O,
P, O mit den Stromrichtereinheiten
K1, K2, K3 einerseits und K l', K2', K3' andererseits verbunden, deren Durchlaßrichtung
durch die Ventilsymbole angedeutet ist.
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In Fig. io sind die zugehörigen Stromkurven dargestellt. Wird beispielsweise
eine der Fig.4 entsprechende Schutzeinrichtung an der Stelle C der Fig. 9 in die
Sekundärphasen des Transformators Tr eingefügt, so sind zwei Fälle zu unterscheiden.
Findet die Rückzündung statt am Ende der Stufe eines positiven Stromblockes, z.
B. 1l+, so verläuft der Vorgang in der oben beschriebenen Weise, und der Auslöseimpuls
in der zugeordneten Auslösewicklung setzt sofort mit Beginn der Rückzündung ein.
Ereignet sich die Rückzündung dagegen am Schluß der Stufe eines negativen Stromblockes,
z. 13. i1_, so bringt der sofort einsetzende weitere Anstieg des Vorwärtsstromes
i,R keinen Nutzen, da er die Sättigung des zugehörigen magnetischen Kreises bzw.
des Kernes noch versteift. Der Auslöseimpuls muß vielmehr jetzt durch den Kern Ri
der Phase i erzeugt werden. Dazu ist aber erforderlich, daß der Strom iiR zunächst
einmal auf den Betrag des jeweiligen Gleichstromes Jg anwächst, um die Gleichstromdurchflutung
des Kernes aufzuheben. Erst der darüber hinausgehende weitere Anstieg bewirkt dann
eine Ummagnetisierung des Kernes und die Induzierung eines Auslöseimpulses. Es geht
in diesem Fall also die Zeit verloren, die der Strom iiR zum Anwachsen auf den Betrag
J, benötigt, bevor der Auslöseimpuls einsetzt, Ferner haben die betreffenden Stromrichtereinheiten,
z. B. die Umformerkontakte, einen um den Betrag Jg vergrößerten Strom zu führen,
wodurch das Ausmaß des Rückzündungsschadens anwächst. Bei der Einfügung des neuen
Differentialrückzündungsschutzes an der Stelle C der Fig. 9 werden daher nicht in
jedem Fall die gleichen Vorteile erzielt, wie bei seiner Anwendung bei der Sternpunktschaltung
gemäß Fig. 4.
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Es wird deshall> seine Einschaltung an der Stelle C der Fig. 9 hauptsächlich
nur bei Stromrichtern geringerer Leistung anwendbar sein, wo die genannte Auslöseverzögerung
und der erhöhte Strom noch keine allzu großen Nachteile mit sich bringt.
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Ein demjenigen der oben an Hand der Fig.4 beschriebenen. dreiphasigen
Sternpunktschaltung gleichwertiger Schutz dagegen ergibt sich, wenn je eine dreiphasige
Differentialschutzeinrichtung an den Punkten E und F der Brückenschaltung nach Fig.
9 angebracht wird; denn jede der beiden Hälften der Brücke stellt für sich eine
dreiphasige Sternpunktschaltung dar. Es sind somit zwei Differentialschutzanordnungen,
beispielsweise nach Fig. 2 und 3 oder 7 und 8, und dementsprechend sechs Kerne erforderlich.
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Ein bei jeder Richtung der Stromblöcke gleich schnell wirkende Anordnung
ist jedoch hei Verwendung von sechs Kernen auch an der Stelle C möglich, wenn in
jeder der drei Phasen U, V, W
ein Kernpaar so angeordnet ist, daß wie
es in 115
120 125
Fig. i i für die Phase
0 angedeutet ist, die Wechselstromdurchflutung der beiden Kerne Ria und Rlb
des einzelnen Kernpaares verschiedene Richtung hat, indem der Wechselstromleiter
U mit verschiedenem Wicklungssinn durch diese Kerne geführt wird. Es tritt dann
entsprechend dem Vorhergesagten bei einer Rückzündung entweder in der einen Auslösewicklung
Al, oder in der dazu in Reihe liegenden anderen Auslösewicklung Alb ein Spannungsimpuls
auf, der in der beschriebenen Weise die Schutzeinrichtung beeinflußt.
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Eine gleichwertige Anordnung, bei der jedoch die Verdoppelung des
Kernaufwandes vermieden ist, ergibt sich als wichtigste Ausführungsform schließlich,
wenn gemäß Fig. 12 die magnetischen Kreise bzw. Kerne sämtlich vom Gleichstrom und,
jeder der Kerne außerdem von den beiden von je einem Verzweigungspunkt ausgehenden
Ventilströmen in verschiedener Richtung durchflutet wird. In Fig. 12 ist der der
Phase U zugeordnete Kern R1 mit dem den Gleichstrom J$ führenden Leiter dargestellt.
Die zugehörige Brückenleitung zwischen den Punkten E und F ist in Form einer Windung
um den Kern gelegt, an deren Mittelanzapfung O die Phasenleitung U des Transformators
Tr angeschlossen ist. Der Punkt O ist somit der Verzweigungspunkt der Brücke. Diese
Anordnung erfüllt mit einer nur geringfügigen, durch die Unterbringung des zweiten
Wechselstromleiters bedingten Vergrößerung des Ringkerndurchmessers hinsichtlich
Auslösegeschwindigkeit und Höhe des Kontaktstromes im Auslösezeitpunkt bei der dreiphasigen
Stromrichterbrückenschaltung nach Fig. 9 die gleichen Bedingungen wie bei der in
Fig. 4 dargestellten dreiphasigen Sternpunktschaltung.
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D-ie Erfindung läßt sich sinngemäß auch auf andere Phasenzahlen und
Gleichrichterschaltungen anwenden. Sie ist nicht nur auf die Anwendung bei Kontaktumformern
beschränkt, sondern kann mit den gleichen Vorteilen des unverzögerten Einsetzens
des Auslöseimpulses schon bei beginnendem Rückstrom auch auf andere Gleichrichterarten
übertragen werden. Die neue Differentialschutzeinrichtung kann z. B. bei gittergesteuerten
Quecksiiberdampfgleichrichtern dazu benutzt werden, das Schnellrelais für die Gittersperrung
auszulösen. Die Anordnung von je einem Kern in jeder Phase gestattet dabei sogar
eine selektive Auslösung von Schutzapparaten, die nur auf die einzelne Phase wirken.