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Schutzeinrichtung für Sammelschienen in beliebig gespeisten Netzwerken
mit einer beliebigen Anzahl von insbesondere mehreren Abzweigen Für den Schutz elektrischer
Generatoren, Motoren, Umformer, Phasenschieber, Gleichrichter, Umspanner, Leitungen
oder sonstigen Anlageteilen vor den Folgen ungewöhnlicher Betriebsverhältnisse,
wie Überlastung, Kurzschluß, Spannungsrückgang usw., werden je nach Wert, Betriebswichtigkeit
und Störungsmöglichkeiten stets kleinere oder größere Aufwendungen gemacht. Der
einzige Anlag-,teil, der vielfach jedoch keinen eigenen Schutz, insbesondere für
den Fall des Kurzschlusses, erhält, sind die Sammelschienen., bei denen man sich
darauf verläßt, daß die ohnedies an den Enden befindlichen Schutzeinrichtungen einerseits
für die Maschinen, Umspanner u. dgl., andererseits für die Leitungen, auch bei einem
Kurzsc'hluß in dem Sammelschienensystem selbst ansprechen und so durch Abschalten
der Energiezufuhr ihrerseits auch einen mittelbaren. Schutz für die Sammelschiene
bewirken.
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Als vollwertig kann diese durch Einbeziehung der Sammelschienen in
die speisenden und gespeisten Betriebseinrichtungen erreichte Schutzmaßnahme indessen
keinesfalls, gelten, besonders wenn wegen der nach der Energiequelle hin fortschreitenden
Zeitstaffelung in der Auslösung der verschiedenen Schutzeinrichtungen die Auslösezeit
verhältnismäßig groß wird. Schäden sind daher vielfach nicht zu vermeiden, insbesondere
dann nicht, wenn der Fehler in einer Sammelschienenanlage nahe einem Generator oder
Umspanner auftritt,
weil letzterer infolge der. erwähnten: Zeitstaffelung
der Auslösung erst verhältnismäßig spät ausgeschaltet wird. Auch besteht hierbei
eine nicht ' unerhebliche Gefahr für das Bedienungspersonal, wie weiterhin damit
zu rechnen ist, d2,ß der Parallelbetrieb mit anderen Werker verlorengeht und seine
Wiederaufnahme wegen der durch die Auslösung -der Abzweige herbeigeführten Spannungs.lösigkeit
der Leitungen erschwert wird. Als Folge hiervon sind also auch schwere Betriebsstörungen
an anderen Stellen des Netzes oder Netzverbandes zu erwarten bzw. nicht selten.
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Der Grund für die häufige Nichtanwendung eines besonderen Sammelschienenschutzes,
bei dem die ankommenden und, abgehenden Leitungen bzw. die über diese angeschlossenen
Maschinen, Umspanner u. dgl. an. sich unter Spannung bleiben können und nur die
das. fehlerhafte Sammelschienensystem eingrenzenden Schalter auslösen, liegt vor
allem in den Schwierigkeiten, den Einfluß des Aufbaues und der Betriebsweise der
Sammelschienenanlage mit einfachen und übersichtlichen Mitteln bei dem üblichen
Differential- oder Richtungsvergleichsschutz berücksichtigen zu können.
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Um festzustellen, ob ein Fehler im Sammelschienensystem vorhanden
ist, müssen nämlich bei n. Abzweigen theoretisch n - i Relais vorhanden sein.
Da alle Leitungen, die im Verlauf des Betriebes zu- oder abgeschaltet werden können
bzw. sollen, bei der Auslegung des Schutzes selbstverständlich einbezogen werden
müssen, so ist es erforderlich, jeden Abzweig mit einem vielpoligen Relais, beispielsweise
von der Art eines sogenannten Produkt- oder Prozentrelais, auszurüsten, in dem der
Strom in einer anderen, dem gleichen. Sammelschierlenabschnitt angehörenden Leitung
oder mit dem Summenstrom des gesamten Sammelschienenabschnitts verglichen wird.
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Die sich bei- einer solchen Schutzeinrichtung ergebenden Nachteile
bestehen nicht nur in einer Anhäufung von Relais schlechthin, sondern auch insbesondere
darin, daß den einzelnen. Relais über verschiedene aufeinander abgestimmte Stromwandler
ganz bestimmte und einander zugeordnete Sekundärströme zugeführt werden müssen,
wobei deren gegenseitige Zuordnung je nach dem Schaltzustand der Sammelschienenanlage
wechselt. Das ist nur unter Umschaltungen möglich,. die bei Änderung des Schaltzustandes
der Sammelschienenanlage notwendig werden und, um Fehl- und Nichtauslösungen im
Störungsfall zu vermeiden und die Wandler nicht zu gefährden, unterbrechungslos
und fehlerfrei vorgenommen werden müssen. Die Anwendung eines derartigen Schutzes
verbietet sich deshalb sofort bei ausgedehnten Sammelschienenan:lagen mit einer
größeren Zahl von Zu- und- Abgängen bzw. Wandlern.
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Demgegenüber betrifft die Erfindung eine Schutzeinrichtung für Sammelschienen
in beliebig gespeisten Netzwerken mit einer beliebigen Anzahl von insbesondere mehreren
Abzweigen mit nur einem einzig-en Relais, das bei beliebigen. Speiseverhältnissen
des Sammelschienensystems stets richtig arbeitet und insbesondere die erwähnten
Schwierigkeiten bei der Umschaltung der Wandlersekundärs,tröme vermeidet.
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Die Lösung, die dem Grundgedanken der der Erfindung zugrunde liegenden
Aufgabe gerecht wird, besteht darin, daß ein einziges Relais für jeden zu schützenden
Sammelschienenabschnitt vorhanden ist, das von den Strömen, der Abzweige derart
erregt ist, da0 bei einem Fehler außerhalb des von dem Relais überwachten Sammelschienenabschnittes
ein anderes Drehmoment vorhanden ist als bei einem Fehler innerhalb. Beispielsweise
wird hierbei die von den insbesondere die Richtung des Fehlers bestimmenden Strömen
der Abzweige bewirkte Erregung eines - Relais über richtungsabhängige Widerstände
vorgenommen, so daß bestimmte Wicklungsteile nur von Halbwellen bestimmter Richtung
erregt sind. Durch die auf diese Weise bewirkte selektive Erregung ades Relais lassen
sich vom Fehler abhängige Drehmomentbeziehungen gewinnen, entweder derart, daß bei
einem Fehler im Schutzbereich kein Drehmoment vorhanden ist, während bei einem Fehler
außerhalb des Schutzbereiches das Drehmoment von Null verschieden ist oder umgekehrt,
aber auch derart, daß den vorerwähnten beiden Fehlermöglichkeiten entgegengesetzt
wirkende Drehmomente zugeordnet sind.
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In, der Zeichnungen, die auch -noch weitere Merkmale .der Erfindung
enthalten, sind einige Ausführungsbeispiele für die vorliegende Schutzeinrichtung
dargestellt. Die Abb. i und 2 zeigen zunächst die Wirkungsweise eines Sammelschienenschutzes
für den Fall einerseits -eines Fehlers innerhalb des zu. schützenden Sammelschienenabschnittes,
andererseits außerhalb desselben. Der Einfachheit und Übersichtlichkeit der Darstellung
halber ist für die einphasig dargestellte Sammelschienenanlüge der Stromverlauf
für zwei entgegengesetzte Halbwellen eingezeichnet.
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Es seien drei Abzweige 1, 2, 3 angenommen, in denen die für die Erregung
-des Relais q. vorgesehenen Stromwandler 5, 6, 7 eingeschaltet sind. Sie
sind neben reicht gezeichneten Meßgeräten, die an sie angeschlossen sind, insbesondere
mit Widerständen 8, 9, io überbrückt, die im wesentlichen die Aufgabe haben, gewisse
Spannungen für das Relais abzugreifen und die außerdem dazu .dienen, verschiedene
Übersetzungsverhältnisse der einzelnen Stromwandler auszugleichen, so@ daß bei gleich
großen Primärströmen in den Abzweigen 1, 2, 3 an ihnen auch jeweils ein bleicher
Spannungsabfall vorhanden ist. Man kann auf diese Weise verschiedene Stromwandler
mit insbesondere auch voneinander abweichendem Übersetzungsverhältnis verwenden.
Die erwähnten drei Stromwandler 5, 6, 7 sind unter sich unter Zwischenschaltung
von stromrichtungsabhängigen Widerständen i 1, 12, 13 einerseits und-14, 15, 16
andererseits parallel geschaltet, ebenso sind die Mittelpunkte der Widerstände 8,
9, io, die zweckmäßig geerdet sind; untereinander verbunden.
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Da die Erdung der Wandler, die in der elektrischen Mitte der Überbrückungswiderstände
vorgenommen
wird, mitunter eine Behinderung der praktischen Ausführung
der Schaltung bedeuten mag, so kann auch unter Umständen ein kleiner Übertrager
vorgesehen werden, der einerseits eine unmittelbare Erdung der Wandlersekundärseiten
züläßt, andererseits den Stromkreis des Relais d, das ati die unter sich parallel
geschalteten Stromwandler und an die Mittelpunkte der Überbrückungswiderstände bzw.
der kleinen Übertrager angeschlossen ist, elektrisch von den Wand'.lersekundärstromkreisen
trennt und weiterhin einen Ausgleich. verschiedener Übersetzungsverhältnisse .der
Stromwandler in besonderen Fällen noch leichter gestattet. Das Relais q. arbeitet
beispielsweise auf dynamometrischer Grundlage und besitzt einerseits eine feststehende
Spule 17 und eine mit dieser in Reihe geschaltete bewegliche Spule 18 andererseits.
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Wie sich aus den beiden Abb. z und 2 ergibt, sind entsprechend dem
Energiefluß zur Fehlerstelle die Halbwellen der Ströme sämtlicher Abzweige im Fall
eines Fehlers innerhalb eines Sammelschienenabschnittes gleichgerichtet, für den.
Falleines Fehlers außerhalb des Sammelschienenabschnittes jedoch untereinander von
verschiedener Richtung und zwar derart, daß bei drei oder mehr Abzweigen der Strom
in. dem zur Fehlerstelle führenden Abzweig die umgekehrte Richtung wie die Ströme
in den nicht unmittelbar zur Fehlerstelle führenden Abzweigen aufweist.
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Bei einem Fehler innerhalb des Sammelschienensystems sind daher die
Richtungen des von den einzelnen unter sich. parallel geschalteten Wandlern gelieferten
Erregerstromes für das Relais, übereinstimmende Anschaltung der Wandler vorausgesetzt,
unter sich gleich, so daß wegen der Sperrwirkung der stromrichtungsabhängigen Widerstände
1r, 12, 13 einerseits und 14, 15, 16 andererseits, die aus vormagnetisierten Drosselspulen,
Gleichrichtern, insbesondere Trockengleichrichtern u. dgl.. bestehen, gleichzeitig
entweder nur die untere, beispielsweise bewegliche, oder die obere, dann beispielsweise
feststehende Spule des Relais,. vom Summenstrom durchflossen wird.
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Hierdurch kann jedoch kein Drehmoment -erzeugt werden. Infolgedessen
wird unter den Voraussetzungen für das Kriterium des Fehlers, da.ß nämlich das Drehmoment
bei einem Fehler innerhalb der Sammelschienenanlage verschwindet, die Auslösung
wirksam werden.
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Liegt hingegen der Fehler außerhalb des Sammelschienenabschnittes,
so ergibt sich, weil gleichzeitig beide Spulen des Relais . erregt werden, infolge
der gegenseitigen Wechselwirkung der beiden Spulenfelder aufeinander ein bestimmtes
Drehmoment, das beispielsweise stets im Uhrzeigersinn wirkt und die Auslösung der
Sammelschienen sperrt. Damit ist auch der zweiten Fehlermöglichkeit ein eindeutiges
Kriterium zugeordnet.
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Man kann aber auch. die Richtungsabhängigkeit der Schutzeinrichtung
entsprechend einem Fehler innerhalb und außerhalb des Sammelschienenabschnittes
durch zwei entgegengesetzt wirkende Drehmomente erreichen und muß sich keineswegs
damit begnügen, daß bei einem Fehler innerhalb des zu schützenden Sammelschienenabschnittes
das Drehmoment zu Null wird. In einfacher Weise läßt sich das durch Überlagerung
des Hilfsdrehmoments erreichen, das erfindungsgemäß mittels einer Zusatzwicklung
zu den beiden Spulen des Relais .l erzeugt worden ist, die mit diesen elektrisch
oder magnetisch gekoppelt ist.
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Während die Abb. 3 eine Anordnung mit besonderen Zusatzspulen zeigt,
die unter sich und/oder mit den Hauptspulen des Relais ein Drehmoment erzeugen,
sind in Abb, ¢ einfach die feststehende und bewegliche Spule jeweils angezapft.
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Die Schaltung ist im einzelnen gegenüber den Anordnungen in Abb. i
und 2 erfindungsgemäß derart abgeändert, daß stets beide Zusatzwicklungen erregt
werden und nun stets ihrerseits ein Drehmoment erzeugen, das bei einem Fehler innerhalb
des Sammelschienenschutzbereiches beispielsweise entgegen dem Uh:rzeigersinn wirkt,
und bei einem Fehler außerhalb des Sammelschienenschutzbereiches durch das in diesem
Falle vorhandene Drehmoment der Hauptwicklungen beispielsweise derart überkompensiert
ist, daß das wirksame Drehmoment in diesem Fal!1 im Uhrzeigersinn gerichtet ist.
Die erwähnte Überkompensation wird beispielsweise durch eine gegenüber der Wind:ungszahl
der Zusatzwicklungen abweichende Windungs.zahl der Hauptwicklungen erreicht. Man
kann auch, statt die beiden Drehmomente gegeneinander wirken zu lassen, durch die
Bemessung der Windungszahlen. in einfacher Weise die beiden Drehmomente sich unterstützen
lassen.
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Um dem Relais q. die Ströme der Abzweige von dem zu schützenden Sammelschienenabschnitt
stets richtig zuzuführen, wird die Erregung des Relais zweckmäßig selbsttätig in
Abhängigkeit von der Stellung der Trennschalter gesteuert. Dies erfolgt vorteilhafterweise
durch jedem Trennschalter zugeordnete Hilfsrelais. Im Gegensatz zu bekannten ähnlichen
Ausführungen solcher Steuereinrichtungen, bei denen eine Unterbrechungsgefahr der
Sekundärstromkreise der Wandler besteht, werden hier jedoch, erfindungsgemäß nur
im Nebenschluß fließende Ströme geschaltet.
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Führt man das Relais mit einer Abfallzeit von o,2 bis 0,3 Sekunden
aus, so lassen sich auch ferner noch sogar Sammelschienenkurzschlüsse, .die erst
durch das Ziehen von Trennschaltern unter Last eingeleitet werden, sicher durch
den Schutz erfassen. Durch die Abfallverzögerung werden nämlich die Sekundärströme
der abgeschalteten Leitung noch während der abfallverzögerten Zeit dem den Sammelschienenabschnitt
überwachenden Relais zugeführt. Damit wird eine Überwachung der Schaltungsausführung
möglich, wobei in dem Fall:, daß durch das Ziehen von Trennschalter unter Last ein.
Sammelsch.ienenkurzschluß entstanden ist, die Abschaltung des fehlerhaften Sammelsch.ienenabschnitts
erfolgt.
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Die Schutzeinrichtung gemäß .der Erfindung stellt eine Nachbildung
der Sammelschienenanlage derart dar, daß der zu schützenden Sammelschienenanlage
die
Hilfsleitungen, -mit denn die Wandler bzw. Überbrückungswiderstände unter sich verbunden
.sind, entsprechen und jeder Trennschalter durch ein Hilfsrelais und jeder zu schützende
Sammelsch.ienenabschnitt selbst durch ein Relais. abgebildet wird.
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Dieser Gedanke, eine Sammelschienenanlage in dieser Weise abzubilden,
führt weiter dazu, daß völlige Freiheit in der Ausübung der Schalthandlungen besteht.
Werden -nämlich einzelne Sammelschienenabschnitte beispielsweise über Kuppelschalter
parallel betrieben, so werden auch, die entsprechenden Relais parallel geschaltet.
Trotzdem werden infolge der hohen Empfindlichkeit von dynamometrischen Relais jedoch
Fehler, die in einem. der beiden unter sich parallel geschalteten Sammelschienenabschnitte
auftreten, doch stets nur von den Relais für den mit dem Fehler selbst behafteten
Abschnitt abgeschaltet, weil für den anderen Abschnitt dieser Fehler ein außerhalb
liegender Fehler ist.
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Je nach den Anforderungen, die im Doppelerdschlußfall an das Zusammenarbeiten
des Schutzes mit dem Leitungsschutz gestellt werden, ist entweder für jeden Leiter
ein Richtungsrelais: oder nur für zwei Leiter ein Relais vorgesehen. Bei Frefeitungsrelais
mit cyclischer Leiterbevorzugung müßten drei Relais Verwendung finden, während bei
acyclischer Leiterbevorzugung nur den Leitern Rund T je ein Relais notwendig ist.
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Eine besondere Abart des Schutzes bei Zweiwicklungsumspannern, die
sogar den Einschaltstromstoß zu berücksichtigen gestattet, entsteht, wenn das Relais
q. in. zwei Relaissysteme aufgeteilt wird, derart, daß jedes System gemäß dem Grundgedanken
der Erfindung nur von Stromhalbwellen bestimmter Richtung durchflossen wird.
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Damit die Auslösung erfolgt, müssen beide Systeme angesprochen haben.
Da der Einschaltstromstoß aber bekanntlich starkeinseitig über der Nullinie verläuft,
während der Ström auf der anderen Seite der Nullinie den Dauerleerlaufstro.m nur
wenig übersteigt; so kann durch passende Wahl der Relaisempfindlichkeit die Wirkung
des Einschaltstromes ausgeschaltet und ein zusätzliches Zeitrelais, das durch Hintereinanderschaltung
von zwei durch die beiden Relaissysteme gesteuerten Schalter ersetzt ist, bei der
Schutzeinrichtung gemäß dem in Abb. 5 schematisch dargestellten Differentialrelais
vermieden werden.