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Schaltungsanordnung zur Beschleunigung der Ausgleichsvorgänge in Stromkreisen,
die aus Meßspule, Parallelkapazität und Vorwiderstand bestehen Die Anwendung von
Kondensatoren, besonders solcher großer Kapazität, wie sie zur Glättung von pulsierendem
Gleichstrom in Betracht kommen, hat in den Gleichstromkreisen aus Widerstand und
Kapazität Verzögerungen zur Folge. Bei allen Änderungen der wirksamen Spannung folgt
der Strom nicht mehr unmittelbar dieser Spannung; zwischen dem ursprünglichen und
dem neuen stationären Zustand treten Ausgleichsvorgänge bekannter Natur auf. Dies
ist z. B. auch der Fall in einem Impedanzschutz, bei dem Strom und Spannung gleichgerichtet,
geglättet und dann in einem Tauchspulglied als Meßgrößen benutzt werden. Die von
den Ausgleichsvorgängen beanspruchte Zeit ist ein Verlust in der Ansprechgeschwindigkeit
des Impedanzmeßgliedes.
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Dieser Zeitverlust wird im weiteren als statische Verzögerung bezeichnet,
weil er von der statischen Auf- bzw. Entladung der Kondensatoren herrührt. Er schafft
einen unerwünschten bogenförmigen
Übergang zwischen den S.tüfen
der Impedanz-Zeit-Kennli.nie, die geknickt, d. h. schärf abgesetzt, sein sollen.
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Die statische Verzögerung, T, ist um so- größer, je größer die Zeitkonstante
T ist und je mehr sich .die Fehlerimpedanz Z der Kippimpedanz nähert. Es ist
worin m für das Verhältnis der Fehler = zur Kippimpedanz -.k gesetzt wurde.
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Erfindungsgemäß werden in Stromkreisen, die aus Meßspulle, Paralleilkapazität
und Vorwi,derstand bestehen, die Ausgleichsvorgänge dadurch beschleunigt, daß kurzzeitig
die Zeitkonstante der Stromkreise verändert wird. Dadurch wird. z. B. der stationäre
Wert des Stromes in der Meßspule rascher erreicht.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht.
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Fig. i zeigt die ideale Kennlinie i eines Streckenschutzes, welche
durch die erwähnten Bögen z verfälscht wird. t ist die Auslösezeit, Z die auftretende
Fehlerimpedanz: Die Schnellzone ist mit 3, die Staffelzone mit 4. bezeichnet. An
diese schließt sich die .sogernannte Stetigzone 5 an. Um die statische Verzögerung
und die Übergangsbögen zu beseitigen und die ideale Kennlinie i mit den- Knickstellen
zwischen Schnell- und Staffelzone zu erreichen, werden Schaltungsanordnungen angegeben;
welche der Kürze halber die Bezeichnung Knickschaltungen erhalten: Da in der Schnellzone
der Übergangsbogen vom Stromanstieg in der Tauchspule des Strommeßzweiges herrührt,
muß durch die Knickschaltung erreicht werden, daß dieser Anstieg beschleunigt wird.
Die Aüfladezeit des zur Glätturig unentbehrlichen Kondensators soll vermindert werden,
auch -I wenn .dafür ein kleiner Verlust an Zeit in Kauf genommen werden- muß: Es
ist jedoch günstiger, wenn ein kleiner, über -die ganze Zone konstanter Zeitverlust
vorhanden ist, als ein mit Annäherung an -die Kippimpedanz erheblich zunehmender
Zeitverlust. Wichtig ist, daß der Endmeßwert so schnell erreicht wird, @daß -die
Impedanzmessung in der Nähe der Kippimpedanz nicht streut.
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In Fig. a ist der Strommeßzweig des Impedanzmeßgliedesdargestellt.
Zwischen dem Glättungskondensator C2 und der Tauschspulenwicklung ö mit dem Widerstand
r ist erfindungsgemäß ein Hilf skontekt 7 eingeschleift, an dessen Arbeitskontakte
die Tauchspule und an dessen Ruhekontakt ein Widerstand r' angeschlossen ist, der
. zum Kondensator parallel liegt. Kontakt a" ist der von der Anregung betätigte
Kontakt, der den Strommeßweig schließt. Da der Schaltvorgang im Strommeßzweig untersucht
wird, zählen wir hier .die Zeit vom Schließen des Kontaktes a" an.
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Wird cl' geschlossen, so fließt -in der Tauchspule 6 erst dann Strom,
wenn der Hilfskontakt 7 nach oben umgelegt wird. Bei der Arbeitsweise der in Fig.
--#- dargestellten Schaltung hat 'Plan, jedoch grundsätzlich drei verschiedene Lagen
des Kontaktes 7 zu unterscheiden.
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Beim Schließen von a" liegt 7 an r, bis zum Abheben verstreicht die
Zeit t1; während der C2 auf eine bestimmte Spannung u,1 aufgeladen wird.
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Bei geschlossenem ct" wird nun 7 abgehoben, und es vergeht eine gewisse
Zeit t2, bis 7 seinenArbeitskontäkt erreicht. Während dieser Schwebelage wird nun
der Kondensator C2 weiter aufgeladen und hat im Augenblick, wo der Gegenkontakt
erreicht ist, die Spannung zs12.
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Bei geschlossenem ca" hat nun 7 den Widerstand r der Tausohspulenwicklung
in den Meß%weig eingeschaltet. Hat nun bis zu diesem Augenblick der Kondensator
eine kleinere Spannung als die, welche dem Endmeßwert entspricht, so- wird er noch
weiter aufgeladen; hat er gerade die dem stationären Zustand entsprechende Spannung
erreicht, so hört die Ladung auf. Ist er zu hoch aufgeladen worden, so muß er sich
bis auf dien Meßwert entladen.
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Dementsprechend verhalten sich die Ströme, die im Augenblick des Schließens
von 7 in der Touchspülenwicklung fließen; der Strom ist jedoch stets gleich u,lr
Und ist in der Tauchspule erst nach der Zeit t1 -I- t2 vorhanden: Die Impedanzmessung
beginnt erst mit dem Augenblick des Schließens von 7. Inzwischen ist ein Zeitverlust
t1 -I- t2 eingetreten, der jedoch unabhängig vom Verhältnis Z zu Zk, also innerhalb
der Schnellzone konstant ist.
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Durch Überlegung kann man leicht finden., daß in dem Fall, wo der
Meßwert durch den Schaltvorgang nicht erreicht bzw. nicht ein wenig überschritten
wind, der Vorteil der Schaltung verlorengeht.
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In Fig. 3 ist eine einfache Knickschaltung dargestellt, die sich von
der soeben gezeigten dadurch unterscheidet, daß der Widerstand r weggelassen ist.
Strom- und Spannungsrneßzweig werden durch a' und d' gleichzeitig eingeschaltet;
die Zeitkonstante des Spannungsmeßzweiges sei 1/s von der des Stroimmeßzwei"ges.
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Da r' entfällt, isst die Zeit t1 = o, und es beginnt die Aufladung
von C2 sogleich mit der vollen Spannung TR über den Widerstand R2. Die Rufladung
bis auf den Meß.wert ist hier in einer sehr kurzen Zeit t2 erreicht.
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Eine weitere Lösung zeigt Fig: q.. Der Ladungsanstieg bei den bisher
geschilderten l,,nickschaltungen kann unter Umständen zu steil sein, ivznn während
der Zeit t2 die volle Spannung TR wirksam ist; da man in- der Praxis meistens von
den Zeitwerten t1 und t2 ausgehen muß, kann es erwünscht sein, den Spannungsanstieg
frei zu wählen. Dies kann in einfachster Weise durch den Widerstand w erreicht werden,
der in Fig. q. gezeigt ist.
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Nun fließt vom Augenblick des Schließens von d' an ein Strom in der
Tauschspule des Strommeßzweiges, dessen Größe leicht berechnet: werden kann; während
der Zeit t1 liegt zum Kon:densator
C, die Widerstandskombination
r', r und parallel deren Ersatzwiderstand in bekannter Weise berechnet wird. Dieser
Ersatzwiderstand geht in die Zeitkonstante T1 ein. In der Schwebelage von 7 liegt
(r + w) zum Kondensator parallel, wodurch der Ladungsanstieg erheblich begrenzt
wird.
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In Fig. 5 ist der Stromverlauf in den Tauchspulen des Spannungs- und
Strommeßzweiges dargestellt. Als Abszissenmaßstab ist das Verhältnis der Zeit t
zur normalen Strommeßzweig-Zeitkonstante aufgetragen. Der lotrechte Maßstab gibt
das Verhältnis des Augenblicksstromes zum gemessener Endstrom ab. ä und
ä' werden gleichzeitig geschlossen. Der vom Einschaltmoment an in die Tauchspule
des I-Zweig es fließende Strom ist während der Zeit t1 + t2 erheblich kleiner als
der wirkliche Meßwert; erst wenn 7 seinen oberen Gegenkontakt erreicht und dadurch
w überbrückt, steigt der Strom auf seinen Meßwert an und besitzt anfänglich einen
Überschuß, je nach der Dauer von t.. In der Abbildung sind zwei Werte von t2 eingetragen.
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Die Größe des Stromes in der Spannungsspule kann fast dem richtigen
:Meßwert entsprechen, wenn die Zeitkonstante Z1 = o,33 bis 0,5 ' T2 .gemacht
wird, wobei sich T2 aus R2, C2 und r ergibt.
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L aßt man in Fig. q. den Widerstand r' weg, so kann man den Ladungsanstieg
auch allein durch passende Wahl von w begrenzen. Das Schaltbild des Strommeßzweiges
zeigt Fi.g.6, die auch aus Fig.3 abzuleiten ist. Verändert man zu von Unendlich
bis Null, so ergeben sich die in Fig.7 dargestellten Anstiegkurven für das Verhältnis
der Kondensatorspaitnungen zu ihrem Endwert. Bei 7z," = o wird die normale Kurve
erzielt, als ob keine Knickschaltung angewandt wäre. Bei w = . erhält man die steilste
Kurve, die bereits bei der Schwebelage von 7 in der Schaltung gemäß Fig. 3 verwendet
wurde.
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Zwischen w = _ und w = r ist der durch 7e, erzielbare Einfluß
wesentlich geringer, als zwischen w = r und w = o; das letztere hat den Vorteil,
daß der Überbrückungswiderstand zu in der Größenordnung von r liegen kann. Um keine
unzulässigen Streuungen der Kippimpedanz zu bekommen, muß auch hier, wie bei den
bisher betrachteten Schaltungen, die Schaltzeit t2 möglichst genau eingehalten werden.
Um diese Schaltung voll auszunutzen, ist es zweckmäßig, Spannungs- und Strommeßzweig
des Impedanzmeßgliedes gleichzeitig zu schließen.
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Der bogenförmige Übergang zwischen Staffel-und Stetigzone (vgl. Fig.
i) wird u. a. mit verursacht von dem verzögerten Stromabfall in der Tauchspulenwicklung
des Spannungsmeßzweiges, wenn die Kippimpedanz des Impedanzmeßgliedes erhöht wird,
was z. B. in Fig. 7 durch Vorschalten eines entsprechenden Widerstandes R2 vor R1
im Spannungsmeßzweig geschieht. Die Umschaltung erfolgt nach Ablauf der Staffelzeit.
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Durch Öffnen des Kontaktes x wird der Vorwiderstand R, eingeschaltet.
Im Strommeßzweig erfbIgen keine Schaltungsänderungen. Der Strom in: .der dem Strommeßzweig
zugeordneten Tauchspulenw icklung hat längst seinen stationären Meß-,vert erreicht.
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Es könnte nun in einem besonderen Fall Wert darauf gelegt werden,
daß der Übergang von Staffelzone auf Stetigzone ohne den Bogen und möglichst genau
mit dem gewünschten Zeitsprung erfolgt. Es ist klar, daß sich der absolute Betrag
der statischen Verzögerung in der Staffelzone durch Verkleinern der Kapazität Cl
nur bis zit einem gewissen Grad herabsetzen läßt, denn .darüber .hinaus leidet die
Glättung. Eine erhebliche Verminderung der statischen Verzögerung ist nun durch
eine besondere Schaltung möglich, die im übrigen bei jeder Zeitkonstante T des Spannungsmeßzweiges
angewandt werden kann.
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Das Ziel ist wieder, den Stromabfall im Spannungsmeßzwei;g zu beschleunigen.
Es wird die Herabsetzung der Zeitkonstante T nicht :durch Verkleinern der Kapazität
Cl, sondern durch kurzzeitige Verringerung des Entladungswiderstandes, der normalerweise
durch den Widerstand r der Tauchspule dargestellt wird, erreicht. Es wird eine gewisse
kurze Zeit t lang zum Widerstand r ein Widerstand q parallel geschaltet, dessen
Größe auch die Zeit tx bestimmt wird.
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Die Schaltungsanordnung zeigt Fig. g. Die Kontaktei' und x' erfüllen
folgende Aufgabe: Der Kontakt 2 schließt, wenn die Kippimpedanz der Schnellzone
auf die der Staffelzone umgeschaltet wird; der Kontakt x" öffnet eine kurze Zeit
tx später, so daß der Widerstand q nur während der Zeit tx @ zur Tauchspule und
dem Kondensator parallel gelegen hat. Die Kontakte x' und x" können
gegebenenfalls von dem Hilfsrelais X, welches den Kontakt x betätigt, ebenfalls
mitbetätigt werden, andernfalls muß für diese Kontakte ein besonderes Hilfsrelais
vorgesehen werden, das mit Relais. X gleichzeitig erregt wird.
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Die .Schnellzeit ist ebenfalls von der statischen Verzögerung abhängig,
und zwar von dem Stromanstieg in der Tauchspule des Spannungsmeßzweiges. Um eine
zuverlässige Impedanzmessung zu erzielen, muß immer der Spannungsmeßzweig seinen
der Fehlerspannung U entsprechenden Meßwert (Strom in der Tauchspule) früher erreicht
haben, als der Strom im Strommeßzweig.
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Wenn jedoch der Meßstrom zunächst über seinen Endwert steigt, wird
:dem Impedanzmeßglie.d eine zu kleine Impedanz Z vorgetäuscht, .die z. B. in die
Schnellzone fällt, während die Fehlergrößen und ihre entsprechenden Endmeß-,verte
eine Impedanz darstellen, die in die Staffelzone fällt. Um dies bei normaler Zeitkonstante
T des Spannungsmeßzweiges zu verhindern, müßte der Stro@mmeßzweig um die eine Zeit
t" später geschlossen werden; dieser Zeitverlust geht aber voll in die Schnellzeit
ein. Eine Verminderung :der Kapazität C1 im Spannungsmeßzweig ist wegen der damit
verbundenen Erhöhung der Welligkeit des Gleichstromes nicht erwünscht und, wenn
z. B. die Ansprechgeschwindigkeit
des Tattchspul.relais erhöht
wird, nicht annehmbar.
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Führt man nun auch in .den Spannungs.meßzweig eine Knickschaltung
ein, so kann damit die Schnellzeit um den Betrag des Zeitverlustes t, verringert
werden. Hierzu eignen. sich nur die in -den Fig. ¢ und 6 dargestellten neuen Knickschaltungen,
von denen die in Fig. 6 gezeigte idie vorteilhaftere ist.