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Widerstandsabhängiges Relais Es ist bereits vorgeschlagen worden,
ein vom Winkel zwischen Spannung und Strom einer Leitung abhängiges Widerstandsrelais
in der Weise zu schaffen, daß auf ein polarisiertes Relais die Differenz zweier
gleichgerichteter Wechselstromgrößen einwirkt, von denen mindestens die eine durch
geometrische Zusammensetzung von einem der Spannung und einem dem Strom proportionalen
Vektor gebildet wird. Unter polarisiertem Relais ist dabei ein Relais zu verstehen,
dessen Ansprechen nicht nur von der Größe, sondern auch von der Richtung des auf
das Relais einwirkenden Gleichstromes bzw. der Gleichspannung abhängig ist. Ein
solches polarisiertes Relais ist also beispielsweise ein Drehspul- oder Tauchankerrelais
mit permanenten Magneten oder mit konstanter Erregung oder ein Röhrenrelais mit
Ionen- oder Elektronenröhren. Ein derartiges widerstandsabhängiges Relais hat unter
anderem den Vorteil, daß man mit einem einfachen Gleichstromrelais auskommt das
einen geringen Eigenverbrauch besitzt, und daß ferner die Gleichstromgrößen, welche
auf d.is Relais einwirken, sehr genau abgeglichen werden können.
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Läßt man auf das Relais die gleichgerichtete geometrische Differenz
aus einem dem Strom und einem der Spannung der Leitung proportionalen Vektor im
sperrenden Sinne und einem gleichgerichteten, dem Leitungsstrom proportionalen Vektor
im auslösenden Sinne einwirken und macht man die Absolutwerte der beiden Stromvektoren
gleich groß, so erhält man ein Konduktanzrelais, wenn die Phasenlage zwischen stromabhängigem
Vektor und spannungsabhängigem Vektor, deren Differenz gebildet wird, so gewählt
wird, wie die Phasenlage zwischen Strom und Spannung der Leitung selbst. Im Vektordiagramm
der Ströme bzw.
im Widerstandsdiagramm (RR-Diagramm) ist die Ansprechkennlinie
eines solchen Relais ein Kreis, dessen Mittelpunkt auf der y-Achse bzw. R-Achse
liegt und der durch den Koordinatenanfangspunkt geht.
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In Fig. r ist das Vektordiagramm für ein solches Relais dargestellt.
Vom Vektor k J wird ein Vektor
subtrahiert, die gleichgerichtete Differenz soll dem gleichgerichteten Stromvektor
k J gleich sein. Infolgedessen ist die Ansprechkennlinie ein Kreis, dessen
Mittelpunkt auf der y-Achse liegt in einer Entfernung vom Koordinatenanfängspunkt
gleich k l. Für alle Werte
, die innerhalb dieses Kreises liegen, löst das Relais aus, für alle Werte außerhalb
des Kreises sperrt das Relais. Man kann diesen Kreis auch als Ansprechkreis im Widerstandsdiagramm,
also im RR-Diagramm, bezeichnen, wenn man den Maßstab auf der R- bzw. X-Achse entsprechend
wählt, da durch Division der einzelnen Vektoren durch J und durch Multiplikation
mit r die Stromvektoren in Widerstandsvektoren übergehen und z. B. der Vektor
in den Widerstandsvektor
übergeht, dessen Größe von der Art und der Entfernung des Kurzschlusses auf der
Leitung abhängig ist. Macht man den Vektor k l, von dem der Vektor
subtrahiert wird, voreilend gegenüber dem Leitungsstrom, so erhält man für die Ansprechkennlinie
des Relais den gestrichelten Kreis, also ein. Relais, das ebenfalls Richtungsselektivität
besitzt und auf einen Mischwiderstand anspricht.
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Gegenstand der Erfindung ist eine weitere Verbesserung eines Relais,
das einerseits von der gleichgerichteten geometrischen Differenz aus einem dem Strom
und einem der Spannung der Leitung proportionalen Vektor im sperrenden Sinne und
einem gleichgerichteten stromabhängigen Vektor im auslösenden Sinne beeinflußt wird.
Gemäß der Erfindung wirken außer diesen Größen noch eine oder mehrere stromabhängige
oder/und spannungsabhängige Größen auf das Relais ein. Man erreicht dadurch, wie
die Ausführungsbeispiele zeigen, besondere Vorteile. Beispielsweise kann man die
Richtungsempfindlichkeit verbessern, was bei Fehlern in der Nähe des Aufstellungsortes
des Relais von wesentlicher Bedeutung ist. Man kann auch die Richtungsempfindlichkeit
aufheben, dafür aber das Relais bevorzugt reaktanzempfindlich machen. Man kann auch
die Richtungsempfindlichkeit beibehalten und das Relaisbestimmten Bedingungen der
Leitung in günstiger Form anpassen, z: B. besonders reaktanzempfindlich machen,
oder ihm den Charakter eines Impedanzrelais geben. Durch die Verwendung der zusätzlichen
Größen kann man also die Ansprechkennlinie des Relais den mannigfaltigsten Bedingungen
anpassen.
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Diese Größen, die zusätzlich auf das Relais zur Einwirkung gebracht
werden, können dem stromabhängigen Vektor und der geometrischen Differenz aus dem
dem Strom und dem der Spannung proportionalen Vektor auf der Wechselstromseite überlagert
werden, sie können aber auch für sich gleichgerichtet und erst nach der Gleichrichtung
auf das Relais zur Einwirkung gebracht werden. Beispielsweise kann man bei einem
Konduktanzrelais zu der geometrischen Differenz und zu dem stromabhängigen Vektor
je einen gleich großen spannungsabhängigenVektor hinzufügen, und zwar von der Differenz
geometrisch subtrahieren und zum Stromvektor addieren. Es ergibt sich dadurch eine
verbesserte Richtungsempfindlichkeit, was eine Verringerung der toten Zone zur Folge
hat. Das gleiche kann auch dadurch erreicht werden, daß die Summe und dieDifferenz
aus einem strom-und einem spannungsabhängigen Vektor je für sich gleichgerichtet
werden und dann ihre Differenz zusätzlich auf das Relais zur Einwirkung gebracht
wird, vorzugsweise über einen weiteren Gleichrichter, der so geschaltet ist, daß
die Differenz nur dann auf das Relais einwirkt, wenn sie im sperrenden Sinne wirkt.
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Man kann auch beispielsweise als zusätzliche Größe die gleichgerichtete
geometrische Differenz aus einem dem Strom und einem der Spannung proportionalen
Vektor verwenden, die im sperrenden Sinne wirkt. Man erreicht beispielsweise dadurch,
daß die Ansprechkennlinie des Relais von einem Kreis in eine Ellipse übergeht, und
durch passende Wahl der Werte kann man der Ellipse im Vektordiagramm verschiedene
Lage und Form geben. Beispielsweise kann man die Anordnung so wählen, daß der eine
Brennpunkt der Ellipse auf der positiven y-Achse, der aridere Brennpunkt auf der
negativen x-Achse liegt, wobei der Abstand beider Brennpunkte vom Koördinatenanfangspunkt
gleich groß ist und die Ellipse durch den Koordinatenanfangspunkt geht. Eine solche
Ansprechkennlinie hat den Vorteil, daß das Relais wie ein Impedanzrelais in dem
in Frage kommenden Quadranten wirkt und gleichzeitig eine Richtungsselektivität
besitzt. Ein derartiges Relais kann daher beispielsweise verwendet werden, wenn
es sich um Schutz von Kabelstrecken handelt, die mit Kurzschlußdrosselspulen versehen
sind. Man kann auch die Anordnung beispielsweise so wählen, daß der eine Brennpunkt
der Ellipse wieder auf der positiven y-Achse und der andere auf der negativen x-Achse
liegt, daß jedoch der Abstand des Brennpunktes auf der y-Achse vom Koordinatenanfangspunkt
größer ist als der Abstand des auf der x-Achse liegenden Brennpunktes vom Koordinatenanfangspunkt
und außerdem die Anordnung so wählen, daß die Ellipse wieder durch den Koordinatenanfangspunkt
geht: Man bekommt dann als Kennlinie für das Relais eine in Richtung der y-Achse
langgestreckte Ellipse, so daß das Relais vorzugsweise für den Schutz von langen
Hochspannungsfreileitungen geeignet ist, weil bei einem Fehler, der in einer Entfernung
vom Relaisort auftritt, die gleich der maximalen vom Relais zu überwachenden Leitungslänge
ist, das Relais auch dann anspricht, wenn nicht ein unmittelbarer Kurzschluß, sondern
ein Lichtbogenkurzschluß auftritt. Vorzugsweise wird man dabei bei Hochspannungsfreileitungen,
bei denen der Kurzschlußwinkel der Leitung ungefähr 85° beträgt, die Ellipse im
RR-Diagramm so legen, daß eine Parallele zur R-Achse, die durch den Schnittpunkt
der Ellipse mit einer Geraden geht, die um 85° gegenüber der R-Achse geneigt ist
und durch den Koordinatenanfangspunkt verläuft, einen
Abstand von
einer an die Ellipse gelegten Tangente parallel zur R-Achse hat, der ungefähr gleich
5 °,;a der Leitungslänge beträgt, die durch das Relais überwacht werden soll. Hierzu
wird man im Stromvektordiagramm den einen Brennpunkt etwas links von der y-Achse,
den anderen etwas unterhalb von der x-Achse legen.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Bevor auf die Ausführungsbeispiele im einzelnen eingegangen wird, sei
zunächst bemerkt, daß die Ansprechkennlinien des Relais nicht wie üblich im RX-Diagramm
dargestellt sind, sondern im Vektordiagramm der Ströme. In dem V ektordiagramm und
auch in der Beschreibung sind die Konstanten k, soweit nichts anderes gesagt ist,
stets als komplexe Zahlen aufzufassen, während J und U Vektoren sind, die in Richtung
und Größe dem Leitungsstrom bzw. der Leitungsspannung entsprechen oder dem Leitungsstrom
bzw. der Leitungsspannung proportional sind.
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In Fig. 2 der Zeichnung ist das Vektordiagramm eines Relais dargestellt,
bei dem gemäß der Erfindung die Richtungsempfindlichkeit verbessert ist. Zunächst
ist das Vektordiagramm eines Konduktanzrelais ohne Anwendung der Erfindung entwickelt.
Vom Vektor k, J wird der Vektor
geometrisch subtrahiert und der so gebildete Vektor
gleichgerichtet, er wirkt im sperrenden Sinne auf das Relais ein. Im auslösenden
Sinne wirkt der gleichgerichtete Vektor k2 J ein, der genauso groß ist wie
der Vektor ki J. Aus der Gleichgewichtsbedingung für das Ansprechen des Relais
sieht man, daß die Ansprechkennlinie des Relais ein Kreis t, sein muß mit dem Radius
ki J, dessen Mittelpunkt auf der v -Achse liegt und der durch den Koordinatenanfang
hindurchgeht. Das Relais besitzt also Richtungsselektivität. Für alle Werte von
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, die innerhalb des Kreises liegen, gibt das Relais frei, für alle Werte außerhalb
des Kreises sperrt das Relais.
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. Um eine möglichst -kleine Auslösezeit zu erhalten, stellt man zweckmäßig
das Relais so ein, daß es im stromlosen Zustand auf Auslösung steht. Wird dann im
Falle eines Kurzschlusses durch die Anregung das Relais von den oben dargelegten
Größen beaufschlagt, so bleibt das Relais in der Auslösestellung, wenn der Wert
innerhalb des Kreises liegt, es geht in die Sperrstellung, wenn der Wert
außerhalb des Kreises liegt. Um von der Auslösestellung in die Sperrstellung überzugehen,
ist eine bestimmte Stromstärke erforderlich, d. h. das Relais geht nicht unmittelbar
bei Überschreiten der theoretischen Auslösekennlinie in die Sperrstellung über,
sondern erst dann, wenn der gestrichelt dargestellte Kreis t2 überschritten wird.
Das Relais öffnet also beispielsweise seinen Kontakt erst dann, wenn der b,--strichelt
dargestellte Kreis t2 erreicht wird. Bei Fehlern auf der Leitung in Vorwärtsrichtung
stört dies nicht, da der Unterschied zwischen .den beiden Kreisen nur sehr gering
ist und sich daher nur eine geringfügige Änderung der gemessenen Leitungsstrecke
ergibt.
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Bei einem Fehler in Rückwärtsrichtung dagegen in der Nähe des Relaisortes
kann eine Fehlauslösung erfolgen, weil das Relais hier die beiden Energierichtungen
nicht unterscheiden kann (tote Zone). Man ist bestrebt, diese tote Zone möglichst
klein zu halten. Gemäß der Erfindung kann man dies dadurch erreichen, daß man, wie
in Fig. 2 dargestellt, zum Stromvektor k2 J einen Spannungsvektor
hinzufügt und vom Vektor
einen Spannungsvektor geometrisch subtrahiert und erst die so gewonnenen
Größen gleichgerichtet und ihre Differenz auf das Relais zur Einwirkung bringt.
Das Relais spricht also auf folgende Gleichung an
Wie die Rechnung zeigt, wird dadurch die -theoretische Relaisansprechkennlinie,
also der stark ausgezogene Kreis ti, nicht geändert, wenn -
und
gleiche Phasenlage besitzen. Da der Stromvektor k.j um den Zusatzbetrag
vergrößert wird, muß auch der Spannungsvektor um den gleichen Betrag vergrößert
werden, wenn das Gleichgewicht wieder hergestellt sein soll. Das bedeutet, daß der
tatsächliche Kreis um den Radius
größer wird. Man kann diese Tatsache so darstellen, als ob der Mittelpunkt des Kreises
entsprechend der Phasenlage des Spannungsvektors
nach oben und seitlich verschoben wird, damit er wieder durch den Stationsmittelpunkt
geht, oder auch so auffassen, daß der Mittelpunkt des Kreises bestehenbleibt und
sein Durchmesser um den Betrag
größer wird (Fig. 2). Bei der Spannung Null ist der Schnittpunkt wieder in dem Stationsmittelpunkt.
Dadurch erhält man zwei Vorteile: Einerseits wird die Richtungsempfindlichkeit des
Konduktanzrelais weiterverbessert, und andererseits kann durch Abschalten von das
Relais in ein reines Richtungsrelais verwandelt werden.
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Je größer man den Vektor
wählt, um so kleiner wird die tote Zone. Wenn das Relais also auf eine sehr lange
Entfernung eingestellt ist, also y groß ist, wird der Vektor
wesentlich größer werden als
Die Ansprechkennlinie des Relais im Stromvektordiagramm, wie sie in Fig. 2 dargestellt
ist, kann man auch als Ansprechkennlinie des Relais im RX-Diagramm auffassen, wenn
man in der R- bzw. X-Achse den Maßstab entsprechend wählt; denn das Stromdiagramm
geht in das Widerstandsdiagramm über, wenn man alle Vektoren durch J dividiert und
mit y
multipliziert. Bei einem Kurzschluß auf der Leitung hat also
der Vektor
immer die gleiche Phasenlage wie der Widerstand Z zwischen Relaisort und Kurzschlußpunkt
und ist diesem Widerstand in der Größe verhältnisgleich..
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Wie die Schaltung für ein solches Relais aussieht, zeigt Fig. 3. Mit
z ist ein polarisiertes Relais, z. B. ein dynamometrisches Relais mit permanenten
Magneten, bezeichnet, auf welches die Ströme der Gleichrichtei 2 und 3 im entgegengesetzten
Sinne einwirken. Der Gleichrichter 2 wird von der Sekundärwicklung 21 eines Stromwandlers
2o gespeist, der Gleichrichter 3 von der Sekundärwicklung 3= eines Stromwandlers
30. Die Wicklungen 22 und 32 der Stromwandler sind in Reihe geschaltet und liegen
über einen Ohmschen Widerstand zoz parallel zu einem Widerstand roo im Zuge der
Leitung. Durch die Wicklungen 22 und 32 fließt daher ein Strom, der dem Leitungsstrom
J proportional und mit ihm phasengleich ist. Der Wandler3o besitzt noch eine Wicklung34,
die über einen Ohmschen Widerstand y von der Leitungsspannung so erregt wird, daß
der in dieser Wicklung fließende Strom
und der Strom in der Wicklung 32 sich hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Wicklung
31 geometrisch subtrahieren. Außerdem sind noch Wicklungen 23 und 33 vorgesehen,
die entgegengesetzt in Reihe geschaltet über einen Ohmschen Widerstand R von der
Leitungsspannung so erregt werden, daß sich die Amperewindungen der Wicklungen 22
und 23 geometrisch addieren, die der Wicklungen 32 und 33 dagegen subtrahieren.
Es wirken also auf das Relais im auslösenden Sinne über den Gleichrichter 2 die
gleichgerichtete Summe
und über den Gleichrichter 3 im sperrenden Sinne die gleichgerichtete Differenz
ein. Im Ausführungsbeispiel liegen alle Stromvektoren k J mit dem zugehörigen
Leitungsstrom und alle Stromvektoren -
bzw. mit der Leitungsspannung in Phase. Man kann sie auch dagegen verdrehen, wenn
man alle Vektoren um den gleichen Winkel dreht.
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Bei der praktischen Ausführung wird man den Widerstand roo nicht unmittelbar
in den Zug der Leitung legen, sondern auf die Sekundärseite eines Stromwandlers,
und die Leitungsspannung wird man auf die Widerstände r bzw. R über einen Spannungswandler
zur Einwirkung bringen. Der Übersichtlichkeit halber ist aber in diesem und in folgenden
Ausführungsbeispielen dies nicht dargestellt. Es ist auch ferner die Anregung nicht
dargestellt, die bewirkt, daß erst bei Auftreten eines Kurzschlusses das vorher
stromlose Relais beaufschlagt wird.
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In Fig. q. ist das Vektordiagramm eines Relais .dargestellt, bei welchem
auf das Relais zusätzlich eine gleichgerichtete Größe einwirkt, die gleich .der
geometrischen Differenz aus einem dem Strom und einem der Spannung proportionalen
Vektor ist. In Fig. q: ist mit ki J ein stromproportionaler Vektor und mit
k, j ein anderer stromproportionaler Vektor bezeichnet, der zu dem ersten
um 9o° voreilend phasenverschoben ist. Ferner ist für eine willkürliche Lage der
Spannung der Vektor
dargestellt. Dann ergeben sich aus den Diagrammen die Vektoren
die j e für sich gleichgerichtet werden und auf das Relais im sperrenden Sinne einwirken.
Außerdem ist noch ein Vektor k3 j dargestellt. Dieser wird ebenfalls gleichgerichtet
und wirkt im auslösenden Sinne auf das Relais ein. Wählt man nun die Faktoren k
so, daß die Summe der Absolutbeträge von k1 und k2 gleich dem Absolutbetrag von
k3 ist, so erhält man, wie eine einfache Überlegung zeigt, als Ansprechkennlinie
des Relais eine Ellipse mit den Brennpunkten A und B,
die durch den
Koordinatenanfangspunkt geht, erhält also ein widerstandsabhängiges Relais mit Richtungsselektivität.
Tritt ein satter Kurzschluß in der Leitung auf, so ist der Vektor
gegenüber dem Vektor k,1 um den Kurzschlußwinkel cga der Leitung verschoben.
Die Lage dieses Vektors.
ist in der Figur gestrichelt dargestellt. Man erkennt, daß bei einem Kurzschluß
in einer Entfernung vom Relaisort, die der längsten vom Relais zu überwachenden
Leitungslänge entspricht (Schnitt der gestrichelten Vektoren
mit der Ellipse), auch bei einem Lichtbogenkurzschluß noch eine Auslösung erfolgen
kann; denn die Spannung am Lichtbogen kann bis zur Größe der Strecke a-b ansteigen,
bevor das Relais in die Sperrstellung übergeht. Es wird also durch diese Anordnung
erreicht, daß auch Lichtbogenfehler in der größten Entfernung, die das Relais überwachen
soll, noch abgeschaltet werden, und daß auch für andere Kurzschlußwinkel bis etwa
65° die gleiche Kennlinie benutzt werden kann, da auch bei anderen Kurzschlußwinkeln
noch eine gewisse Lichtbogenkompensation eintritt. Auch zeigt die Figur, daß bei
Lichtbogenfehlern in der Nähe der Sammelschienen eine Auslösung auch dann erfolgt,
wenn der Spannungsabfall am Lichtbogen gegenüber der y-Achse nach rechts verschoben
ist, was bei doppelter Einspeisung vorkommen kann.
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Auch die Ansprechkennlinie der Fig. q. kann man sich als Ansprechkennlinie
des Relais im Widerstandsdiagramm (RX-Diagramm) vorstellen unter Berücksichtigung
der entsprechenden Änderung des Maßstabes.
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Zu bemerken ist, daß es auf die Lage des Vektors k3 J
nicht
ankommt, da dieser für sich gleichgerichtet wird. Wesentlich ist, daß der Absolutbetrag
von k3 gleich der Summe der Absolutbeträge von k1 und k2 ist.
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Wie ein solches Relais geschaltet wird, zeigt schematisch Fig. 5.
r ist wieder das polarisierte Relais, 2, 3, q. und 5 sind Gleichrichter, und zwar
wirken die Gleichrichter 2 und q. im sperrenden, die Gleichrichter 3 und 5 im auslösenden
Sinne. Der Gleichrichter
z wird von der Wicklung 21 eines Wandlers
2o gespeist, der Gleichrichter 4 von der Wicklung 41 eines Wandlers 40, der Gleichrichter
3 von der Wicklung 31 eines Wandlers 3o und der Gleichrichter 5 von der Wicklung
51 eines Wandlers 5o. Die Wicklungen 42 und 32 derWandler 40 und 30 sind
in Reihe geschaltet und werden über einen Ohmschen Widerstand ioi vom Spannungsabfall
am Widerstand ioo gespeist. Die Wicklungen 22 des Wandlers 2o und die Wicklungen52
das Wandlers 5o sind ebenfalls in Reihe geschaltet und werden über einen Kondensator
io2 ebenfalls vom Spannungsabfall am Widerstand ioo gespeist. Der Wandler 3o besitzt
noch eine Wicklung 33, der Wandler 5o eine Wicklung 53. Diese Wicklungen sind in
Reihe geschaltet und werden über einen Widerstand y an die Leitungsspannung so angeschlossen,
daß die Amperewindungen der Wicklungen 33 bzw. 53 den Amperewindungen der Wicklungen
32 bzw. 52 entgegenwirken. Der Gleichrichter 3 richtet also die Größe
der Gleichrichter 5 die Größe
gleich, der Gleichrichter 2 dagegen die Größe k, j und der Gleichrichter
4 die Größe k2 J. Dadurch wird ohne besondere Hilfsmittel erreicht, daß die Summe
der Ströme der Gleichrichter 2 und 4 dem Absolutbetrag nach gleich k3
J ist.
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Um bei langen Hochspannungsfreileitungen den Einfluß des Lichtbogenwiderstandes
bei Fehlern, die in einer Entfernung auftreten, die gleich der maximal zu überwachenden
Leitungslänge ist, weitgehend verringern zu können, empfiehlt es sich, die Ellipse
so zu legen, daß im RX-Diagramm die Tangente, welche man parallel zur Koordinatenachse
an die Ellipse legt, von einer dazu parallelen Geraden, die durch den Schnittpunkt
der Ellipse mit einer um 85° gegen die R-Achse geneigten Geraden, die durch den
Koordinatenanfangspunkt geht, einen Abstand besitzt, der ungefähr 5 °/o der vom
Relais maximal zu überwachenden Leitungslänge beträgt. Dadurch wird erreicht, daß
bei langen Leitungen, bei denen der Kurzschlußwinkel 85° beträgt, der Einfluß des
Lichtbogenwiderstandes verringert wird, und daß, da man das Relais im allgemeinen
auf 8o bis 85 % der Länge der Leitung zwischen zwei Relaisstationen einstellt,
höchstens bei Fehlern in go °/o Abstand, die mit Lichtbogen auftreten, noch ein
Ansprechen des Relais erfolgen kann. Man muß dann, wie aus Fig.6 hervorgeht, die
Brennpunkte A und B der Ellipse so legen, daß der Brennpunkt A etwas links. von
der y-Achse, der Brennpunkt B etwas unterhalb der x-Achse liegt. Die Ellipse ist
in Fig. 6 wieder im Vektordiagramm der Ströme dargestellt. Bei einem satten Kurzschluß
auf der Leitung nimmt der Vektor
die dargestellte Lage ein. Man erkennt also, daß bei Lichtbogenfehlern in einer
Entfernung, die der maximal zu überwachenden Leitungslänge entspricht, noch ein
Spannungsabfall a- b am Lichtbogen auftreten kann und das Relais trotzdem auslöst.
Die Tangente t an der Ellipse liegt gegenüber der Geraden a - b um 5 °/o
der Strecke oal verschoben, so daß die Entfernung oa2 = 1,05 oal ist. Diese Aussage
bedeutet das gleiche, was vorhin über die Lage der Tangente im RX-Diagramm gesagt
worden ist. Die Schaltung für ein Relais, das eine solche Ellipse als Kennlinie
hat, zeigt Fig. 7. Soweit die Teile mit denen der Fig. 5 übereinstimmen, sind die
gleichen Bezugszeichen gewählt. Die Schaltung nach Fig 7 unterscheidet sich von
der Schaltung nach Fig. 5 dadurch, daß der Strom über die Wicklungen 42 und 32 durch
den Kondensator io3 parallel zum Widerstand ioi etwas kapazitiv gemacht worden ist,
während den Wandlern 2o und 50 über die Wicklungen 24 und 54 noch eine negative
Ohmsche Komponente hinzugefügt (Widerstand io5) wird, so daß man die gewünschte
Lage von k1 J und k2 J ,wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, erreicht.
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Es ist dabei nicht erforderlich, daß der Vektor k2 J
genau um
go° dem Vektor k1 J voreilt, sondern man kann auch eine kleinere oder größere
Voreilung zulassen, wenn man die Verhältnisse der anderen Werte entsprechend wählt.
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Eine andere Möglichkeit, wie man die Ellipse ausbilden und legen kann,
ist in Fig. 8 dargestellt. Hierbei sind die Absolutbeträge von k1 und k2 gleich
groß, ihre Phasenverschiebung beträgt wieder go°. Damit die Ellipse durch den Koordinatenanfangspunkt
geht, ist auch hier wieder die Summe der Absolutbeträge von k1 und k2 gleich dem
Absolutbetrag von k3 zu machen. Man bekommt hierdurch eine Ellipse, die durch den
Koordinatenanfangspunkt hindurchgeht, mit den Brennpunkten A und
B auf der y- bzw. negativen x-Achse. Die Ellipse besitzt eine Form, daß man
ein Relais erhält, welches in den in Frage kommenden linken oberen Quadranten annähernd
Impedanzeigenschaften besitzt und trotzdem Richtungsselektivität hat. Eine solche
Ansprechkennlinie ist insbesondere geeignet zum Schutz von Kabeln, die mit Kurzschlußdrosselspulen
ausgerüstet sind. Die Schaltung kann genau so ausgeführt werden, wie das Schaltbild
der Fig. 7 zeigt, nur sind die Übersetzungsverhältnisse der Stromwandler anders
zu wählen, damit man die Größen k1 und k2 gleichmachen kann. Selbstverständlich
kann man dies auch durch entsprechende Wahl der Widerstände ioi bzw. io2 erreichen.
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Es ist zur Erzielung eines Relais mit Impedanzcharakter nicht unbedingt
erforderlich, daß die Vektoren k, j und k2 J um genau go° verschoben
sind, sondern man kann auch einen etwas größeren oder kleineren Betrag zulassen,
auch müssen die Vektoren nicht unbedingt mit der y-bzw. x-Richtungzusammenfallen.
Wesentlich ist nur, daß in den linken oberen Quadranten die Ellipse sich möglichst
einem Kreisbogen nähert.
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Um den Einfluß des Lichtbogens bei Fehlern in einer Entfernung, die
gleich der maximal vom Relais zu überwachenden Leitungslänge ist, noch weiter zu
verringern, kann man auch die Ansprechkennlinie des Relais so legen, wie sie in
Fig. 9 dargestellt ist. Es sind hierbei die Absolutbeträge k1 und k2 verschieden
groß. Die Faktoren k1 und k2 sind um 18o° verschoben, und die Summe ihrer Absolutbeträge
ist kleiner als der Absolutbetrag von k3. Man braucht bei dieser Anordnung allerdings
ein zusätzliches Richtungsrelais, hat aber den Vorteil, daß man eine Ansprechkennlinie
bekommt, die sich aus einer angenäherten Reaktanz- und Impedanzkennlinie zusammensetzt,
wobei besonders
bei Fehlern in der vom Relais maximal zu überwachenden
Entfernung große Lichtbogenwiderstände bzw. Spannungsabfälle am Lichtbogen auftreten
können und das Relais trotzdem auslöst. Auch kann bei Lichtbogenfehlern am Leitungsanfang
bei zweiseitiger Speisung der Lichtbogenwiderstand bzw. die Spannung am Lichtbogen
gegenüber der y-Achse nach rechts verschoben sein.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Schaltung zeigt die Fig. io. Das Relais
i wird wieder von den Gleichrichtern 2 und q. im auslösenden und von den Gleichrichtern
3 und 5 im sperrenden Sinne beeinflußt. Jeder Gleichrichter wird von einer Wicklung
21 bzw. 31 bzw. 41 bzw. 51 erregt. Die Primärwicklungen ¢2 und 32 der Wandler 40
und 30 sind in Reihe geschaltet und werden über den Ohmschen Widerstand ioi
vom Spannungsabfall am Widerstand loo erregt, die Wicklungen 22 und 52 liegen ebenfalls
in dieser Reihenschaltung. Die Wicklung 52 ist jedoch so geschaltet, daß sie im
umgekehrten Sinne vom Strom durchflossen wird wie die Wicklung 32; ihre Windungszahl
ist im Verhältnis
gegenüber der von 32 vermindert. Außerdem besitzen die Wandler 30 und 5o
noch Wicklungen 33 und 53; die in Reihe geschaltet von der. Spannung erregt werden.
Statt die Wicklung 52 umzupolen, könnte man auch die Wicklung 53 umpolen. Die Windungszahlen
von 22 und 42 -sind so gewählt, daß ihre Summe im Verhältnis
größer als die von 32 ist.
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Während bei den bisherigen Ausführungsbeispielen die Auslösekennlinie
des Relais ein Kreis bzw. eine Ellipse war, kann man auch, um den Einfluß des Lichtbogenwiderstandes
auf das Auslösen des Relais zu verringern und trotzdem die Richtungsselektivität
beibehalten zu können, die Anordnung so treffen, daß eine eiförmige Kennlinie entsteht,
die durch den Koordinatenanfangspunkt geht, aber ein Stück aufweist, das nahezu
parallel zur y-Achse verläuft und rechts von der y-Achse noch ein größeres Stück
umfaßt als die Ellipse. Man erreicht dies dadurch, daß man das Relais ansprechen
läßt auf die Gleichung
wobei die Summe der Absolutbeträge von k1 und k2 gleich k3 ist, k1 und k2 um ungefähr
go° phasenverschoben sind, der Absolutbetrag von k1 größer als k2 ist und die Faktoren
cl und c2, die reelle Werte sind, voneinander verschieden sind, z. B. im Verhältnis
2 : i stehen. Eine solche eiförmige Kurve ist in Fig. ii dargestellt. Vom Vektor
kJ wird der Vektor
geometrisch subtrahiert, vom Vektor k2 J der Vektor
und die Nachrechnung zeigt, daß man dadurch die dargestellte eiförmige Kennlinie
als Ansprechkurve erhält, die von der x-Achse aus ein langes Stück annähernd senkrecht
nach oben verläuft. Die Schaltung für eine solche eiförmige Kennlinie kann dieselbe
sein wie in Fig. 7, nur mit dem Unterschied, daß die Windungszahlen der Wicklungen
33 und 53 im Verhältnis cl: c2 stehen. Das Schaltbild ist in Fig. i2 dargestellt.
Je nach Wahl der Lage und Größe der Stromvektoren und dem Verhältnis von c.: c2
kann die eiförmige Kurve beliebige Form annehmen. In Fig. ii ist das Verhältnis
von cl: c2 ungefähr zu i,8 gewählt worden.
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Zu erwähnen ist, daß bei allen Schaltbildern die Primärwindungszahlen
der Wandler, die also von den Strömen k J bzw.
durchflossen wurden, gleichgewählt sind und die Absolutbeträge der Faktoren durch
Anzapfungen bewirkt wurden. Man kann aber auch die Wandlerübersetzungsverhältnisse
Bleichlassen und die durch die Primärwicklungen der Wandler fließenden Ströme entsprechend
wählen.
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In Fig. 13 ist die Ansprechkennlinie eines Relais dargestellt,
die durch eine durch den Koordinatenanfangspunkt gehende Ellipse gebildet wird.
Ähnlich wie früher beim Konduktänzrelais sei wieder angenommen, daß das Relais so
eingestellt ist, daß es im stromlosen Zustand sich in der Auslösestellung befindet.
Dann würde im theoretischen Fall bei Werten von
, die außerhalb der Ellipse liegen, das Relais auf die andere Seite umschlagen,
sich also von der Auslösestellung in die Sperrstellung bewegen. Da aber zum Umlegen
des Relais eine bestimmte Kraft notwendig ist, wird dieses erst erfolgen, wenn die
gestrichelt dargestellte Ellipse überschritten wird. Es ergibt sich somit bei Fehlern
in der Nähe der Sammelschienen, daß das Relais in Rückwärtsrichtung eine gewisse
schädliche tote Zone besitzt, die, wie früher beim Konduktanzrelais erwähnt, von
der Größe der vom Relais zu überwachenden Leitungsstrecke abhängig ist. Um diese
zu vermindern, kann man auf das Relais noch einen zusätzlichen Richtungseinfluß
ausüben. Zu diesem Zweck kann man die gleichgerichtete Summe und die gleichgerichtete
Differenz aus einem dem Strom und einem der Spannung proportionalen Vektor je für
sich gleichrichten und ihre Differenz zusätzlich auf das Relais zur Einwirkung bringen.
Vorzugsweise wird man dabei einen weiteren Gleichrichter zwischen Relais und dieser
Differenzgröße solcher Durchlaßrichtung anordnen, daß nur dann, wenn die Differenz
sperrend wirkt, ein Einfluß auf das Relais ausgeübt werden kann. Besonders zweckmäßig
ist es, die Anordnung so zu treffen, däß Strom- und Spannungsvektor einen Winkel
von 9o° miteinander einschließen, wenn die Spannung und der Strom der Leitung einen
Winkel miteinander bilden, der gleich dem Winkel ist, den, die Tangente d an die
Ellipse im Koordinatenanfangspunkt mit der y-Achse einschließt. Bei dieser Wahl
des Winkels ergibt sich, daß eine sperrende Wirkung nur dann auftreten kann, wenn
der Vektor
aus der Halbebene heraustritt, die durch die Tangente d begrenzt ist und die Stromvektaren
k J enthält, d. h. gerade in dem Bereich, wo die sperrende Wirkung gebraucht wird,
daß aber die Form der Ellipse selbst wegen des vorhandenen Sperr-Bleichrichters
durch diesen zusätzlichen Richtungseinfluß nicht beeinflußt wird.
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Die Schaltung ist in Fig. 14 dargestellt. Zu den Gleichrichtern 2,
3, q. und 5, entsprechend Fig. 5, treten noch zwei weitere Gleichrichter 6 und 7,
1 zwischen denen und dem Relais i das Ventil 8 eingeschaltet
ist.
Der Gleichrichter 6 wird von der geometrischen Summe aus einem dem Strom und der
Spannung der Leitung proportionalen Vektor gespeist, der Gleichrichter 7 von der
Differenz der gleichen Werte. Zu diesem Zweck sind Wandler 6o und 7o vorgesehen.
Der Gleichrichter 6 ist an die Wicklung 61, der Gleichrichter 7 an die Wicklung
71 angeschlossen. Die Wicklungen 62 und 72 der Wandler werden in Reihe geschaltet
und über den Ohmschen Widerstand ioi vom Spannungsabfall am Widerstand ioo erregt,
die entgegengesetzt in Reihe geschalteten Wicklungen 63 und 73 werden über den Ohmschen
Widerstand io5 mit der parallel geschalteten Drosselspule io6 von der Leitungsspannung
erregt. Diese Widerstandskombination aus dem Ohmschen Widerstand 105 und der Drosselspule
io6 dient dazu, dem Strom in der Wicklung 63 bzw. 73 gegenüber dem Strom in der
Wicklung 62 bzw. 72 eine solche Phasenverschiebung zu- geben, wie sie- vorher als
zweckmäßig angegeben wurde, nämlich diese beiden Ströme sollen aufeinander senkrecht
stehen, wenn die Phasenverschiebung zwischen Leitungsstrom und Leitungsspannung
gleich ist dem Winkel, den die Tangente an die Ellipse im Koordinatenanfangspunkt
mit der y-Achse einschließt. Der spannungsabhängige Vektor des Richtungszusatzes
eilt zu diesem Zweck der Leitungsspannung nach, man könnte auch den stromabhängigen
Vektor des Richtungszusatzes voreilend machen. Die beiden Gleichrichter 6 und 7,
die entgegengeschaltet sind, liefern also nur dann einen Sperrstrom, wenn der Vektor
rechts der Tangente d liegt. Liegt die Spannung auf der linken Seite dieser Geraden,
dann erfolgt ein Auslösestrom durch den Richtungszusatz, der aber durch das Ventil
8 vom Relais ferngehalten wird. Man erreicht durch diesen Richtungszusatz eine Erhöhung
der Selektivität bei Fehlern in der Nähe der Station durch Verringerung der toten
Zone.
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Diesen Richtungszusatz durch die Gleichrichter 6 und 7 kann man auch
bei einem Konduktanzrelais oder einem sonstigen Mischrelais verwenden, sofern die
Ansprechkurve durch den Koordinatenanfangspunkt geht. Es würden dann z. B. bei der
Anordnung nach Fig. 3 die Wicklungen 23 und 33 in Fortfall kommen und dafür die
Gleichrichter 6 und 7 mit den Wandlern 6o und 7o und dem Ventil 8 hinzukommen. Hierbei
braucht der Strom in der Wicklung 63 gegenüber der Leitungsspannung nicht phasenverschoben
zu werden. Die Ströme in den Wicklungen 63 und 62 haben die gleiche Phasenverschiebung
wie die Spannung und der Strom der Leitung selbst.
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Einen solchen Richtungszusatz kann man auch bei der angegebenen Kennlinie,
die eiförmig ist, vorsehen. Auch hier wird man aber dann, ähnlich wie bei der Ellipse
in Fig. 13, den Richtungszusatz so wählen, daß Strom- und Spannungsvektor des Richtungszusatzes
eine Phasenverschiebung von 9o° besitzen, wenn Strom und Spannung der Leitung eine
Phasenverschiebung haben, die die Tangente im Koordinatenanfangspunkt an die eiförmige
Kurve mit der y-Achse einschließt.
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In dem Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß es sich um ein dynamometrisches
Relais mit permamenten Magneten handelt. Wie bereits eingangs erwähnt, kann an dessen
Stelle -auch ein konstant erregtes dynamometrisches Relais treten. oder auch ein
Röhrenrelais. Auch bei dem Röhrenrelais treten, wenn man es in stromlosem Zustand
auf Auslösung stellt, ähnliche Schwierigkeiten auf wie -beim- dynamometrischen Relais,
weil auch beim Röhrenrelais eine gewisse Gitterspannung überschritten werden muß,
um das Relais von der Auslösestellung in die Sperrstellung überzuführen.
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Bei allen bisherigen Ausführungsbeispielen wurde der spannungsabhängige
Vektor
in seiner Phasenlage so gelegt, daß er mit der Spannung U phasengleich ist. Ist
dies nicht der Fall; so sind die entsprechenden Stromvektoren k J entsprechend
zu verdrehen.