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Distanzschutzeinrichtung Die Erfindung betrifft eine Distanzschutzeinrichtung,
bei der als Impedanzmeßglied ein Relais dient, das abhängig vom Leitungsstrom und
von der Leitungsspannung nach erfolgter Gleichrichtung im entgegengesetzten Sinne
erregt wird. Die Entwicklung derartiger schnell arbeitender Impedanzrelais hat neuerdings
zu Eigenzeiten geführt, die z. B. bei Verwendung in Bahnstromnetzen mit 16 2;3 Hz
kleiner sind als eine Halbwelle. Es erhebt sich daher die Frage, inwieweit die Messung
dann noch der tatsächlichen Impedanz des kurzgeschlossenen Leitungsstückes entspricht,
da j a die zur Quotientenbildung benutzten Größen U und J nicht mehr
über eine volle Periode integriert werden und zudem der zusätzliche Einfluß eines
mehr oder weniger großen abklingenden Gleichstromgliedes im Kurzschlußstrom berücksichtigt
werden muß. Die Erfindung bezweckt auch, unter solchen Umständen eine einwandfreie
Messung zu erzielen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß dem Stromsvstern
des Relaisstromkreises der Spannungsabfall an einem Shunt zugeführt wird, der sich
nach genau den gleichen Gesetzmäßigkeiten aufbaut wie die primäre Spannung aus dem
Primärkur7schlußstrom, indem als Shunt eine Reihenschaltung eines induktiven und
eines Ohmschen Widerstandes mit einem Verhältnis X/R vorgesehen ist, das gleich
dem Verhältnis X,/R, der induktiven und Ohmschen Widerstände der Leitung ist.
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Die primäre Spannung aus dem Primärkurzschlußstrom ist vollständig
unabhängig von der Kurvenform des Kurzschlußstromes, und zwar ist U=J-R -f-L-dJ/dt.
Sie
setzt sich also aus einem Anteil zusammen (1-R), der genau der Kurvenform des Stromes
entspricht, und einem zweiten Anteil, der dem Differentialquotienten des Stromes
nach der Zeit proportional ist. Das Verhältnis dieser beiden Anteile ist durch das
Verhältnis LilRi, die Zeitkonstante des Kurzschlußstromkreises, gegeben. Legt man
nun den im sekundären Stromkreis liegenden Shunt mit dem gleichen Verhältnis L/R
aus, so wird die an ihm abgreifbare, dem Kurzschlußstrom proportionale Meßspannung
nach genau den gleichen Gesetzmäßigkeiten aufgebaut wie die primäre Spannung, die
über den Spannungswandler der anderen Seite der Gleichrichterbrückenschaltung zugeführt
wird. Die beiden Seiten der Brücke erhalten also genau form- und phasengleiche Meßgrößen,
die beim eingestellten Ansprechwert jederzeit gleich große Augenblickswerte aufweisen
und damit auch stets gleichzeitig den Wert Null durchlaufen. Damit und nur damit
wird das Ergebnis der Quotientenmessung vollkommen unabhängig von der Dauer der
Integrationsperiode, die also unbeschadet der Meßgenauigkeit nur Bruchteile einer
Halbwelle zu betragen braucht. Bei j edenanderen Auslegung des Strom-Shunts genügt
nicht einmal eine Integration über eine Halbwelle, sondern es muß dabei mindestens
über eine volle Periode (= 6o ms bei 16 2l3 Hz) integriert werden.
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In der Zeichnung ist zunächst in Fig. i die tatsächliche Meßanordnung
an einem einphasigen Kreis, z. B. einer r5-kV-Fahrleitung, dargestellt, wobei der
Shunt gemäß der Erfindung mit einem Verhältnis X,IR = X1lRi ausgelegt ist.
Um die folgenden graphischen Darstellungen nicht mit unnötigen Konstanten bzw. Meßstabfaktoren
zu belasten, sei ein Übersetzungsverhältnis der Strom- und Spannungswandler von
i : i angenommen, so daß diese gemäß Fig. -2 überhaupt fortfallen können. Auf der
Leitung mit einem Kurzschlußwinkel von q.5° sei ein Fehler in der Entfernung i Ohm
angenommen, wobei der Gleichgewichtspunkt der Impedanzmeßbrücke auf ebenfalls i
Ohm eingestellt sei. Der Verlauf der Meßgrößen für zwei verschiedene charakteristische
Einschaltmomente des Kurzschlußstromes über die erste volle Periode ist in den Fig.
3 a bis g a bzw. 3 b bis gb dargestellt. Inder nachfolgenden Beschreibung wird nur
auf die Fig. 3 a bis g a eingegangen. Die Fig. 3b bis gb sind damit ohne weiteres
verständlich.
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Zunächst zeigt Fig. 3 a den Verlauf des Wechselstromanteiles I" und
des dem Schaltmoment entsprechenden überlagerten Gleichstromgliedes j8. Das letztere
ist der einfacheren graphischen Differentierbarkeit wegen in der ersten Periode
als linear abklingend angenommen, was ohne Einfluß auf das qualitative Ergebnis
der weiteren Darstellung ist. Fig. 4.a zeigt den Verlauf des Gesamtkurzschlußstromes
J = 1w + J, In Fig. 5a ist der Ohmsche Spannungsabfall dieses Stromes dargestellt,
der natürlich in Phase mit J ist. Er ist entsprechend der angenommenen Kurzschlußimpedanz
von i Ohm und dem Phasenwinkel von q.5° (R = 0,7 Ohm) jedoch nur mit 70 °/o der
Amplituden des Stromes J aufgetragen, um unmittelbar vergleichbare Ergebnisse für
die Amplituden im Strom- und Spannungspfad des Relais zu bekommen. Das gleiche gilt
für die in Fig. 6a dargestellten induktiven Spannungsabfälle L - d Jwldt
und L - d J9ldt. Den Verlauf der Gesamtspannung am Relaiseinbauort zeigt
dann Fig. 7 a als Addition der Teilspannungen aus Fig. 5a und 6a. Da im Spannungspfad
des Relais Ohmsche Widerstände liegen, folgt auch die spannungsseitige Beaufschlagung
der Brücke nach der Gleichrichtung genau diesem Verlauf (Fig. 8a).
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Nimmt man nun im Strompfad entsprechend der herkömmlichen Auslegung
einen rein Ohmschen Shunt von i Ohm an (oder einen kleinen Zwischenstromwandler,
der auf einige Milliampere Meßstrom übersetzt); so ergibt sich die stromseitige
Beaufschlagung der Brückenanordnung nach der Gleichrichtung (J=) unmittelbar aus
Fig. q.a.
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Man erkennt aus Fig. 8 a, daß die Strom- und spannungsseitige Beaufschlagung
der Brücke weder Phasen- noch amplitudengleich ist; obwohl der Kurzschluß an der
nominellen Ansprechgrenze vorausgesetzt wurde. Für ein Zeitintervall von mindestens
2l3 einer Halbwelle überwiegt die Beaufschlagung der Stromseite erheblich, so daß
ein sehr schnell arbeitendes Meßglied fälschlicherweise ansprechen könnte. Bei dieser
Auslegung der Meßanordnung müßte die Eigenzeit des Meßgliedes mindesten zwei Halbwellen
(= 6o ms bei 15 2J3 Hz) betragen. Eine Integration über nur eine Halbwelle würde
noch nicht ausreichen, denn aus Fig. 8 a geht deutlich hervor, daß in der einen
Halbwelle der Stromeinfluß überwiegt und in der anderen Halbwelle der Spannungseinfluß.
Ein Ausgleich erfolgt erst nach Integration über eine volle Periode.
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Die Verhältnisse ändern sich grundlegend, wenn für den Anschluß der
Stromseite des Relais der erfindungsgemäß ausgelegte Impedanz-Shunt verwendet wird,
der zu gleichen Teilen wie die primäre Leitungsimpedanz aus Blind- und Wirkwiderständen
besteht. In diesem Falle folgt die Spannung am Shunt nicht. mehr der Stromkurve
nach Fig. 4.a, sondern genau der Spannungskurve nach Fig. 7a, die auch am Eingang
der anderen Brückenseite liegt, da sie sich zu gleichen Teilen wie die Spannung
U aus einer Wirkkomponente J - R und einer Blindkomponente L - djldt zusammensetzt
(Fig.5a bis 7a). Die Brücke ist daher stets auf beiden Seiten mit genau gleichphasigen
Meßgrößen beaufschlagt, die bei Kurzschlüssen an der eingestellten Ansprechgrenze
außerdem stets gleich große Augenblickswerte besitzen. Die beiden Kurven der Meßgrößen
U= und J= in Fig. 8 a kommen daher gemäß Fig. ga vollständig zur Deckung. Damit
ist das Ergebnis der Quotientenmessung vollständig unabhängig von der Dauer der
Integrationsperiode, auch wenn diese noch so klein ist.
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Bei Verwendung eines Impedanz-Shunts, und nur in diesem Falle, entspricht
also das Verhältnis zusammengehörigerAugenblickswerte derMeßgrößen U= und J= in
jedem Moment der Periode genau dem Verhältnis der Effektivwerte von U und
J, also der Impedanz Z. Nur wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, darf die
Dauer der Integrationsperiode beliebig kleiner sein als eine Halbwelle. In jedem
anderem Falle muß das Meßglied über mindestens zwei Halbwellen
integrieren.
Seine Eigenzeit darf dann z. B. bei 16 2/3 Hz keinesfalls kleiner sein als 6o ms.