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Einrichtung und Verfahren zur Vorausbestimmung der Kurzschlußstromstärke
Bei
der Planung und Erweiterung von elektrischen Schalt- und Verteilungsanlagen ist
die Kenntnis der bei einem satten Kurzschluß an der für die Anlage vorgesehenen
Stelle des Netzes zu erwartenden Stromstärke von großer Bedeutung für die Auswahl
der Schaltgeräte hinsichtlich deren Schaltleistung, ebenso für die Auswahl anderer
Geräte, wie Stromwandler, Meßgeräte, Kabelendverschlüsse, Trennschalter, Isolatoren,
thermischer und magnetischer tberstromauslöser usw., hinsichtlich deren thermischer
und elektrodynamischer Kurzschlußfestigkeit. In explosions- und schlagwettergefährdeten
Anlagen ist abgesehen davon diese Kenntnis sogar von entscheidender Bedeutung für
die Betriebssicherheit. Es ist bekannt, daß man in elektrischen Niederspannungsanlagen
und Hochspannungsanlagen mäßiger Spannung, insbesondere wenn sie keine Freileitungen
enthalten, die Kurzschlußstromstärke an einem Netzpunkt mit genügender Genauigkeit
errechnen kann.
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Maßgebend hierfür ist der Spannungsabfall, der in den Zuleitungen
zu diesem Punkt einschließlich zwischengeschalteter Transformatoren usw. durch eine
beliebige, z. B. die Betriebsstromstärke des betreffenden Abzweiges erzeugt wird,
und zwar ist die bei sattem Kurzschluß, unter Voraussetzung starrer Generatorspannung,
auftretende Stromstärke an diesem Punkte
gleich der Betriebsstromstärke,
multipliziert mit dem reziproken Wert des prozentualen Spannungsabfalles. Ist z.
B. die Betriebsstromstärke 200 A und tritt bei dieser Stromstärke in den Zuleitungen
ein Spannungsabfall von 2 01o auf, so ergibt sich der Kurzschlußstrom als sofacher
Wert des Betriebsstromes zu IOOOO A.
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Um die Kurzschlußstromstärke vorauszubestimmen, kann man die beim
Zuschalten von Wfrklast auftretende Spannungsänderung mittels eines Spannungsmessers
mit stark unterdrücktem Nullpunkt messen und diese Messung zur Berechnung der Kurzschlußstromstärke
benutzen.
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Es sei J2 der Strom mit zugeschaltetem Widerstand W2, 11% der Widerstand
der Zuleitungen, U0 die starre Generatorspannung, U1 die Spannung an der Meßstelle
vor dem Zuschalten des Widerstandes, U2 die Spannung an der Meßstelle nach dem Zuschalten
des Widerstandes, /1 U die Spannungsänderung U1-U2, #U% % die prozentuale Span-U1-U2
nungsänderung .
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U1 Daraus ergibt sich: 100 # #U #U% = und #U% # U1 #U = 100 Hieraus
erhält man Uo U0 zu J2 J U @ (1) Man kann also aus der Messung von J2, U1 und l'2
den Kurzschlußstrom berechnen. Benutzt man einen Spannungsmesser, welcher die prozentuale
Spannungsänderung anzeigt, so kann man wegen des geringen Unterschiedes zwischen
50 und U1 auch setzen: JK = (1a) #U und damit 100 # J2 JK = (2) Nach Messung von
J2 und #U% läßt sich der Kurzschlußstrom aus dieser Gleichung berechnen.
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Um diese Rechnung zu ersparen, dadurch Fehlerquellen zu vermeiden
und die Kurzschlußstrommessung auch für ungelerntes Personal möglichst einfach zu
gestalten, wird gemäß der Erfindung von der Anwendung eines Prozentspannungsmessers
und eines Strommessers für J2 ausgegangen und eines der beiden Meßinstrumente in
besonderer Weise geeicht.
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Entweder wird der Spannungsmesser derart geeicht, daß bei bestimmten,
durch Ändern des Widerstandes 11% gewählten Stromstärken J2 am Spannungsmesser die
zugeordneten Kurzschlußstromstärken JK angezeigt werden, die sich aus der Formel
(2) ergeben.
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Es kann auch statt dessen der Strommesser so geeicht werden, daß bei
bestimmten, durch Änderung des Widerstandes W2 gewählten Spannungsänderungen #U%
die zugeordneten Kurzschlußstromstärken JK vom Strommesser angegeben werden.
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Hierzu wird in Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise die Skala
des Strommessers bei bestimmten Stromstärken, beispielsweise bei 200 A, mit einer
Marke versehen und dieser Marke die Skala des Spannungsmessers zugeordnet, welche
nun mit den entsprechenden Kurzschlußstromwerten versehen wird. Beispielsweise wird
an dem Skalenpunkt 2 Ojo der Wert I0000 A, bei 5 % 4000 A usw. eingetragen.
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Diese Werte geben jeweils die an der Meßstelle im Netz zu erwartenden
Kurzschlußstromstärken an.
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Wird nun der Widerstand W so gewählt, daß der Zeiger auf einer bestimmten
Marke stehenbleibt, so läßt sich an dem umgeeichten Spannungsmesser auf der jener
Marke zugeordneten Skala unmittelbar die Kurzschlußsftomstärke ablesen, also im
obigen Beispiel bei Einstellung auf die dem Stromwert von 200 A zugeordnete Marke
am Strommesser die Kurzschlußstromstärke von I0000 A am Spannungsmesser. Hieraus
ergibt sich, daß es für die Messung nicht erforderlich ist, die Größe des jeweils
eingestellten Widerstandes selbst zu kennen. Es kann vielmehr mit jedem geeigneten
Einstellwiderstand auch durch nicht fachmännisch gebildete Kräfte ohne Rechnung
auf eine an dem einen Meßinstrument angebrachte Marke eingestellt und am anderen
Meßinstrument die Kurzschlußstromstärken unmittelbar abgelesen werden.
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Zur Erleichterung derartiger Messungen an einer beliebigen Netzstelle
werden weiterhin in Ausgestaltung der Erfindung die Meßgeräte und Widerstände zu
einer ortsbeweglichen Meßeinrichtung zusammengefaßt, welche gegebenenfalls auch
die Schalter und Überstromschutzeinrichtungen enthalten kann.
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Man kann zur Ausführung der Kurzschlußstrommessung nach der Erfindung
unter Umständen auch den Strommesser ganz fortlassen. Die Meßeinrichtung wird dann
besonders einfach und handlich.
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Hierzu geht man von folgender tberlegung aus: Wird der Spannungsmesser
so eingestellt, daß er die prozentuale Spannungsänderung, bezogen auf die sich nach
dem Zuschalten des Widerstandes ergebende Spannung C,T2, also den Wert #U/U2 100
=2U% angibt, so ergibt sich, da #U%=U2/U0 U2/U0 # #2U%, nach Gleichung (z) 100.
U0 I JK = # # (3) W2 #2U% Danach ist es also möglich, durch Zuschalten bekannter
Widerstände W2 bei geeigneter Eichung des Spannungsmessers an dessen Ausschlag unmittelbar
die einer bestimmten Generatorspannung U0 entsprechende Kurzschlußstromstärke abzulesen.
In den meisten Fällen genügt es für die erforderliche Genauigkeit, die etwas bequemere
Einstellung des Spannungsmessers auf die an der Meßstelle vor dem Zuschalten des
Widerstandes auftretende Spannung U1 vorzunehmen, die sich beim Zuschalten verschiedener
Widerstände nicht ändert. Wählt man als Bezugs-
spannung der prozentualen
Spannungsänderung einen Mittelwert der in dem betreffenden Netz an den für die Messung
in Frage kommenden Verteilungspunkten herrschenden Betriebsspannungen U,, so ist
der Spannungsmesser für das betreffende Netz ein für allemal eingestellt.
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Um die Widerstände möglichst wirtschaftlich auslegen und auf geringem
Raum unterbringen zu können, werden sie gemäß der Erfindung für kurzzeitige Belastung
ausgelegt, da jede Messung nur einige Sekunden dauert. Um Überlastungen zu vermeiden,
werden der oder die Zuschalter oder Umschalter als Überstromselbstschalter mit Freiauslösung
ausgebildet, z. B. als Kleinselbstschalter mit Wärmeauslöser, die z. B. für 25 A
Nennstrom ausgelegt sind und beim Durchgang eines Mehrfachen dieser Stromstärke
in einigen Sekunden auslösen.
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Ausführungsbeispiele eines Meßgerätes nach der Erfindung sind in
den Fig. I bis 3 schematisch dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Skala eines Spannungsmessers
mit stark unterdrücktem Nullpunkt, die unmittelbar in Kurzschlußstromstärken geeicht
ist.
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Die Meßeinrichtung nach Fig. 1 enthält einen Spannungsmesser c mit
stark unterdrücktem Nullpunkt, der in a u o/O geeicht und zwischen zwei Anschlußklemmen
a und b geschaltet ist. Diese Anschlußklemmen werden für die Messung an dem betreffenden
Punkt des Netzes durch Leitungen r, s mit den Netzphasen R, S verbunden. Über einen
zweipoligen Schalter d kann ein Regelwiderstand e zugeschaltet werden, der dem Widerstand
W2 entspricht. Die durch den Widerstand e fließende Stromstärke wird durch einen
besonderen Strommesser f gemessen. Die Einrichtung kann auf einer gemeinsamen Grundplatte
oder in einem gemeinsamen Gehäuse p zusammengebaut sein.
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Vor dem Zuschalten des Widerstandes e liegt der Spannungsmesser c
an der Betriebsspannung U, der betreffenden Netzstelle, gegebenenfalls muß er in
bekannter Weise so eingestellt werden, daß sein Zeiger bei dieser Spannung auf o
°/0 Spannungsänderung weist.
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Nach Einschalten des Schalters d wird nunmehr der Widerstand e so
eingeregelt, daß der Spannungsmesser c einen bestimmten Wert der prozentualen Spannungsänderung
anzeigt, der ein für allemal durch eine Marke gekennzeichnet sein kann. Am Strommesser
würde dann normalerweise der im Widerstand fließende Strom ablesbar sein. Da der
Strommesser jedoch entsprechend der Gleichung (2) in Kurzschlußstromstärken geeicht
ist, zeigt er unmittelbar die Kurzschlußstromstärke an.
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Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zur Kurzschlußmessung nach Gleichung
(2). Als Zuschaltwiderstand entsprechend W2 sind drei feste Widerstände i, k, m
von bekannten Ohmwerten eingebaut, die wahlweise durch einen Umschalter h und einen
Zuschalter g in den Meßkreis eingeschaltet werden können. Da die Werte U0 und W2
bekannt sind und der Wert J U °lO oder J2U 0!o durch den Spannungsmesser c beim
Zuschalten gemessen wird, kann der Spannungsmesser selbst entsprechend Fig. 4 unmittelbar
in Kurzschlußstromstärken geeicht sein. Bei der Messung wird man also zunächst den
Widerstand m mit dem höchsten Ohmwert einschalten und sodann, wenn der Ausschlag
des Spannungsmessers zu gering ist, auf die Widerstände k oder i umschalten, bis
man einen gut ablesbaren Wert der Kurzschlußstromstärke am Spannungsmesser erzielt
hat.
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Bei der Einrichtung nach Fig. 3 sind als Widerstände W2 drei oder
mehr Widerstände o von unter sich gleichem oder verschiedenem Ohmwert eingebaut,
die wahlweise durch Überstromselbstschaltern zugeschaltet werden können. Die Widerstände
o sind nur für eine kurzzeitige, der Meßdauer entsprechende Belastung ausgelegt,
und die Wärmeauslöser der Überstromselbstschalter n sind so eingestellt, daß sie
innerhalb einer Zeit auslösen, während deren die Widerstände o keine gefährlichen
Temperaturen annehmen können. Wählt man z. B. als Zuschalter Kleinselbstschalter
für 25 A Nennstrom und die Widerstände o zu je IO Ohm bei einer Betriebsspannung
von 500 V, so fließt nach dem Zuschalten jedes Widerstandes o durch jeden Kleinselbstschalter
n ein Strom von 50 A. Bei diesem Strom lösen die Selbstschalter erst nach einer
Zeit aus, während der mehrere Messungen ausführbar sind.
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PATENTANSPROCHE: I. Verfahren zur Vorausbestimmung der Kurzschlußstromstärke
in elektrischen Netzen unter Messung der beim Zuschalten von Widerstand auftretenden
prozentualen Änderung (d U 0/o) der Netzspannung (UO) mittels eines Spannungsmessers
mit stark unterdrücktem Nullpunkt, gekennzeichnet durch die Verwendung eines derart
geeichten Spannungsmessers (c), daß bei bestimmten, durch Ändern eines Widerstandes
(W2) gewählten Stromstärken (J2) der Spannungsmesser die zugeordneten Kurzschlußstromstärken
(Jg) nach nach der Beziehung J 100 anzeigt.
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2. Verfahren zur Vorausbestimmung der Kurzschlußstromstärke in elektrischen
Netzen unter Messung der beim Zuschalten von Widerstand auftretenden prozentualen
Änderung (d U 0/0) der Netzspannung (UO) mittels eines Spannungsmessers mit stark
unterdrücktem Nullpunkt, gekennzeichnet durch die Verwendung eines derart geeichten
Strommessers (f), daß bei bestimmten durch Ändern eines Widerstandes (W2) gewählten
Spannungsänderungen (d U 0/0) der Strommesser die zugeordneten Kurzschlußstromstärken
(J) nach der Beziehung JX = IOO ZU z anzeigt, dU% wobei J2 der beim Widerstandswert
W2 auftretende Prüfstrom ist.