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Schutzschaltung für elektrische Maschinen in Verteilungsanlagen (Netzen)
mit selektiver Abschaltung Eine selektive Abschaltung in Störungsfällen kann man
durch Strom- oder Zeitstaffelung der einzelnen Abschaltungen erreichen. Die Stromstaffelung
erfordert es, daß die Höhe der auftretenden Ströme sich nach der Entfernung der
Störungsstelle einstellt. Dies ist in den üblichen Verteilungsanlagen sehr schwer
zu erfüllen und bei speziellen Anlagen, wie Bordnetzen, in denen wichtige und unwichtige
Verbraucher vorkommen, niemals zu erfüllen.
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Die Zeitstaffelung durch Auslöseverzögerungder Selbstschalter hat
bekanntlich den Nachteil, daß bei Kurzschließen unmittelbar hinter dem Schalter
die Überlastung der davorliegende n Leitungen, Geräte und nicht zuletzt der Stromerzeuger
erheblich anwächst. Der Schalter entfernt sich dadurch von seiner eigentlichen Aufgabe,
diese Überlastung zu verhindern.
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Ein weiterer Nachteil der Zeitverzögerung ist das Zusammenbrechen
der Spannung in der Anlage während der Dauer des Kurzschlusses. Bei Maschinen kehrt
die Spannung infolge der Ankerrückwirkung und der Zeitkonstanten der Maschine nach
der Abschaltung des Kurzschlusses nicht sofort in voller Höhe wieder. Außerdem gehen
während des Spannungszusammenbruchs die angeschlossenen Motoren in den Generatorbetrieb
über und liefern zusätzlich Strom in die Kurzschlußstelle. Die hierfür
notwendige
Arbeit entnehmen sie ihrem eigenen Schwungmoment und dem Schwungmoment der angekuppelten
Arbeitsmaschinen; dabei sinkt natürlich die Drehzahl ab. Mit der wiederkehrenden
Spannung wanden alle Motoren praktisch gleichzeitig wieder angelassen und erhöhen
somit die Belastung der Stromerzeuger nach dem Heraustrennen der Kurzschlußstelle
aus dem Netz.
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Die Zeitstaffelung kann daher nur ein Kompromiß zwischen überlastschutz
und selektiver Abschaltung sein, der um so besser ist, je kleiner die unumgänglichen:
Überlastungen der Anlage sind. Die Erfüllung dieser Forderung verlangt den Einsatz
von Schaltgeräten mit kurzzeitverzögerter Schnellauslösung. Für den zweckmäßigen
Einsatz derartiger Schaltgeräte ist es Voraussetzung, die Arbeitsweise kurzzeitverzögerter
Auslöser zu kennen, die zusätzlichen Anforderungen an sie zu präzisieren und sich
mit den durch sie bedingten Veränderungen der Auslösekennli:nien der Selbstschalter
vertraut zu machen..
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Es ist bekannt, daß der Aufbaueines Netzes mit selektiver Abschaltung
keine Schwierigkeiten bereitet, wenn Maschinen vorhanden sind, die den Belastungen,
bei den sich zwangsweise ergebenden Verzögerungszeiten, gewachsen sind.. Dies ist
im allgemeinen der Fall bei Drehstromgeneratoren und Drehstrom-Kurzschlußläufer-Motoren.
Schwieriger sind die Verhältnisse, wenn an dem Netz wichtige motorische Verbraucher
liegen, die über Anlaßvorrichtungen. angelassen werden müssen. Derartige Motoren
speisen im Kurzschlufifall generatorisch in das Netz zurück und liefern dabei Kurzschlußströme,
die im ersten Moment praktisch gleich dem Strom sind, den sie im Stillstand bei
direkter Einschaltung ohne Anlaß-w iderstände aufnehmen würden.
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In den üblichen Verteilungsnetzen und Verteilungsanlagen wurden die
Schnellauslöser der Motorschutzhalter bisher so tief eingestellt, daß sie gerade
noch den notwendigen Anlaßstrom zulassen. An sich hätte man also zu entscheiden:,
ob man eine wesentlich höhere Einstellung wählen. soll oder ob man darauf verzichten
soll, Motoren dieser Art bei schweren Netzstörungen in Betrieb zu halten. Diese
Überlegung gilt sowohl für Drehstrom-Schleifringläufer-Motoren als auch für Gleichstrommotoren.
Bei Gleichstrommotoren und auch Gleichstromgeneratoren kommt noch hinzu, -daß sie
bei hohen Strömen nur verhältnismäßig kurze Zeit ohne Kommutierungs.schwierigkeiten
in Betrieb gehalten werden können. Im allgemeinen können derartige Maschinen mit
dem acht- bis zehnfachem. Kurzschlußstrom belastet werden, wenn die Kurzschlußdauer
40 m/sec nicht überschreitet. Bei fünffachem Nennstrom kann sie z. B. 0,7 Sekunden
betragen. Wird diese Zeit überschritten, so tritt Kommutatorrundfeuer auf, und die
Maschine wird beschädigt oder fällt vollständig aus. Das bedeutet aber, daß in Gleichstromnetzen
bei schweren Netzstörungen der Schutz der Maschinen (Generatoren und Motoren) und
die Selektivität der Abschaltung im Netz miteinander bisher unvereinbar waren. Die
Erfindung zeigt einen Weg, wie man diese Schwierigkeiten mit verhältnismäßig einfachen
Mitteln umgehen kann.
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Die Schutzschaltung nach der Erfindung sieht einen Begrenzungswiderstand
bzw. eine Drossel für den, Maschinenkurzschlußstrom vor, der bei hohen Kurzschlußströmen
selbsttätig in die Zuleitung zu der elektrischen Maschine eingeschaltet und nach
einer vorher festgelegten, einstellbaren Zeit selbsttätig wieder kurzgeschlossen
wird. Die Anordnung wird vorzugsweise so getroffen, daß man in die Zuleitung zu
der Maschine zwei Schalter, vorzugsweise Selbstschalter, in Reihenschaltung legt,
von denen der erste kurzzeitverzögerte Schnellauslösung besitzt und den Schutz gegen
Überstrom und gegen mittlere Kurzschlußströme übernimmt, während der zweite Schalter
parallel zu dem erwähnten .Schutzwiderstand liegt, nicht verzögerte Schnellauslösung
besitzt und. bei hohen Kurzschlu,Bs.trömen seine Kontakte öffnet und damit den Begrenzungswiderstand
einschaltet. Der zu dem Begrenzungswiderstand parallel liegende Schalter wird zweckmäßig
mit einem Fernantrieb ausgerüstet, der nach dem Auslösen eine selbsttätige Wiedereinschaltung
nach Ablauf einer vorher eingestellten Zeit vornimmt. Dient hierzu ein Motorantrieb,
so muß dieser weitgehend spannungsunabhängig sein.
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Für mehrere gleichrangige Maschinen kann ein mehrpoliger Selbstschalter
verwendet werden. Bei Anwendung der Schutzschaltung nach der Erfindung auf Anlagen
mit kleineren Motoren kann es zweckmäßig sein, die Schnellauslösung des ersten Schalters
mit einer zusätzlichen nicht verzögerten Schnellauslösung zu versehen, die so eingestellt
wird, daß der Schalter (Selbstschalter) beim zehnbis fünfzehnfachen Nennstrom anspricht;
dadurch wird erreicht, daß bei einem Kurzschluß am Motor dieser Schalter sofort
abschaltet. Unter kleineren Motoren sind hier Motoren zu verstehen, deren Leistung
im Verhältnis zur Netzleistung klein ist. Fig. i zeigt ein Ausführungsbeispiel für
die Schutzschaltung nach der Erfindung, bei dem die empfindlichen und wichtigen
Maschinen außer über einen mit thermischer und kurzzeitverzögerter Schnellauslösung
versehenen Schalter, der z. B. ein Selbstschalter, ein Schnellschalter od. dgl.
sein kann, noch über einen zweiten, mit diesem in Reihe liegenden Schalter (Selbstschalter)
mit nicht verzögerter Schnellauslösung angeschlossen sind, zu dem ein Begrenzungswiderstand
parallel gelegt ist.
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Fig. a zeigt den Verlauf der Ströme für den Fall eines Fehlers in
der Maschine M3 oder in unmittelbarer Nähe dieser Maschine. Diese Figur zeigt ferner
an Hand eines Diagrammes den Verlauf des Abschalt- und Wiedereinschaltvorganges
der einzelnen Schalter sowie den Verlauf der Ströme in Abhängigkeit von der Zeit
in. Millisekunden (m/sec). Bei Eintritt des Kurzschlusses am Motor M3 tritt zunächst
ein hoher Kurzschlußstrom auf (Punkt i), der jedoch sofort durch den zweiten Schalter
Sch 32 auf den parallel liegenden Widerstand R3 kommutiert wird und
damit nach 30 m/sec auf den durch diesen Widerstand gegebenen
Wert
abklingt. Wählt man die Größe dieses' Parallelwiderstandes, so, daß er den Maschinenstrom
auf etwa den rei- bis vierfachen Wert begrenzt, so wird praktisch der schwere Netzkurzschluß
in einen für die Maschinen erträglichen, begrenzten Kurzschluß umgewandelt, der
jetzt durch die davorliegenden Schutzschalter in der für das selektive Schalten
erforderlichen Reihenfolge unterbrochen wird. Der zu dem Widerstand parallel liegende
Schalter wird mit Fernantrieb versehen, der eine selbsttätige Wiedereinschaltung
nach einer eingestellten Zeit vornimmt. .Die Wiedereinschaltzeit des Schalters Sch32
muß dabei größer sein als die Abschaltzeit des zugehörigen Schutzschalters
Sch 31. Selbstverständlich müssen alle wichtigen Motoren (s. auch Fig. 3/Motoren
M i, M2 und M3) über Selbstschalter mit kurzzeitverzögerter Schnellauslösung angeschlossen
werden, da sie sonst beim ersten Stromstoß abschalten würden. Daraus ergibt sich
zwangläufig, daß zur Wahrung der weiteren Selektivität die Verzögerungen der davorliegenden
Schalter, das ist bei dem hier gezeigten Beispiel der Generatorschalter, um eine
Stufe höher in ihrer Verzögerungszeit eingestellt werden müssen. Dies ist,bei der
Schutzschaltung nach der Erfindung möglich, ohne die Belastungsgrenze der Maschinen
zu überschreiten, weil die Kurzschlußströme jetzt begrenzt sind.
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Durch Staffelung der Wiedereinschaltzeiten entsprechend dem eingestellten
Ausschaltverzug der vorherliegenden Schalter erreicht man weiterhin, -d-aß nach
Wiederkehr der Spannung ein stufenweises Wiederanlassen des Netzes erfolgt. Dieses
stufenweise Anlassen ist ebenfalls aus Fig.2 ersichtlich (Punkte q., 5 und 6). Die
erste Anlaßstufe beginnt im Augenblick des Heraustrennens der Kurzschlußstelle,
die zweite Anlaßstufe beim Kurzschließen der Vorwiderstände für die Motoren, -die
dritte Stufe mit dem Kurzschließen des Vorwiderstandes des Generators; es bedeutet
also: Punkt i Eintritt des Kurzschlusses bei Motor M3, Punkt2: Abschalten, der SchalterSchG,
Sch22, Sch32 und Punkt 3:. Abschalten des Schalters Sch31.
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Bei Kurzschlußströmen, die durch Lichtbogen begrenzt und infolgedessen
für die Maschinen ungefährlich sind, braucht die Vorschaltung der Widerstände nicht
zu erfolgen. Den Einsatzstrom, bei dem die Begrenzung beginnen soll, kann man durch
entsprechende Einstellung der Schnellauslöser frei wählen. Als Normaleinstellung
für die Motorschalter sollte man praktisch einen Wert wählen, der kurz über den
normal zu erwartenden Anlaßstromspitzen bzw. Wiederanlaßstromspitzen liegt. (Beim
selbsttätigen Wiederanlassen sind die üblichen Anlasser kurzgeschlossen.) Motoren,
die für den Betrieb weniger wichtig sind (bei dem Beispiel der Fig.3 M4. und M5),
können an ein derartiges Netz in der üblichen Weise über Selbstschalter mit nicht
verzögerten Schnellauslösern angeschlossen werden. Diese Selbstschalter fallen dann
bei schweren Netzstörungen durch den Rückspeisestrom des eigenen Motors heraus und
schalten die weniger wichtige Last ab. Durch diese Maßnahme wird der Wiederanlauf
des Netzes erleichtert. Die Schutzschaltung nach der Erfindung kann man auch in
Netzen für D.rehstrommotoren, vorzugsweise Schleifringläufermotoren, anwenden. In
diesem Fall sind 'Drosseln an Stelle der Parallelwiderstände vorteilhafter.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 sind dire zweiten Schalter
mechanisch gekuppelt, diese Kupplung kann auch lose sein, wobei unter »loser Kupplung«
eine solche zu verstehen ist, bei der nur eine gemeinsame Einschaltbewegung für
alle Schalter ausgeführt wird, aber eine voneinander unabhängige Auslösung beim
Ausschalten der einzelnen Schalter möglich ist.