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Einrichtung zum Messen der Fehlerortsentfernung bei Kurzschlüssen
von Leitungen
An den modernen Kurzschluß schutz ist die Forderung gestellt, daß er
die schadhaften Kabel- oder Leitungsstrecken schnellstmöglich abschaltet, um Schäden
klein zu halten. Deshalb werden die Schutzrelais so gebaut, daß die Abschaltung
von Fehlern über den größten Teil der Strecke innerhalb einer Zeitspaime von weniger
als O,I Sekunde erfolgt.
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Es ist jedoch auch hierbei noch erwünscht, gleichzeitig mit der Abschaltung
der fehlerbehafteten Leitungs- oder Kabelstrecke die Entfernung des Fehlerortes
zu kennen. Bei der schnellen Arbeitsweise moderner Schutzrelais ist es jedoch nicht
mehr möglich, aus der Arbeitskennlinie der Relais Schlüsse auf die Fehlerortsentfernung
zu ziehen, die Zeit der Abschaltung reicht auch nicht mehr aus, um besondere Meßinstrumente
od. dgl. zu betätigen.
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Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten wird nach einem anderweitigen
Vorschlag der im Augenhlick des Fehlerfalles im Strom- und im Spannungspfad der
kranken Leitung vor deren Abschaltung bestehende Zustand in Speicherkondensatoren
zur nachträglichen Auswertung gespeichert.
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Hierzu wird ein dem Leitungsstrom proportionaler Strom zur Ladung
eines Kondensators und ein der Spannung proportionaler Strom zur Ladung eines zweiten,
vom ersten unabhängigen Kondensators verwendet und nach erfolgter Auslösung der
Schutzeinrichtung die Kondensatorspannungen jeweils durch gesonderte Röhrenmeß geräte
gemessen.
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Da diese einerseits dem Leitungsstrom und ande-
rerseits
der Spannung des fehlerhaften Leitungsabschnittes proportional sind, kann aus beiden
Größen die Impedanz der Leitungsstrecke zwischen Meßort und Fehlerort und daraus
wiederum die Fehlerortsentfernung rechnerisch ermittelt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine unmittelbare Erfassung des
Fehlerortes ohne Rechenoperationen mit einfachen Mitteln und unter Vermeidung von
Röhrenmeßgeräten od. dgl. zu ermöglichen.
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Die Lösung besteht darin, daß eine Anzahl von jeweils einer bestimmten
Fehlerortsentfernung zugeordneten gleichen Speicherkondensatoren vorgesehen ist,
die der Reihe nach mit ihrem einen Belag an ein von dem einen Pfad abgeleitetes
Potential oder Potentialgefälle und mit ihrem anderen Belag an ein von dem anderen
Pfad abgeleitetes gegensinniges Potentialgefälle angeschlossen sind, und daß jeweils
die beiden benachbarten Speicherkondensatoren als Kenngrößen für den Fehlerort dienen,
deren Polarität voneinander verschieden ist.
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Für die Speicherung des vor dem Abschalten bestehenden Zustandes
wird die Zeit ausgenutzt, die zwischen dem Ansprechen der Schutzeinrichtung und
dem Offnen der von dieser gesteuerten Leistungsschalter liegt. Da moderne Relais
mit sehr kurzer Ansprechzeit, z. B. 2 bis 5 msec, arbeiten und vom Anregen der Leistungsschalterbetätigung
bis zum Öffnen der Leistungsschalter eine wesentlich längere Zeit von beispielsweise
30 bis 70 msec vergeht, bleibt für die Speicherung eine ausreichende Zeitspanne.
Nach dem Abschalten der kranken Leitung kann dann eine Abfrageeinrichtung, z. B.
ein Wähler, in Verbindung mit empfindlichen Relais von Hand oder selbsttätig eingeschaltet
werden, die die Polarität der Ladung der Speicherkondensatoren überprüft. Zur Erzeugung
der Potentialgefälle können die Speicherkondensatoren mit ihrem einen Belag an je
einem Abgriff eines vorzugsweise linearen mehrstufigen Spannungsteilers des einen
Pfades und mit dem anderen Belag an je einem Abgriff eines gegensinnig gespeisten,
entsprechenden Spannungsteilers des anderen Pfades liegen.
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Ferner kann zwecks Verringerung der zu verwendenden Schaltungselemente
der eine Spannungsteiler durch einen Kurzschluß ersetzt werden und die Spannung
des betreffenden zugeordneten Pfades zwischen den ku rzgeschlossenen Belägen und
dem einen Ende des anderen Spannungsteilers angelegt sein.
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An Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird
die Erfindung näher erläutert.
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Es sei vorausgesetzt, daß eine Schutzeinrichtung vorhanden sei, welche
zunächst in an sich bekannter Weise in einem Fehlerfalle die kranke Phase feststellt
und die zum Abschalten der kranken Leitungs- oder Kabelstrecke dienende Relaisapparatur
an diese Leitung anschließt. Gleichzeitig werde die Einrichtung nach der Erfindung
zur Fehlerortsbestimmung gemäß Fig. 1 an den zugehörigen Strom- und Spannungspfad
angeschlossen. In Fig. I ist ein hierbei an den kranken Strompfad J angeschlossener
Stromwandler mit I und ein zugehöriger Spannungswandler mit 2 bezeichnet, der an
den Spannungspfad E angeschlossen ist. Gegehenenfalls können die Wandiler I und
2 aber auch besondere Zwischenwandler sein, welche an die Hauptwandler für die vorgenannte
Relaisapparatur zur Abschaltung der fehlerhaften Leitung angeschlossen werden. Die
dem im Fehlerfalle auftretenden Strom proportionale Spannung wird über eine Gleichrichteranordnung
3 einem Widerstand 5 zugeführt. Außerdem liegt die Sekundärspannung des Wandlers
2 über die Gleichrichteranordnung 4 einerseits am linken Ende 6 des Widerstandes
5 und andererseits über einen schließbaren Kontakt des Relais 8 an der Spannungsschiene
g.
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Der Widerstand 5 weist verschiedene vorteilhaft gleichmäßig verteilte
Anzapfungen auf, die über je einen schlielßbaren Kontakt des Relais 8 und je einen
Kondensator 11 bis 15 mit der Spannungsschiene g verbunden sind. Das Relais 8 wird
gleicht zeitig mit der Anregung des zum Auftrennen der kranken Leitung dienenden
Leitungsschalters eingeschaltet spricht aber im Gegensatz zu diesem wegen seiner
hohen Empfindlichkeit praktisch sofort an, während der Leistungsschalter erst mit
einer gewissen Verzögerung öffnet. Während dieser Zeitspanne. d. h. zwischen dem
Ansprechen des Relais 8 und dem Öffnen des Leistungsschalters. wird der im Strom-
und im Spannungspfad der kranken Leitung bestehende Zustand in den Kon densatoren
II bis 15 zur nachträglichen Auswertung gespeist, und zwar auf folgende Weise: Der
den Widerstand 5 durchfließende Strom des Gleichrichters 3 erzeugt zwischen den
Enden 6 und 7 einen Spalmungsabfall, der gemäß Fig. 2 von Minus nach Plus linear
ansteigt, d. h. am linken Ende bei 6 Null ist und am rechten Ende bei 7 gegenüber
dem Punkt 6 die Höhe Er hat. An den Kondensatoren ii bis I5 hat beispielsweise die
Spannungsschiene g gegenüber dem Punkt 6 des Widerstandes 5 entsprechend einer bestimmten
Fehlerortsentfernung das Potential Eo. Es liegt somit am Kondensator II beispielsweise
das Potential E11 usw. und am Kondensator I5 das Potential EI5. Es ist also ersichtlich,
daß - bezogen auf das Potential E0 der Spannungsschiene g - das an den Kondensatoren
II bis I5 liegende Potential sich an der Stelle I5 umkehrt. Diese Umkehrstelle läßt
sich bei geeigneter Zuordnung von Leitungsentfernungen zu den einzelnen Kondensatoren
II bis 15 die Entfernung des Fehlerortes erkennen. fn Fig. l sind der einfacheren
Darstellung wegen nur fünf Kondensatoren II bis 15 gezeichnet. Es kann aber zur
besseren Einteilung der Leitung in Überwachungsstredn eine beliebig große Anzahl
von Speicherkondensatoren vorgesehen werden, welche mit entsprechenden Punkten des
Widerstandes 5 in Verbindung stehen. Die Untersuchung der Ladung der Kondensatoren
II bis I5, die nach dem Wiederöffnen des Relais 8 beim Abfallen des Leistungsschalters
selbsttätig einsetzen kann, läßt sich beispielsweise mit einem Wähler I6 vor-
nehmen,
welcher der Reihe nach die über die Ruhekontakte des Relais 8 angeschlossenen Kondensatoren
11 bis 15 abtastet und beim Prüfen jenes Kondensators, dessen I,adung entgegengesetzt
der Ladung des vorher eingeschalteten Kondensators ist, ein empfindliches polarisiertes
Relais I7 zum Ansprechen bringt. Der Kontakt dieses Relais kann dann, wie angedeutet,
ein weiteres Relais I8 erregen, welches in nicht näher dargestellter Weise den Wähler
I6 anhält und somit die Ablesung der durch die Stellung des Wählerarmes gekennzeichneten
Fehlerortsentfernung ermöglicht oder ein die Fehlerortsentfernung kenntlich machendes
Zeichen auslöst.
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Anstatt im Augenblick des Fehlerfalles die Kondensatoren II bis 15
mittels des Relais 8 an den Widerstand 5 anzuschließen, können die Kondensatoren
auch über je einen - gestrichelt gezeichnetenGleichrichter 19 mit den entsprechenden
Anzapfungen des Widerstandes 5 verbunden sein. Voraussetzung hierbei ist allerdings,
daß diese Gleichrichter einen außerordentlich hohen Sperrwiderstand aufweisen, damit
die Ladung der Kondensatoren bis zur Auswertung unverändert erhalten bleibt. Gegebenenfalls
können beide Maßnahmen (d. h. Relais 8 und Gleichrichter I9) gleichzeitig angewandt
werden. Als Gleichrichter 19 eignen sich vor allem hochwertige Trockengleichrichter,
insbesondere Germaniumgleichrichter.
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Wegen der Sperrwirkung der Gleichrichter 19 wird im Gegensatz zu der
bisher beschriebenen Heinrich tung nur jeweils ein Teil der Speicherkondensatoren
II bis I5 in der Durchlaßrichtung der Gleichrichter aufgeladen, während der übrige
Teil dieser Kondensatoren ungeladen hleibt. Auch hierbei läßt sich der Fehlerort
ohne weiteres feststellen.
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Es ist nicht in jedem Falle erforderlich, daß gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. I der Widerstand 5 an den Strom- und die Schiene g an den Spannungspfad
angeschlossen wird. Es besteht auch die Möglichkeit der umgekehrten Schaltung, bei
der der Widerstand 5 am Spannungspfad und die Schiene g am Strompfad liegen. Die
Wirkungsweise ist dann die gleiche. Ferner ist es möglich, statt der Potentialschiene
g ebenfalls einen Widerstand mit vorteilhaft linearem Spannungsabfall zu verwenden
und die Potentiale an entsprechenden Punkten der beiden Widerstände über die Kondensatoren
zu vergleichen. Die Anordnung müßte dabei so getroffen sein, daß gemäß Fig. 2 die
dem Spannungsabfall an diesem Widerstand entsprechende Potentiallinie von links
nach rechts abfällt. Auch in diesem Falle würde der Schnittpunkt der beiden Linien,
d. h. die Stelle entlang der Widerstände, an denen sich die Vorzeichen der an den
Speicherkondensatoren liegenden Potentiale umkehren, an der Stelle 15 liegen. Ebenso
wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel würde dieser Schnittpunkt 15 je nach
der Entfernung des Fehlerortes von der Meßstelle nach links oder nach rechts wandern.
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Bei geringer Fehlerortsentfernung beispielsweise wäre die über den
Wandler 2 eingehende Spannung klein. Dementsprechend würde sich der Schnittpunkt
15 in Fig. 2 entsprechend weit links befinden.
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Bei großen Entfernungen ist die Spannung hoch.
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Der Schnittpunkt 15 wandert dementsprechend nach rechts.
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Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist es nicht
erforderlich, für jede zu überwachende Lei tungsstrecke eine besondere Einrichtung
nach Fig. I vorzusehen. Vielmehr ist es, wie an Hand der Fig. 3 noch ausgeführt
wird, möglich, mit der gleichen Einrichtung zur Fehlerortsbestimmung nach der Erfindung
mehrere Leitungen zu überwachen.
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In Fig. 3 ist angenommen, daß an die Sammelschiene 20 drei Leitungen
2I, 22 und 23 angeschlossen sind. Jeder der Leitung 21 bis 23 ist ein Leistungsschalter
24, 25, 26 und je eine Relaisapparatur 27, 28, 29 für den Leitungsschutz zugeordnet.
Wie schon oben erwähnt wurde, wählen die Relaisapparaturen 27 bis 29 in bekannter,
hier nicht näher interessierender Weise im Fehlerfalle den für den Leitungsschutz
richtigen Strom- und Spannungspfad aus und geben anschließend, wie durch die Kontakte
30, 3I, 32 angedeutet ist, einen Auslösebefehl an die Leistungsschalter 24 bis 26.
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Gleichzeitig wird ein empfindliches Relais 33,34,35 erregt, das ohne
Verzögerung anspricht und mit seinen Kontakten die in Fig. I dargestellte und mit
36 bezeichnete Einrichtung zur Fehlerortsbestimmung an den betreffenden Strom- und
Spannungspfad der kranken Phase anschließt. Da nicht anzunehmen ist, daß in den
verschiedenen Leitungen 2I bis 23 Schäden gleichzeitig oder in gleicher Entfernung
in so kurzem zeitlichem Abstand auftreten, daß sie durch die neue Einrichtung nicht
erfaßt und ausgewertet werden können, und da außerdem im allgemeinen mit Schnellzeit
(d. h. mit der kürzest möglichen Auslösezeit des Selektivschutzes) von einer Station
ausgehend nur eine Leitung oder ein Strang einer Doppelleitung auslöst, so genügt
in den meisten Fällen eine Apparatur zur Messung der Fehlerortsentfernung in der
Anordnung nach Fig.3. Es ist aber ohne weiteres möglich, nur jeweils einige Leitungen
auf ein Gerät arbeiten zu lassen, so daß eine Station im Verhältnis zu der von dort
aus zu überwachenden Leitungen nur mit wenigen Entfernungsmeßgeräten nach der Erfindung
auskommt.