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Schutzeinrichtung für elektrische Sammelschienen.
Bei den meisten bekannten Einrichtungen zum Schutze elektrischer Sammelschienen wird das Stromdifferentialprinzip benutzt. Dieses Prinzip weist den grossen Nachteil auf, dass komplizierte Umschalteinrichtungen in den Stromwandlerstromkreisen erforderlich sind, und weiters, dass hohe, gewöhnlich unerfüllbare Anspruche an die Genauigkeit der Stromwandler gestellt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird nicht das Differentialprinzip benutzt, sondern es erfolgt bloss ein Vergleich der Vektorrichtungen der Ströme, wie es bereits zum Schutz von Netzteilen bekannt ist. Erfindungsgemäss wird dieser Vergleich mit Hilfe einer Spannung vorgenommen, welche nicht proportional den an der zu schützenden Sammelsehiene herrschenden Spannungen ist. Das Ansprechen des Schutzes erfolgt hiebei nur dann, wenn die Vektorrichtungen der Ströme aller bei dem jeweiligen Schaltzustand an die Sammelschiene angeschlossenen Leitungen, zumindest aber derjenigen, deren Ströme einen den Impedanzen der normalen Last entsprechenden Wert überschreiten, annähernd gleich sind.
Die Spannung, mit deren Hilfe der Vergleich der Vektorrichtungen vorgenommen wird, kann zweckmässig einem Spannungssystem, das von den zu schützenden Sammelschienen entweder vollkommen getrennt oder durch Impedanzen bzw. durch Leitungstransformatoren getrennt ist, entnommen werden.
Die Ausführung dieses Schutzes kann in der Weise erfolgen, dass die Leitungen mit Richtungrelais ausgestattet werden, deren Spannungsspulen von der den an den Sammelschienen herrschenden Spannungen nicht proportionalen Spannung erregt und deren Stromspulen von den Strömen, eventuell Sekundärströmen der Leitungen durchflossen werden. Die Richtungsrelais besitzen zwei Kontakte, von welchen der eine bei Überschreiten, der andere bei Unterschreiten eines gewissen Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung geschlossen wird ; im Grenzfalle bzw. im strom- oder spannungslosen Zustande sind bei der einen Ausführungsmöglichkeit beide Kontakte geschlossen, bei der andern beide Kontakte geöffnet.
In letzterem Falle sind Unterimpedanz- oder Uberstromrelais vorzusehen, welche die Kontakte überbrücken, wenn die Ströme der betreffenden Leitungen geringer sind, als den Impedanzen der normalen Last entspricht.
Die einfachere erstere Ausfiihrungsmöglichkeit sei an Hand der Fig. 1 erörtert. Die Darstellung ist einpolig gewählt, und es bedeutet 1 das zu schützende Sammelschienensystem, : 2 die Schalter der abgehenden bzw. ankommenden Leitungen, 3 die Stromwandler der energiezuführenden bzw.-abführenden Leitungen, 4 ein wattmetrisches Relais mit einem oder mehreren Messsystemen, je nach der Anzahl der in den Schutz einbezogenen Phasen ; die Stromspule ist vom Wandlersekundärstrom der betreffenden Phase und die Spannungsspule von der Spannungsquelle 8 gespeist ; 5 sind die dem wattmetrischen Relais zugehörigen Kontakte a und b ; 6 bedeutet eine beliebige Stromquelle, z.
B. eine Akkumulatorenbatterie, 7 ein Hilfsrelais, welches mittels nicht gezeichneter Auslöscvorrichtungen die Abschaltung, eventuell nach einer bestimmten einstellbaren Zeit sämtlicher an die Sammelschiene angeschlossenen Leitungen bewirkt ; 8 ist eine beliebige Spannungsquelle, welche nicht zugleich mit den Sammelschienenspannungen bei einem eventuellen Kurzschluss zusammenbringt. Beispielsweise kann hiefür ein Motorgenerator Verwendung finden, welcher eine im Normalbetrieb mit der Sammel- schienenspannung synchrone Spannung liefert und infolge eines genügenden Schwungmomentes auch bei Zusammenbrechen dieser Spannung eine gewisse Zeit hindurch annähernd im Synchronismus bleibt.
Im ungestörten Betrieb sind selbstverständlich bei dem einen Teil der Richtungsrelais die Kontakte a und bei dem andern Teil die Kontakte b geschlossen, da in dem einen Teil der Leitungen die Ströme der Sammelschiene zufliessen, in dem andern abfliessen. Bei einem Sammelschienenkurzschluss hingegen sind im allgemeinen alle Ströme zur Kurzschlussstelle, also zur Sammelschiene, gerichtet, und
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es sind daher entweder alle Kontakte a oder alle Kontakte b geschlossen, wodurch das Relais 7 zum
Ansprechen gelangt.
Soll auch die Möglichkeit berücksichtigt werden, dass trotz des Kurzschlusses an den Sammel- schienen von denselben Energie in einzelnen Leitungen abfliesst, wie dies etwa bei einem Kurzschluss über einen hohen Lichtbogenwiderstand der Fall sein könnte-, so sind die bereits erwähnten Unterimpedanz-oder Überstromrelais anzuwenden. Da diese aber nicht das Wesentliche der Erfindung betreffen, so sind sie ebenso wie ein zweckmässig anzuordnendes Unterspannungsrelais, welches bei normaler Spannung das Relais 7 blockiert, in der Figur nicht dargestellt.
Eine gewisse Schwierigkeit besteht darin, dass die der Sammelschiene zufliessenden bzw. abfliessenden Ströme untereinander nicht genau gleiche Vektorrichtungen aufweisen. Es kann deshalb unter Umständen eintreten, dass ein Teil der z. B. zufliessenden Ströme die Schliessung der Kontakte a, der andere Teil die der Kontakte b bewirkt. In einem solchen Falle würde, wie sich aus der Schaltung von selbst ergibt, bei einem Sammelsehienenkurzschluss kein Ansprechen des Relais 7 stattfinden.
Diesem Übelstand wird erfindungsgemäss dadurch abgeholfen, dass für den Vergleich der Stromvektorriehtungen eine Spannung gewählt wird, deren Vektorrichtung derartig ist, dass in dem zur Verwendung gelangten Richtungsrelais eine Stromkomponente wirksam wird, die annähernd in der Vektorrichtung eines zu-oder abfliessenden Stromes liegt. Bei einer solchen Anordnung könnte der vorhin angeführte Übelstand nur auftreten, wenn die Abweichung der Vektorrichtungen der zu-bzw. abfliessenden Ströme untereinander annähernd 90 elektrische Grade beträgt, was aber praktisch nicht möglich ist.
Die Ausführung einer dementsprechenden Schutzeinrichtung könnte etwa in der Weise erfolgen, dass als Spannungsquelle 8 der Spannungsabfall an einer Impedanz dient, welche in einer die Sammelschiene speisenden Zuleitung liegt. Würde diese Impedanz beispielsweise durch eine Strombegrenzungsreaktanz gebildet, so eilt die benutzte Spannung fast um 90 elektrische Grade dem durch die Reaktanz der Sammelschiene zu-oder abfliessenden Strome vor ; demgemäss müssten in diesem Falle sogenannte Sinusrelais angewendet werden oder aber es würde beispielsweise eine Änderung der Phasenlage der Spannung um 900 mittels einer an sieh bekannten Kunstschaltung vorgenommen werden, wodurch die Anwendung normaler Cosinusrelais ermöglicht würde.
Selbstverständlich wäre durch geeignete, dem Fachmanne geläufige Massnahmen Vorsorge zu treffen, dass bei Abschaltung der betreffenden Reaktanz die Entnahme der für den Vergleich der Stromvektorrichtungen dienenden Spannung von einer andern geeigneten Spannungsquelle erfolgt.
Die vorbeschriebene Anordnung besitzt im allgemeinen die Nachteile, dass für den Schutz eigene an den Klemmen der Reaktanzen angeschlossene Spannungswandler erforderlich sind und dass ausserdem die Anwendung des Schutzes an das Vorhandensein von entsprechenden Impedanzen gebunden ist.
Diese Nachteile können durch eine Anordnung vermieden werden, bei welcher erfindungsgemäss die zum Vergleiche der Stromvektorrichtungen dienende Spannung durch geometrische Addition einer einem von der zu schützenden Sammelschiene entweder vollkommen oder durch Impedanzen bzw.
Transformatoren getrennten Spannungssystem entnommenen Spannung mit einer zweiten oder mehreren derartigen Spannungen oder einer an der zu schützenden Sammelschiene selbst herrschenden Spannung gebildet wird, wobei die den verschiedenen Systemen entnommenen Spannungen zweckentsprechend transformiert und durch an sich bekannte Kunstschaltungen in der Phasenlage verschoben sein können.
Ein dementsprechendes einfaches Ausführungsbeispiel sei an Hand der Fig. 2 erläutert. Die Darstellung ist wiederum einpolig gewählt, und es bedeuten die fortlaufenden Ziffern 1-7 dieselben Apparate wie in Fig. 1 ; 8 stellt einen Spannungswandler dar, welcher an die Sammelsehiene 10, 9 einen Spannungswandler, welcher an die zu schützende Sammelschiene 1 angeschlossen ist ; 11 zeigt einen Transformator, der die zu schützende Sammelschiene 1 mit der Sammelschiene 10 verbindet. Die Spannungswandler 8 und 9 besitzen vorzugsweise derartige Übersetzungsverhältnisse, dass die Sekundärspannungen einander gleich sind, wenn die Spannungen an den beiden Seiten des Transformators dem Leerlaufübersetzungsverhältnis entsprechen.
Die Sekundärwicklungen der Spannungswandler sind hiebei gegeneinander geschaltet, so dass die resultierende Spannung dem Spannungsabfall des Transformatorstromes an der ideellen Kurzschlussreaktanz des Transformators entspricht. Die Wirkungsweise ist also vollkommen analog dem oben erörterten Fall der Verwendung einer Strombegrenzungsreaktanz. Selbstverständlich muss bei der Schaltung der Spannungswandlersekundärwieldungen auf die Schaltgruppe des Transformators Bedacht genommen werden. Der beabsichtigte Zweck lässt sich in jedem Falle, eventuell durch Benutzung entsprechender Zwischenwandler in einfacher Weise erreichen.
Für das richtige Funktionieren des vorbeschriebenen Schutzes ist Voraussetzung, dass der Transformator nicht stromlos ist. Will man von dieser Voraussetzung frei sein, so kann beispielsweise zwecks Bildung der zum Vergleiche- der Stromvektorrichtungen dienenden Spannung wiederum eine an der einen Seite eines oder mehrerer Transformatoren herrschende Spannung, deren andere Seite an die zu schützende Sammelschiene angeschlossen ist, benutzt werden, wobei eine gegenüber dieser Spannung um annähernd 90 elektrische Grade im Sinne der Nacheilung verschobene Spannung geometrisch addiert. wird mit einer Spannung, die der an der betreffenden Phase der zu schützenden Sammelschiene herrschenden Spannung proportional ist.
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Die Anordnung ist hiebei zweckmässig wieder derartig getroffen, dass die beiden zu addierenden Teilspannungen gleich sind, wenn die Spannungen an den beiden Seiten des Transformators dem Leerlauf- übersetzungsverhältnis entsprechen. Die besagte Änderung der Phasenlage und die Berücksichtigung der Schaltgruppe des Transformators kann leicht in bekannter Weise durchgeführt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Schutze elektrischer Sammelschienen, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der in den Schutz einzubeziehenden Phasen die Vektorrichtungen der Ströme je einer Phase der an die Sammelschienen angeschlossenen Leitungen mit Hilfe einer den an den Sammelschienen herrschenden Spannungen nicht proportionalen Spannung miteinander verglichen werden und dass das Ansprechen des Schutzes nur bei annähernder Gleichheit der Vektorrichtungen, zumindest aller derjenigen ver- glichenen Ströme, die gerade einen gewissen der Impedanz der normalen Last entsprechenden Grenzwert überschreiten, erfolgt.
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Protective device for electrical busbars.
Most of the known devices for protecting electrical busbars use the current differential principle. This principle has the major disadvantage that complicated switching devices are required in the current transformer circuits, and further that high, usually unsatisfactory demands are made on the accuracy of the current transformer.
In the present invention, the differential principle is not used, but only a comparison of the vector directions of the currents takes place, as is already known for the protection of power supplies. According to the invention, this comparison is made with the aid of a voltage that is not proportional to the voltages prevailing on the collecting rail to be protected. The protection only responds if the vector directions of the currents of all lines connected to the busbar in the respective switching state, or at least those whose currents exceed a value corresponding to the impedances of the normal load, are approximately the same.
The voltage, with the help of which the comparison of the vector directions is carried out, can expediently be taken from a voltage system that is either completely separated from the busbars to be protected or separated by impedances or by line transformers.
This protection can be implemented in such a way that the lines are equipped with directional relays whose voltage coils are excited by the voltage that is not proportional to the voltages prevailing on the busbars and whose current coils are traversed by the currents, possibly secondary currents of the lines. The directional relays have two contacts, one of which is closed when the phase angle is exceeded and the other is closed when the phase angle between current and voltage is not reached; In the borderline case or in the current or de-energized state, both contacts are closed in one embodiment and both contacts open in the other.
In the latter case, underimpedance or overcurrent relays are to be provided, which bridge the contacts if the currents of the lines concerned are lower than the impedances of the normal load.
The simpler first embodiment is discussed with reference to FIG. The representation is selected as single-pole, and it means 1 the busbar system to be protected,: 2 the switches of the outgoing or incoming lines, 3 the current transformers of the power supplying or discharging lines, 4 a wattmetric relay with one or more measuring systems, depending on the Number of phases included in protection; the current coil is fed from the converter secondary current of the relevant phase and the voltage coil from the voltage source 8; 5 are the contacts a and b associated with the wattmetric relay; 6 means any power source, e.g.
B. a storage battery, 7 an auxiliary relay, which by means of tripping devices, not shown, causes the shutdown, possibly after a certain adjustable time of all lines connected to the busbar; 8 is any voltage source that does not combine with the busbar voltages in the event of a short circuit. For example, a motor generator can be used for this purpose, which supplies a voltage that is synchronous with the busbar voltage in normal operation and, due to a sufficient momentum, remains approximately synchronized for a certain time even if this voltage collapses.
In undisturbed operation the contacts a are of course closed in one part of the directional relays and the contacts b in the other part, since the currents of the busbar flow into one part of the lines and drain away in the other. In the case of a busbar short-circuit, on the other hand, all currents are generally directed to the short-circuit point, i.e. to the busbar, and
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there are therefore either all contacts a or all contacts b closed, whereby the relay 7 to
Addressed.
If the possibility is also to be taken into account that despite the short circuit on the busbars, the same energy flows away in individual lines, as could be the case, for example, with a short circuit across a high arc resistance, then the already mentioned underimpedance or overcurrent relays are to be used . However, since these do not relate to the essence of the invention, they are not shown in the figure, as is an undervoltage relay which is expedient to be arranged and which blocks relay 7 at normal voltage.
A certain difficulty is that the currents flowing into or out of the busbar do not have exactly the same vector directions as one another. It can therefore happen under certain circumstances that part of the z. B. flowing currents cause the closure of the contacts a, the other part that of the contacts b. In such a case, as is evident from the circuit itself, the relay 7 would not respond in the event of a bus line short circuit.
According to the invention, this inconvenience is remedied in that a voltage is selected for the comparison of the current vector directions, the vector direction of which is such that a current component is effective in the directional relay used which is approximately in the vector direction of an incoming or outgoing current. With such an arrangement, the above-mentioned inconvenience could only occur if the deviation of the vector directions of the to or. the currents flowing away from each other are approximately 90 electrical degrees, but this is practically impossible.
A corresponding protective device could for example be implemented in such a way that the voltage drop at an impedance which is in a feed line feeding the busbar serves as voltage source 8. If this impedance were formed, for example, by a current limiting reactance, the voltage used leads the current flowing in or out due to the reactance of the busbar by almost 90 electrical degrees; accordingly, so-called sine relays would have to be used in this case or, for example, the phase position of the voltage would be changed by 900 by means of an artificial circuit known per se, which would enable the use of normal cosine relays.
Of course, suitable measures familiar to those skilled in the art would have to be taken to ensure that when the reactance in question is switched off, the voltage used for comparing the current vector directions is drawn from another suitable voltage source.
The above-described arrangement generally has the disadvantages that separate voltage transformers connected to the terminals of the reactances are required for the protection and that, in addition, the use of the protection is tied to the presence of corresponding impedances.
These disadvantages can be avoided by an arrangement in which, according to the invention, the voltage used for comparing the current vector directions is either completely added to one of the busbars to be protected or by impedances or
Transformers separate voltage system is formed with a second or more such voltages or a voltage prevailing on the busbar to be protected itself, wherein the voltages taken from the various systems can be appropriately transformed and shifted in phase position by known art circuits.
A corresponding simple embodiment is explained with reference to FIG. Again, the representation is unipolar, and the consecutive numbers 1-7 mean the same apparatus as in FIG. 1; 8 shows a voltage converter which is connected to the busbar 10, 9 a voltage converter which is connected to the busbar 1 to be protected; 11 shows a transformer which connects the busbar 1 to be protected to the busbar 10. The voltage converters 8 and 9 preferably have transformation ratios such that the secondary voltages are equal to one another when the voltages on the two sides of the transformer correspond to the no-load transmission ratio.
The secondary windings of the voltage transformers are connected to one another so that the resulting voltage corresponds to the voltage drop of the transformer current at the ideal short-circuit reactance of the transformer. The mode of operation is thus completely analogous to the case of using a current limiting reactance discussed above. Of course, the switching group of the transformer must be taken into account when switching the voltage transformer secondary circuits. The intended purpose can be achieved in any case in a simple manner, possibly by using appropriate intermediate converters.
For the protection described above to function correctly, the transformer must not be de-energized. If you want to be free of this requirement, then for the purpose of forming the voltage used to compare the current vector directions, for example, a voltage prevailing on one side of one or more transformers, the other side of which is connected to the busbar to be protected, can be used compared to this voltage, the voltage shifted by approximately 90 electrical degrees in the sense of lagging is added geometrically. with a voltage that is proportional to the voltage prevailing on the relevant phase of the busbar to be protected.
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The arrangement is again expediently made in such a way that the two partial voltages to be added are the same if the voltages on the two sides of the transformer correspond to the no-load transmission ratio. Said change in the phase position and the consideration of the vector group of the transformer can easily be carried out in a known manner.
PATENT CLAIMS:
1. A device for protecting electrical busbars, characterized in that for each of the phases to be included in the protection, the vector directions of the currents in each case of a phase of the lines connected to the busbars are compared with one another with the aid of a voltage that is not proportional to the voltages prevailing on the busbars and that the protection only responds when the vector directions are approximately the same, at least for all of those compared currents which just exceed a certain limit value corresponding to the impedance of the normal load.