DE608289C - Von einer Verzerrung des Strom- oder Spannungsvektordiagramms von Mehrphasennetzen beeinflusste Umschaltvorrichtung fuer Schutz- oder Regelapparate - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 22. JANUAR 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE 68so

■A 5i 9TT VIII bJ2i c Tag der Bekanntmachung über die Erteilung des Patents:

T- Dezember 1934

Patentiert im Deutschen Reiche vom 13. September 1927 ab

Für den Schutz oder die Regelung von Mehrphasennetzen ist es oftmals erwünscht, Einrichtungen vorzusehen, welche selbsttätig Umschaltungen ausführen, sobald das normalerweise symmetrische Spannungsoder Stromvektorbild des Netzes verzerrt wird. Häufig wird dabei die Bedingung gestellt, daß der Aufbau der Umschalteinrichtung cyclisch sein müsse; denn Verzerrungen irgendwelcher Art haben die gleiche Wirkung auf den Betrieb des Netzes, wenn sie in ähnlicher Lage zu einer der Hauptachsen des Mehrphasensystems auftreten.

Wohl sind Lösungen der genannten Aufgäbe bekannt, in denen ein einziger Apparat, ein sogenanntes Asymmetrierelais, verwendet wird, welches so gebaut ist, daß es die gewünschten Schaltoperationen ausführt abhängig von der Art der aufgetretenen Ver-

ao zerrung der Größen, von welchen es gespeist wird. So einfach solche Apparate ihrem Prinzip nach sind, so schwierig ist ihre praktische Ausführung. Auf alle Fälle kann von ihnen nicht erwartet werden, daß sie imstande

«5 sind, gleichzeitig mehrere Stromkreise erheblicher Leistung zu schalten. Umfaßt die gewünschte Umschaltung eine Anzahl von gleichzeitigen Schaltoperationen, so muß man sich mit Hilfsrelais oder Schützen behelfen, welche durch das Asymmetrierelais gesteuert werden.

Erfindungsgemäß läßt sich nun die gestellte Aufgabe in einfacher Weise mit robusten Apparaten bewältigen, welche meist imstande sind, unmittelbar alle gewünschten Schalt-Operationen auszuführen, wenn Gruppen von nach . dem Prinzip der elektrischen Waage gebauten Relais verwendet werden, deren Zugspulen von denjenigen Netzgrößen erregt werden, welche bei ihrer Verzerrung die gewünschte Umschaltung bestimmen sollen. Solche Differentialrelais, im weiteren kürzer Kipprelais genannt, bestehen z. B. aus zwei nebeneinander gelagerten Spulen mit parallelen Achsen; im Innern der Spulen sind Tauchkerne vorgesehen, welche an einem Waagebalken aufgehängt werden, mit dessen Achse die Kontaktvorrichtung gekuppelt wird. Die beiden Spulen werden so gewickelt, daß bei Normalbetrieb im Netz die Zugkräfte an den beiden Tauchkernen sich das Gleichgewicht halten. Treten jedoch Verzerrungen des Spannungs- oder Strompolygons im Netz auf und vermindert sich infolgedessen die Zugkraft an einem ss Tauchkern, so wird der Waagebalken und damit die Kontaktvorrichtung nach der Seite des andern Kernes umgelegt. Bei der Anwendung dieser Kipprelais erweist es sich häufig als zweckmäßig, ein einseitiges mechanisches oder magnetisches Übergewicht anzuordnen bzw. einen Anschlag der-

art über dem Waagebalken anzubringen, daß eine Umschaltung des Kipprelais nur nach einer Seite erfolgen kann.

Im folgenden sollen einige Anwendungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden:

Bei der Schaltung nach Fig. ι liegt die

Aufgabe vor, eine Regler- oder Relaisspule bei einer Unsymmetrie im Netz an die kleinste der drei Phasenspannungen anzuschließen. In dieser Figur bedeuten α drei Einphasenspannungswandler mit Anschluß des gemeinsamen Sternpunktes an Erde, b did Kipprelais I, II und III, deren Spulen über die Spannungswandler α an die Phasenspannungen des Netzes angeschlossen sind, c die zu schaltende Regler- oder Relaisspannuugsspule, welche mittels der Kontakte der Kipprelais I, II, III umgeschaltet wird.

In cyclischer Schaltung sind hier die Spulen des Kipprelais I an die Phasen R und S, diejenigen des Relais II an 6" und T und die von III an T und R angeschlossen. Anschläge sind derart angebracht, daß Relais I nur schalten kann, wenn die Spannung an Phased größer ist als die Spannung an Phase R, Relais II, wenn T gegenüber S, und Relais III, wenn R gegenüber T überwiegt. Besitzt das betrachtete Netz direkte Nullpunkterdung oder solche über einen niederohmigen Widerstand und erfolgt ein Erdschluß, z. B. in Phase S, so ist leicht zu erkennen, daß dann das Kipprelais II umschaltet, während das Kipprelais I am Anschlag verharrt. Durch diese Umschaltung wird die Spule c an die Phase5¹ angeschlossen. Das Verhalten des Kipprelais III ist zweifelhaft, da nicht von vornherein ausgesagt werden kann, ob eine der Phasenspannimgen T oder R gegenüber der andern überwi >:gt. Dies ist jedoch vollkommen belanglos, da der Stromkreis, welcher beim Umschalten des Kipprelais III die Spule c an Phase T legen würde, durch die erfolgte Umschaltung im Kipprelais II unterbrochen wurde. Ein ähnliches Beispiel stellt Fig. 2 dar. Die Aufgabe besteht darin, die Spulen eines Relais oder Reglers bei Symmetrie der Netzbel astung von einer beliebigen Phase zu speisen, sie jedoch an diejenige Phasen anzuschließen, welche den größten Strom im Netz führt, sobald eine Verzerrung des Stromvcktorbildes auftritt.

In Fig. 2 bedeuten d drei Stromwandler, /; drei von diesen gespeiste Kipprelais mit Umschaltkontakten ohne Unterbrechung und mit Anschlag zur Verhinderung der Umschaltbewegung nach einer Richtung, c die Spule eines Relais oder Reglers.

Wie aus der Figur hervorgeht, welche alle Relais in Gleichgewichtsstellung zeigt, wird die Spule c normalerweise von der Phase R gespeist, während die beiden andern Phasen direkt an die Nullpunktverbindung angeschlossen sind. Der gezeichnete Schaltzustand bleibt auch bestehen, wenn Phase R einen größeren Strom führt als die beiden andern, ausgenommen den Fall, daß der Phasenstrom T den Strom in Phased überwiegt. Die Umschaltung des Relais III, welche in letzterem Falle eintritt, ändert jedoch an der Speisung der Spule c durch Phase R nichts. Sind ihrerseits die Ströme in den Phasen 6" bzw. Γ größer als die beiden andern, so schalten die Kipprelais b derart um, daß Spule c von derjenigen Phase gespeist wird, welche den größten Strom führt; Unterschiede in der Größe der Ströme in den andern Phasen stören dabei den richtigen Anschluß der Spule c nicht. Bei zweipoligem Kurzschluß wird Spule c stets von einer der beiden kurzschlußführenden Phasen gespeist. Von Interesse ist weiter die Verwendung von selbsttätigen Umschaltvorrichtungen nach der Erfindung im Zusammenhang mit widerstandsempfindlichen .Selektivrelais, besonders wenn ihr laufzeitbestimmendes Organ so gebaut ist, daß die Auslösezeit des Relais vornehmlich durch den induktiven Spannungsabfall der Kurzschlußschleife bedingt wird.

In Freileitungsnetzen mit isoliertem Systemnullpunkt werden diese Relais gewöhnlich so angeschlossen, daß ihre Stromwicklung über einen Stromwandler vom Strom einer Phase gespeist wird, während ihr Spannungsystem über Spannungswandler mit der voreilenden verketteten Spannung verbunden wird; als voreilende verkettete Spannung gilt bei einem Relais, dessen Stromwicklung in der Phase R liegt, die verkettete Spannungi?5", bei Relais in Phased" die Spannung ST usw.

Erfolgt in einem Netz der erwähnten Art ein zweipoliger Kurzschluß, so bricht die betroffene verkettete Spannung zusammen. In der 'Nähe der Kurzschlußstelle besitzt das , Dreieck der verketteten Spannungen eine Gestalt, etwa wie in Fig. 3 dargestellt; dabei wurde angenommen, daß der Kurzschluß zwischen den Phasen S und T erfolgt sei. Das Relais in Phase 6", dessen Spannungssystem vom Strom I_EST durchflossen wird, mißt die Kurzschlußschleifenimpedanz vor ihm bzw. eine vornehmlich induktive Komponente davon (innere Phasenverschiebung ψ) richtig. Die Wirkungsweise des Relais in Phase T dagegen ist etwas zweifelhaft, da je nach der Phasenverschiebung φ des Kurzschlußstromes J_KT gegenüber der EMK ST und der inneren Phasenverschiebung ψ des Relais-Spannungssystems die Projektion des Spannungsspulenstromes Jmn auf den Kurzschluß-

strom positiv, negativ oder Null sein kann und dementsprechend auch ' die gemessene Impedanz. Um diese Unsicherheit zu beseitigen, wird durch eine Umschaltvorrichtung nach der Erfindung der Anschluß des Spannungssystems des Selektivrelais in Phase T von der voreilenden verketteten Spannung TR an die nacheilende verkettete Spannung ST umgelegt. Infolge der cyclischen

ίο Anordnung der Um'schaltvorrichtung wird bei Kurzschluß RS das Relais in Phase 6" und bei Kurzschluß TR das Relais in Phase R umgeschaltet.

Aus genaueren Überlegungen folgt, daß es in Dreiphasensystemen mit isoliertem Nullpunkt zum Aufbau eines Selektivschutzes gegen Kurzschlüsse genügt, wenn nur zwei Selektivrelais samt zugehörigem Kipprelais pro Schaltstelle vorgesehen werden. Diese Schaltweise ist in " Fig. 4 dargestellt. Die Selektivrelais e werden von Stromwandlern d in den Phasen R und T gespeist. Die Spulen des Kipprelais b zum. Selektivrelais in Phase R liegen jeweils an den Spannungen TR und RS, diejenigen des zweiten Kipprelais b jeweils an den Spannungen ST und TR des Spannungswandlers a. Die Spannungswicklungen des Selektivrelais e in Phase R werden durch das zugehörige Kipprelais b beim Normalbetrieb an die Spannung RS und das Spannungssystem des andern Selektivrelais e durch "sein Kipprelais b an TR angeschlossen. Das Verhalten der beiden Relais bei Kurzschluß zwischen zwei beliebigen Phasen geht aus der folgenden Tabelle hervor:

20

Selektiv

Kipprelais

Rund

S 3

Kurzschluß

I

zwischen

den Phasen

I

T und

R

4

relais in Phase

an verketteten Spannungen

ι : 2

9

X ]

S und T

X X

2 i

3

TR TR

R T

RTund RS S T und T R

x TR - — (TR)

4

2 3

' 4

RS1 ST i

X

25

RS 9

(RS) ? TR χ

I 9 ST

Darin bedeuten die Rubriken 1, 2, 3, 4:

i. Relais führt Kurzschlußstrom, 2. Überwiegende Spannung an Kipprelais, 3. Kipp relais schaltet um, 4. Selektivrelais wird angegeschlossen an Spannung.

Ferner bedeutet das Zeichen χ = ja, — = nein, ? = unbestimmt.

In jedem Kurzschluß fall arbeitet somit mindestens ein Selektivrelais richtig.

Schützt man ein isoliertes oder kompensiertes Dreiphasennetz mit einer Einrichtung nach Fig. 4, so kann es bei Doppelerdschluß und großer Entfernung zwischen den Erdschlußstellen geschehen, daß die Selektion unsicher wird. Dies kommt daher, daß die verkettete Spannung zwischen den beiden von einem Erdschluß betroffenen Phasen an den zwischen den Erdschlußstellen liegenden Schaltstellen sich nur wenig ändert wegen der magnetischen Verkettung zwischen den beiden Phasenleitungen. Zu einer sicheren Selektion dagegen führt eine Relaisanordnung, bei welcher ein Selektivrelais von der Spannung gegen Erde einer der Phasen, welche Erdschluß hat, gespeist wird. Um für diese Fälle mit einem einzigen Selektivrelais auszukommen, verwendet man eine Schaltung, wie sie Fig. 5 darstellt. Sie ist gedacht als Zusatzschaltung zur Schutzschaltung gegen isolierte Kurzschlüsse nach Fig. 4. In ihr bedeuten: α drei einpolige Spannungs-

wandler, deren gemeinsamer Sternpunkt geerdet ist, d drei Stromwandler, b drei Kipp- relais mit Anschluß der Spulen an verkettete Spannungen, e die Stromspulen der in Fig. 4 mit e bezeichneten Selektivrelais, f die Stromrelais in der Verbindung der beiden Sternpunkte des Stromsystems (in Holmgreenschaltung), g ein wider stan dsempfindliches Selektivrelais.

Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende: Liegt die in Fig. 5 dargestellte Schaltstelle zwischen zwei Erdschlußstellen, so fließt ein Summenstrom durch die Spule des Relais f; dieses öffnet seine Kontakte, und der Summenstrom durchfließt auch das Stromsystem des Selektivrelais g. Das Summenstromrelais wird mit Vorteil dazu verwendet, beim Ansprechen erst die Spulen der Kipprelais b mit den Spannungswandlern α zu'verbinden. Infolge des doppelpoligen Kurzschlusses ist eine der verketteten Spannungen gegenüber den andern zusammengebrochen. Betrifft dies die Spannung RS, so schaltet Kipprelais II um. Kipprelais I verharrt am Anschlag. Dadurch wird das Spannungssystem des Selektivrelais g an" die Spannung der Phase R gegen Erde angeschlossen." Da diese Spannung von der Erdschlußstelle an wächst, erfolgt die Abschaltung an der ihr nächsten Schaltstelle. Bei Doppelerdschluß auf getrennten Zweigen eines Baumnetzes wird in gewünschter Weise einer der Zweige in der Nähe seiner Erdschlußstelle unterbrochen. In Ringnetzen erfolgt die Abschaltung an den nächsten Schaltstellen beidseitig

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von einer Erdschlußstelle, und zwar in der Weise, daß bei Doppelerdschluß zwischen den Phasen R und 5 die Erdschlußstelle der Phase R, bei Doppelerdschluß ST die Erdschlußstelle der Phase 6" und bei TR diejenige der Phase T herausgeschaltet wird.

In Fig. 6 ist schließlich ein Anwendungsbeispiel für Kipprelais nach der Erfindung im Zusammenhang mit widerstandsempfindlichen ίο Selektivrelais dargestellt, deren Verwendung im besondern für Netze mit geerdetem Systemnullpunkt vorgesehen ist. In solchen Netzen werden die meisten Kurzschlußvorgänge von den Phasenspannungen beherrscht. Es ist daher gegeben, die verwendeten Selektivrelais normalerweise an die Phasenspannungen anzuschließen. Nicht ganz befriedigend ist diese Anschlußweise der Selektivrelais, wenn zweipolige Kurzschlüsse auftreao ten, welche an der Kurzschlußstelle nicht auf Erde übergreifen. Um in solchen Fällen die Selektivrelais an die verkettete Spannung, welche den Kurzschlußvorgang beherrscht, anzuschließen, sind Kipprelais vorgesehen, deren Spulen an die verketteten Spannungen angeschlossen sind.

In Fig. 6 bedeuten: α drei einphasige Spannungswandler mit Anschluß ihres gemeinsamen Sternpunktes an Erde, d drei Stromwandler, b drei Kipprelais I, II und III, e drei widerstandsempfindliche Selektivrelais, / ein Stromrelais von den Stromwandlern d in Summenschaltung gespeist.

Die Spannungsspulen der Selektivrelais e sind normalerweise an die Phasenspannungen angeschlossen. Erfolgt ein zweipoliger isolierter Kurzschluß im Netz, z. B. zwischen den Phasen R und S, so schaltet das Kipprelais I um, während das Relais II am Anschlag verharrt. Das Relais III bleibt ebenfalls in Ruhe, da bei einem Kurzschluß RS die Spannung ST stets etwas kleiner ist als die Spannung TR. Durch die Umschaltung werden die Spannungsspulen der Selektivrelais e in den Phasen R und S vom Sternpunkt abgetrennt und zueinander in Serie geschaltet; sie werden somit durch die verkettete Spannung zwischen den Phasen RS gespeist, wobei jedes Relais die Impedanz mißt, welche der ihm zugeordneten Phasenleitung zukommt. Entsprechend sind die Verhältnisse bei isolierten Kurzschlüssen zwischen zwei andern Phasen.

Da auch bei kurzschlußartigen Störungen mit Schluß (gegen Erde, weiche von den Phasenspannungen beherrscht werden, Umschaltungen in den Kipprelais b vorkommen können, ist das Stromrelais/ vorgesehen. Bei Kurzschlüssen mit Übergriff auf die Erde tritt stets ein Summenstrom auf und bringt dieses Relais/ zum Ansprechen. Dadurch werden die Spannungssysteme aller Selektivrelais e wieder 'mit dem Sternpunkt verbunden und so die Wirkung eventueller Umschaltungen der Kipprelais b aufgehoben.

Als besonderer Vorteil der beschriebenen Umschaltungseinrichtungen im Zusammenhang mit Selelctivrelais muß hervorgehoben werden, daß diese Umschaltapparatur in einer Schaltstation nur einmal vorgesehen werden muß, und daß an sie die Spannungssysteme der Selektivrelais aller Schaltstellen in der Station angeschlossen werden können.

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   I. Von einer Verzerrung des Stromoder Spannungsvektordiagramms von Mehrphasennetzen beeinflußte Umschaltvorrichtung zur Herstellung der in jedem Falle wirksamsten Schaltverbindungen eines Schutz- oder Regelapparates, bei der für jede Phase je zwei cyclisch folgende Ströme oder Spannungen des Systems auf wenigstens zwei voneinander mechanisch völlig getrennten Kipprelais verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der Stellung dieser Kipprelais die zugeordneten Schutz- oder Regelapparate über jedem Kipprelais zugehörige Kontakte in der für den betreffenden Unsymtnetriefall günstigsten Weise erregt werden.
2. 2. Umschaltvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kombination der Kontaktverbindungen der Kipprelais bei bestimmten Zustandsänderungen in dem die Kipprelais speisenden System die kleinste oder größte Spannung bzw. Strom ausgewählt und dem Schutz- oder Regelapparat zugeführt wird.
3. 3. Umschaltvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Umschaltung der Kipprelais den Schutz- oder Regelapparaten, die normalerweise an verketteter Spannung liegen, die Phasenspannung zugeführt wind, oder umgekehrt. no
4. 4. Umschaltvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Umschaltung eines oder mehrerer Kipprelais einem oder mehreren Schutz- oder Regelapparaten, die normalerweise an einer verketteten Spannung liegen, eine dieser Spannung vor- oder nacheilende verkettete Spannung zugeführt wird.
5. 5. Umschaltvorrichtung nach An- »20 spruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei unverzerrtem Netz stromlosen

   Spulen der Kipprelais erst durch das Ansprechen eines in Holmgreenschaltung angeschlossenen Summenstromrelais unter Spannung gesetzt werden.
6. 6. Umschaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ansprechen eines in Holmgreensdhaltung angeschlossenen Summenstromrelais die Wirkung einer erfolgten Umschaltung rückgängig gemacht wird.
7. 7. Umschaltvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kipprelais im Normalzustand ein einseitiges magnetisches oder mechanisches Übergewicht erhalten.
8. 8. Umschaltvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kipprelais mit einem Anschlag derart versehen werden, daß sie sich aus der Mittellage nur nach einer Seite verstellen können.
9. 9. Umschaltvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß von den Kipprelais die Spulen widerstandsempfindlicher Selektivrelais gesteuert werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen