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Unverzögert wirkendes Widerstindsschutzrelais.
Die Erfindung betrifft eine neue Form eines Impedanz-oder Reaktanzrelais, welche in einigen Fehlerfällen bei einphasigen oder mehrphasigen Leitungen Vorteile bietet, insbesondere befasst sich die Erfindung mit solchen Ausführungsformen, die für den sogenannten Sehnellstschutz für dreiphasige Leitungsanlagen mit geerdetem Sternpunkt zur Anwendung kommen sollen. Das neue Relais kann sowohl zum Schutz von Einfachleitungen als auch zum Schutz von Parallelleitungen verwendet werden.
Früher hat man zur Abschaltung einer kranken Leitungsstrecke, sei es, dass es sich um einen Kurzgchlussfall oder um einen Erdschlussfall handelt, im allgemeinen Ferrarisrelais angewendet. Diese Relais arbeiten aber langsam mit einer Zeitverzögerung, welche von der Fehlerentfernung abhängt, so dass sich ein Zeitunterschied ergibt, je nachdem, ob der Fehler in der Nähe oder in grosser Entfernung entstanden ist. Diese Ferrarisrelais werden nicht erheblich von einem Widerstand an der Fehlerstelle selbst beeinflusst, wenn auch ein solcher Widerstand sich durch eine gewisse Vergrösserung der Relaislaufzeit bemerkbar macht.
Mit der Einführung des Schnellstschutzes war man gezwungen, solche Widerstandsrelais anzuwenden, bei welchen es von der Grösse des gemessenen Widerstandes abhängt, ob das Relais anspricht oder nicht, bei denen also nicht mehr die Grösse der Laufzeit von dem Widerstand abhängt. Bei diesen Relais kann es eintreten, dass in einer durch ein unverzögertes Impedanzrelais geschützten Leitung der Widerstand im Fehlerfall solche Grösse besitzt, dass das Relais nicht anspricht. Dieser Fall tritt häufig bei Erdsehlüssen ein, in welchen Fällen der Widerstand des Fehlerstromkreises solchen Wert annehmen kann, dass der scheinbare Widerstand erheblich grösser wird.
Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, wäre es wünschenswert, ein Relais zu haben, welches anspricht, wenn ein Fehler auftritt und die vom Relais gemessene Reaktanz unterhalb eines bestimmten Grenzwertes liegt. Ein derartiges Reaktanzrelais würde von der zufälligen Grösse des Widerstandes in der Fehlerstelle abhängig sein, würde aber grundsätzlich den Nachteil mit sich bringen, dass es unter normalen Betriebsbedingungen anspricht, wenn kein Fehler vorliegt, wenn auch der Leistungsfaktor nahezu Eins wird. In solchen Fällen wird auch bei gesunder Leitung die Leitungsreaktanz Null, also kleiner als sie in irgendeinem Fehlerfall, wenn der Fehler dicht am Relaisort entsteht, werden kann.
Das Relais gemäss der Erfindung soll demzufolge die Eigenschaft haben, dass es bei keiner ordnungsmässigen Belastung anspricht, dass es aber in einem Fehlerfall möglichst unbeeinflusst bleibt durch den ohmschen Widerstand des Fehlerkreises. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäss eine Kombination aus einem Reaktanzrelais und Impedanzrelais vorgeschlagen oder ein Relais, welches eine zweekdienende eigentümliche. Charakteristik besitzt.
Im besonderen wird erfindungsgemäss ein unverzögertes Impedanzrelais in geeigneter Weise mit einer oder mehreren zusätzlichen Spannungsspulen auf dem Stromelement des Relais ausgestattet, wodurch die wünschenswerte Relaiseigenschaft erzielt wird.
Wenn im folgenden der Ausdruck Impedanzrelais oder Reaktanzrelais verwendet ist, so soll dies nicht ausschliessen, dass das Relais statt den Widerstand den Leitwert des geschützten Anlageteiles überwacht, wobei dann die Relaiskontakte so angeordnet werden, dass sie normalerweise geschlossen sind.
Ein derartiges den Leitwert (Suszeptanz) überwachendes Relais mit geeigneter Charakteristik vermag
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Das Relais nach der Erfindung kann als Waagebalkenrelais ausgeführt sein mit einer von einer
Spannungsspule hervorgerufenen Rückzugskraft, welche durch zwei Spannungsspulen ausgelöst wird, die zur Erzielung einer gleichmässigen Kraftwirkung von phasenverschobenen Erregerströmen durchflossen werden, damit die Zugkraft der Spannungsspule nicht bei jedem Durchgang der Spannung durch Null verschwindet.
Bei dem Relais nach der Erfindung gibt es vom Strom durchflossene Spulen, u. zw. solche, die vom
Leiterstrom und andere, die von der Differenz zweier Leiterströme durchflossen werden. Gleichzeitig kann eine Anordnung vorgesehen sein, mit deren Hilfe die relative Stärke der von den Strömen ausge- übten Kräfte verändert werden kann, wodurch man das einfache Mittel zur Einstellung des Relais auf eine bestimmte Fehlerentfernung besitzt.
Das Hauptanwendungsgebiet des Relais nach der Erfindung sind kurze Leitungen, beispielsweise solche von etwa 3 km, weil bei solch kurzen Leitungen der Lichtbogenwiderstand im Verhältnis zur
Leitungsreaktanz erhebliche Grösse besitzt, so dass unverzögert wirkende Impedanzrelais nicht zulässig sind. Bei langen Leitungen spielt der Lichtbogenwiderstand keine so erhebliche Rolle, so dass die etwaige
Verlagerung des Endpunktes des Schutzbereiches des Relais nicht dazu zwingt, von der Bewachung des
Scheinwiderstandes abzugehen.
Das Relais gemäss der Erfindung kann vorteilhaft auch zum Schutz langer Leitungsstrecken ver- wendet werden und dann beispielsweise die erste Zeitstufe ergeben. Versuche im Laboratorium und im
Freien haben ergeben, dass der Widerstand eines Lichtbogens im Anfang sehr klein ist und innerhalb einer gewissen Anzahl von Perioden auch klein bleibt. Wenn der Lichtbogen nicht sofort unterbrochen wird, kann er ausflattern, und der Widerstand des Lichtbogens wächst nach Ablauf einer gewissen Zeit auf ein
Vielfaches des Anfangswertes. Daraus ergibt sich aber eine gewisse Zeit, etwa von der Grössenordnung einer halben Sekunde.
Aus diesen Überlegungen ergibt sich, dass in der ersten Zeitzone, also beispielsweise innerhalb 80% des zu schützenden Leitungsabschnittes, wenn die Leitungsschalter sofort nach Entstehung des Falles ausgelöst werden, also etwa innerhalb einer Periode oder weniger der Betriebsspannung die
Fehlmessung der Fehlerentfernung durch den Lichtbogenwiderstand kaum vergrössert wird, so dass also infolgedessen das unverzögert arbeitende Impedanzrelais ordnungsmässig zu arbeiten vermag. In der nächstfolgenden Zeitzone der Schutzanordnung, in welcher also die Abschaltung der Leitung um ein bestimmtes Zeitmass verzögert ist, kann der Lichtbogenwiderstand bereits solche Werte annehmen, dass ein Impedanzrelais nicht mehr richtig zu arbeiten vermag, und dann ist die Anwendung des Relais nach der Erfindung erforderlich.
In der dritten Zeitzone sind die Entfernungen bereits grösser, so dass die
Relaiseinstellung ohne weiteres bereits zur selektiven Abschaltung ausreicht, dass also Impedanzrelais verwendet werden können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren schematisch wiedergegeben.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Relais besitzt einen doppelarmigen Hebel 11, welcher bei 12 drehbar gelagert ist. An seinem rechten Ende trägt er ein bewegliches Kontaktglied 13, welches bei
Berührung mit einem Gegenkontakt 14 den Stromkreis 15 für die Schalterauslösung schliesst. An dem linken Ende des doppelarmigen Hebels zieht die Kraft einer Spule 16, die einen Tauchanker 17 besitzt und das linke Ende des Hebels 11 normalerweise gegen einen Anschlag 18 zieht, so dass also die Kontakte 13,
14 dann geöffnet sind. Am rechten Ende des Hebelarmes 11 sind zwei Spulen 19 und 20 vorgesehen, die auf einen gemeinsamen Tauchanker 21 einwirken und die Kontakte 13 und 14 zu schliessen bestrebt sind. Die Spule 19 wird vom Leitungsstrom J erregt.
Die Spulen 16 und 20 liegen an der Netzspannung.
Diese Spulen sind in dem Ausführungsbeispiel in Reihe geschaltet, können also natürlich auch parallel geschaltet sein.
Die Hauptspannungsspule 16 wirkt im Sinne einer Öffnung der Kontakte 13 und 14, also ent- gegengesetzt wie die Stromspule 19. Im folgenden wird die Spule 16 deswegen als Gegenkraftspannungs- spule bezeichnet. Die andere Spannungsspule 20 wirkt am leichen Hebelende wie die Stromspule 19 und wird im folgenden deshalb Hilfsspannungsspule genannt.
Die beiden Spannungsspulen Mund 20 liegen im Sekundärkreis eines nicht dargestellten Spannungswandlers. Sie können diese Spannung direkt erhalten oder auch an den Wechselstromwiderstand ange- schlossen sein, um eine andere Phasenlage der Erregerströme der Spulen 16 und 20 zu erhalten. Die
Stromspule 19 wird von einem ebenfalls nicht gezeichneten Stromwandler gespeist ; zu ihr parallel liegt ein Nebenschluss, welcher die Gleichstromkomponente, die bei Schaltvorgängen auftreten kann, von der Stromspule 19 fernhält.
Um die Wirksamkeit des Relais verständlich zu machen, werden im folgenden die Grundgleichungen, welche das Verhalten des Relais beschreiben, erörtert. Dabei wird zunächst der einfachste Fall betrachtet, in welchem der Nebenschluss zur Stromspule für die Fernhaltung der Gleichstromkomponente nicht vorhanden ist und bei welcher die gegenseitige induktive Beeinflussung der Spulen 19 und 20 als vernach- lässigbar betrachtet ist, weil die dadurch erzeugten Spannungen der wechselseitigen Induktivität sowie ) die dadurch ausgelösten Ströme im Vergleich zur Gesamtspannung und zum Gesamterregerstrom des
Relais klein sind. Für den einzelnen Anwendungsfall der Erfindung können alle diese zunächst vernach- lässigten Wirkungen in Rechnung gestellt werden.
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In Fig. 2 ist angenommen, dass der Strom J um 0 Winkelgrad hinter der Leitungsspannung E nacheilt und dass der Strom Je in der Hilfsspannungsspule 20 hinter der negativen Klemmenspannung (-E) um a Winkelgrade nacheilt. Ferner wird die Wicklungszahl der Stromspule 19 gleich Eins gesetzt und dementsprechend die Windungszahlen der Spulen 20 und 16 im Verhältnis zur Windungszahl der Stromspule gleich in, +'m gesetzt.
Die im Sinne einer Kontaktschliessung wirkende Kraft Pu, welche am rechten Hebelende auftrifft, ist proportional dem Quadrat der Magnetisierung des Magnetkernes 21, d. h. also proportional dem Quadrat der Feldstärke He, welche die eine Seite eines Dreieckes bildet, dessen beide andern Seiten durch J + n Je im Vektordiagramm der Fig. 2 gebildet sind. Der Winkel zwischen diesen beiden Dreiecksseiten J + n Je ist ?- < "). Der Wert der sich ergebenden magnetischen Feldstärke He kann gemäss dem Cosinussatz aus den beiden Dreieckgrössen J + n Je ermittelt werden. Die Zugkraft am rechten Hebelende ist H proportional.
Es gilt für diese Kraft die Gleichung :
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Die entgegengesetzt wirkende Kraft, welche also die Kontakte 13 und 14 auseinander hält (Pu) und die am linken Ende des Hebels angreift, ist proportional dem Quadrat der Amperewindungen der Spule 16. Die hier auftretende Feldstärke Ho ist gleich mJ. Wenn die Magnetsysteme am rechten und linken Ende des Hebels 11, abgesehen von den Windungszahlen und den Erregerströmen, gleich sind, so kann man für den Vergleich der an den Hebelenden wirksamen Kräfte die am linken Ende angreifende Kraft durch die folgende Gleichung beschreiben.
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Da die Kräfte, die beiderseits auf den Hebel 11 einwirken, mechanisch gegeneinander ausgewogen werden, besteht zwischen diesen beiden Kräften und dem Verhalten des Relais keinerlei vektorielle Beziehung. Die beiden Kräfte können infolgedessen gleich gesetzt werden, wobei ferner noch für cos (a-0) gesetzt werden kann : cos a cos # + sin a sin # und berücksichtigt werden kann, dass Je und J proportional
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gleich der Leitungsreaktanz X ist. Daraus ergibt sich dann :
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Die Gleichung stellt einen Kreis dar, in welchem der ohmsche Widelstand R und die Leitungsreaktanz X die Koordinaten darstellen.
Die Gleichung kann durch Umformung auf die Form 4 gebracht werden.
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Der Mittelpunkt des Kreises liegt dann bei
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und der Radius des Kreises ist
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Der durch die Gleichungen 3-7 gegebene Kreis stellt die Weite des Leitungswiderstandes R und der Leitungsreaktanz X dar, bei denen im Relais gerade die beiden Drehmomente im Gleichgewicht sind. Bei allen Wertepaaren von R und X, welche zu einem Punkt innerhalb des Kreises gehören, überwiegt das Drehmoment, welches die Kontakte 13, 14 schliesst. Bei allen Wertepaaren, die zu Punkten ausserhalb des Kreises gehören, bleibt das Relais in Ruhe.
Wenn man die Hilfsspannungsspule 20 fortlässt, stellt das Relais ein Impedanzkipprelais dar, wie es bereits bekannt ist und welches anspricht, wenn ein ganz bestimmter Wert der Leitungsimpedanz unterstritten wird.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung besteht nun darin, dass die Spannungsspule 16 und 20 gleiche Windungszahlen erhalten und dass der Phasenwinkel a 180 oder 0 ist. je nachdem, ob die Spannung in der Hilfsspannungsspule 20 in Phasenübereinstimmung oder in Phasenopposition zur Netzspannung steht. Das Relais wird dann ein Kipprelais, welches die ohmsche Komponente des Leitungswiderstandes überwacht, von der Leitungsreaktanz aber gänzlich unabhängig ist.
Bei gleicher Windungszahl der Spulen 16 und 20 kann man aber auch den Winkel a genau gleich 900 machen.
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In Fig. 3 ist eine derartige Anordnung beispielsweise angegeben.
Parallel zur Spule 20 liegt eine Kapazität 24. Durch eine nicht dargestellte Einzelvorriehtung werden die beiden Spannungsspulen 16 und 20 so abgeglichen, dass sie stets gleiche Amperewindungen ergeben. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, bei welcher die Spule 20 durch eine negative Reaktanz überbrückt ist, wodurch ihr Strom vergrössert wird, sind bei der Spule 16 mehr Windungen erforderlich als bei der Spule 20, damit die magnetischen Kräfte gleich stark werden.
Das vorhin beschriebene Relais stellt ein Reaktanzkipprelais dar, welches auch bei normalem Netzzustand absprechen kann, wenn der Leistungsfaktor sehr hoch wird. Ein Impedanzrelais an Stelle des Reaktanzkipprelais erfordert, wenn ein Stromlichtungswechsel möglich ist, eine Ergänzung durch ein Energierichtungsrelais zur Verriegelung der Schalterauslösung.
Bei einem Relais nach der Erfindung, dass in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, kann man das Verhältnis der Windungszahlen der Spulen 20 und 16 oder den Phasenwinkel a anders wählen, als bei den bis jetzt beschriebenen Relaisausführungen vorausgesetzt war. Es empfiehlt sich nämlich eine Relais- anordnung, welche weder allein auf die Leitungsreaktanz noch allein auf die Leitungsimpedanz anspricht, zu verwenden, so dass beispielsweise das Relais im wesentlichen in erster Linie von der Leitungsreaktanz beeinflusst wird oder ebenfalls vom ohmschen Widerstand der Leitung weniger abhängig ist als die reinen Impedanzrelais. Vorteilhaft ist es bei einem solchen Relais aber, dass es keines besonderen Anrege- relais bedarf, wie dies bei den reinen Impedanzrelais ebenfalls zutrifft.
Das Relais stellt gewissermassen die Vereinigung eines die Fehlerentfernung freilassenden Relais mit einem Anregerelais dar. Es ist gewisser- massen sein eigenes Anregerelais. Bei dreiphasigen Leitungen lässt sich der Erfindungsgedanke leicht durchführen, weil zwischen der grössten im Fehlerfall vorkommenden Leitungsimpedanz und der kleinsten
Betriebsimpedanz ein erheblicher Unterschied besteht, abgesehen von besonders langen Leitungen, wo aber anderseits die Verwendung von Impedanzrelais wiederum keine Schwieligkeiten bereitet.
Um die Arbeitsbedingung des Relais genauer zu erörtern, empfiehlt es sich, die Ortskurven gemäss i Gleichungen 3-7 für bestimmte Bedingungen näher zu untersuchen.
Der grösste Wert der Leitungsreaktanz X, bei dem das Relais gerade noch zum Ansprechen kommt, ergibt sich aus dem Diagramm in Fig. 4, wenn der Radius parallel zur X-Achse in der positiven Richtung zeigt. Es ist dann :
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Wenn dieser grösste Weit der Leitungsreaktanz als Einheit für das Koordinatensystem gewählt wird, dann ergeben sich als Koordinaten für den Kreismittelpunkt :
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Der Radius wird
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Es leuchtet ein, dass der Radius des Kreises alle Werte zwischen 0 und oo annehmen kann, dass der Mittelpunkt des M eises ebenfalls bei jedem beliebigen Punkt des Koordinatensystems liegen kann, je nachdem, wie die Konstanten n, r und a gewählt sind.
In Fig. 4 sind vier charakteristische Kreise dargestellt, bei welchen der grösste Wert der Leitungsreaktanz (100%) als Einheit für den Massstab sowohl von X als auch von R gewählt ist. Diese Darstellung vereinfacht die Übersicht über das Verhalten des Relais. Man muss aber im Gedächtnis behalten, dass alle Werte in prozentualem Massstab aufgetragen sind, dass aber die tatsächliche Grösse von X'. y von
Fall zu Fall eine andere ist.
Im Diagramm 4 sind auf der Ordinate Blindwiderstände und auf der Abszisse Wirkwiderstände abgetragen, u. zw. ist, um die Übersicht zu erleichtern, in beiden Fällen der gleiche Massstab benutzt worden und die Zahlen 25, 50 usw. stellen Hundertstel eines gedachten oberen Grenzwertes dar, welcher vom Punkt 0 also um--entfernt ist.
100
Die Kurve 31 schneidet die Abszisse, auf welcher die ohmschen Widerstände aufgetragen sind, im Endlichen nicht, d. h. für ein Relais, dessen Verhalten durch die Kurve 31 dargestellt ist, ist der ohmsche Leitungswiderstand gänzlich bedeutungslos. Das Relais besitzt vielmehr die Eigenschaft, immer dann anzusprechen, wenn die Leitungsreaktanz kleiner als der angenommene Wert von 100% ist. Die Kurve 31 gibt also das Verhalten eines Minimalreaktanzrelais wieder, welches so eingestellt ist, dass das Relais in
Ruhe bleibt solange die Reaktanz grösser ist. als dem gezeichneten Wert 100% entspricht, und welches bei allen kleineren Werten der Leitungsreaktanz seinen Kontakt schliesst.
Im Gegensatz dazu würde die
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Charakteristik eines Relais, welches lediglichvomohmschen Widerstand der Leitung beeinflusst wird, parallel zur Ordinate, u. zw. in einem Abstand verlaufen, welcher dem obersten Widerstandswert der Leitung entspricht, bei dem das Relais gerade noch anspricht. Die Kurve 81 in Fig. 4 entspricht einem Kreis mit unendlich grossem Radius. Dieser Kreis schneidet die Ordinate im Abstand X = 100 % von der Abszisse.
Der Mittelpunkt dieses Kreises liegt bei den Ordinaten Ro = 0 und X"==-oo. Für das reine Reaktanzrelais gilt bezüglich der Fig. 1 und 3, dass r = 1 und a = 900 ist.
Die reine Impedanzcharakteristik wird dargestellt durch die Kurve 32. Diese stellt einen Kreis dar mit einem Radius von der Grösse X Der imittelpunkt dieses Kreises besitzt die Koordinaten R"= 0 und X = 0. Bezüglich der Relaisausführungen in Fig. 1 und 3 sind die Konstanten n = 0, r = oo.)' ? = M zu wählen. Die zwischen den Kreisen 31 und 32 liegenden Kreise der Fig. 4 gelten für solche Voraussetzungen, bei denen das Relais weder ein reines Reaktanzrelais noch ein reines Impedanzrelais ist.
Es ist wünschenswert, dass das Relais solche Eigenschaften besitzt, dass es ohne Anregerelais verwendet werden kann, und die kreisförmige Ortskurve in Fig. 4 eines Relais muss so liegen, dass die allen Normalbetriebsfällen entsprechenden Diagrammpunkte ausserhalb des Kreises liegen. Es ist ferner wünschenswert, dass bei einem gegebenen Grenzwert der Leitungsreaktanz ein möglichst hoher ohmscher Leitungswiderstand zulässig ist. Eine vorteilhafte Relaischarakteristik stellt beispielsweise die Kurve. 38 in Fig. 4 dar, welche ein
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durch die Gleichung 9 dividiert, so ergibt sich dann für a der Wert von 110 .
Man muss also Mittel vor- sehen. damit der Strom in der Hilfsspannungsspule 20 vor dem Strom der Spule 19 bei rein ohmscher
Belastung des Netzes um 700 vorauseilt. Daraus folgert dann unter Berücksichtigung der Gleichung H, dass I'1, 410 ist. Der grösste Wert der Leitungsreaktanz, bei welchem das Relais gerade noch anspricht, ergibt sich dann aus Gleichung 8. Bei Anwendung einer Verhältniszahl)'== 1,41 ergibt sich also eine zweckmässige Wirkungsweise des Relais.
Die Phasenverschiebung von 1100 kann. wie beispielsweise Fig. 3 zeigt. durch eine Kunstschaltung gewonnen werden, bei welcher eine Hauptspannungsspule und eine Hilfsspannungsspule verwendet sind und die Hauptspannungsspule einen höheren Verhältniswert zwischen ohmschem und induktivem Wider- stand besitzt als die Hilfsspannungsspule. Statt dessen kann auch die in Fig. 5 dargestellte Schaltung verwendet werden mit zwei Hilfsspannungsspulen 20a und 20b an Stelle nur einer Spule SO. wenn die eine von diesen Teilspulen in umgekehrtem Sinne angeschlossen ist als die andere und mit einem Kondensator 28 in Reihe liegt.
Man kann statt dessen auch einen Nebenschluss zur Spule 19 verwenden, der zugleich die
Gleichstromkomponente bei Schaltvorgängen von der Relaisspule fernhält und an der Stromspule eine
Phasenvoreilung von 30 zur Folge hat, wobei dann eine normale Spannungsspule in einem Stromkreis liegt, der eine Impedanz mit einem Nacheilwinkel von 800 gegenüber der negativen Netzspannung zur
Anwendung bringt, wie später an Hand von Fig. 6 und 7 noch eingehender erläutert werden wird. Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung der erforderlichen Phasenverschiebung besteht noch darin, dass die
Spulen 16 und 20 nicht in Reihe, sondern parallel geschaltet werden und dass mit der Spule 20 eine Kapa- zität in Reihe liegt, wodurch der Strom in dieser Spule gegenüber der positiven Netzspannung um 70 vorauseilt.
Einrichtungen dieser Art sind in den Fig. 8 und 9 verwendet.
Bezüglich der abgeänderten Reaktanzkurven 33 der Fig. 4 sei noch darauf hingewiesen, dass. soweit sie durch den dritten und vierten Quadranten verlaufen, das Verhalten des Relais bei Überstrom wieder- kehrt. Hier kann durch ein Energierichtungsrelais die Schalterauslösung verriegelt werden. Obwohl die
Ortskurve auch den zweiten Quadranten schneidet, so sind anderseits doch die in diesen Quadranten liegenden Wertepaare der Reaktanz und des ohmschen Widerstandes nur theoretisch denkbar, praktisch aber nicht möglich. Jedenfalls treten diese komplexen Leitungswiderstände in keinem Fehlerfall auf, so dass also in diesem Bereich keine Relaisbetätigung eintreten kann.
Bei der gewählten Anordnung darf der Scheinwiderstand, welcher zum Leitungswiderstand hinzutritt, einen erheblichen Wert annehmen, bevor er die Wirkung haben kann. dass die Auslösung eines Leitungsschalters im Fehlerfall nicht zustande kommt. Wenn beispielsweise der Frequenzwert des Relaisschutzbereiches auf 90% der Reaktanz der zu schützenden Leitungsstrecke eingestellt ist, würde eine
Schalterauslösung erst dann fehlerhafterweise nicht mehr eintreten, wenn der Scheinwiderstand 147 % des eingestellten Ansprechwertes der Reaktanz erreicht ist. Wenn aber der Schutzbereich des Relais auf die Reaktanz nur der halben Leitungsstrecke eingestellt ist, kann der Scheinwiderstand nahezu 240 % der Reaktanz der gesamten Leitungsstrecke annehmen.
Aus diesem Grunde kann man ein Relais vorsehen, welches im wesentlichen vom Lichtbogenwiderstand unabhängig ist, wenn dieser eine bestimmte
Grösse übersteigt.
Das Diagramm für die Wirksamkeit der Relaisanordnung des vorgeschlagenen kombinierten Impedanz-und Reaktanzrelais kann in mannigfache Weise anders gestaltet werden. Z. B. die Impedanzrelaischarakteristik gemäss Kurve 32 in Fig. 4 würde wesentlich verbessert, wenn unter der Voraussetzung, dass der Kreisdurchmesser konstant bleibt, der Kreismittelpunkt rechts parallel zur Widerstandsachse in Fig. 4 verschoben wird, beispielsweise bis zum Punkt Ro = 25 % Xw/. c. Dieser Kreis ist in Fig. 4
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ausgeführt und mit 34 bezeichnet. Da die Leitung praktisch frei vom ohmschen Widerstand sein kann, kann auch kein Fehlerfall entstehen, in welchem der vom Relais zu messende Scheinwiderstand keinen rein ohmschen Widerstandsteil enthält.
Man kann dem Rechnung tragen, indem man den Anspreehwert der Impedanz etwa um die Grösse des ohmschen Widerstandes, welcher im Kurzschlussfall im Widerstand der Kurzschlussschleife enthalten ist, vergrössert. Dadurch erreicht man, dass der Grenzwert des ohmschen Widerstandes, welcher ausreicht, um im Fehlerfall ein Ansprechen des Relais zu verhindern, um einen entsprechenden Betrag grösser wird.
Rechnerisch ergeben sich für die Kurve 34 in Fig. 4 beispielsweise folgende Unterlagen : == 25. X, und Xo = 0 sind die Mittelpunktskoordinaten. Diese Werte sind einzusetzen in die früher genannten Gleichungen 9 und 10. Es ergibt sich dann, da Xlsslat kein Absolutwert, sondern
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werden.
Fig. 6 gibt eine Übersicht über die gesamte Schaltung eines Relais. Diese Schaltung ist als Beispiel zur Erläuterung der Erfindung gewählt. In dieser Anordnung ist ein erstes Widerstandselement 40 und ein zweites Widerstandselement 41 zu erkennen, welche beide unverzögert arbeitende Relais sind. Das erste Relais ist vorgesehen für einen Schutzbereich bis 80 % der zu schützenden Leitungsstreeke. Der Schutzbereich des zweiten Relais reicht bis zur Entfernung von 150 % der Länge der zu schützenden Strecke oder, wenn die Leitungsabschnitte gleich lang sind, bis in die Mitte der nächsten Strecke hinein.
Das Relais ist mit zehn Anschlussklemmen 1-10 versehen für die Herstellung der äusseren Relaisschaltung. Die Batterie zur Betätigung der Auslosespule des Leitungssohalters ist vermittels der Klemmen ? und 9 angeschlossen. Innerhalb des Relais führen von den Kontakten 7 und 9 Verbindungsleitungen zu den normalerweise offenen Kontakten 13 und 14 des ersten Widerstandsrelais 40. In Reihe damit liegen die normalerweise offenen Kontakte 44 eines unverzögert arbeitenden Richtungsrelais 45, welches so gebaut ist, dass es seine Kontakte in äusserst kurzer Zeit betätigt. Ferner enthält der Auslösestromkreis die Spule 46 eines Schützes 47, welches durch den Stromkreis, der über die Kontakte 13 und 14 und 44 geleitet ist, gesteuert wird. Ausserdem ist noch ein Meldegerät 49 vorgesehen.
Das Schütz 47 besitzt ferner einen Kontakt, der über die Verbindungsleitung 50 mit der Klemme 10 eines Relais verbunden ist. so dass mit dem Schütz gleichzeitig weitere Steuer-oder Meldeeinrichtungen verbunden werden können.
Die Stromspulen 19 der beiden Widerstandsrelais 40 und 41 sind zusammen an die Klemmen 1 und 2 angeschlossen. Die Hauptspannungsspule der Widerstandsrelais sind je in zwei Teile aufgespalten, welche gegeneinander in der Phase abweichende Ströme führen. Es sind dies die Teile 16a und 16b, welche parallel zueinander geschaltet sind, wobei mit den Teilen 16a ein ohmscher Widerstand 52 und mit den
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tivität 54. Die Spannungsspulen der Widerstandsrelais sind mit den Anschlussklemmen 5 und 8 verbunden.
Die Widerstandsrelais sind im übrigen, wie an sich bekannt, dargestellt. Diese Relaiskonstruktion ist nahezu sehr einfach, da sie nur aus einem drehbar gelagerten Waagebalken 11 a besteht, dessen beide freien Enden mit ihren Zugkräften verschiedener Magnete angreifen. Die beiden Magnete, welche die Spulen 16a und 16b tragen, sind im Gegensatz zur Zeichnung nicht in der Längsrichtung des Waagebalkens hintereinander, sondern nebeneinander in gleicher Entfernung vom Drehpunkt des Waagebalkens angeordnet. Es sind diese beiden parallel geschalteten Spannungsspulen vorgesehen, um das Vibrieren des Ankers zu unterdrücken und um zu verhüten, dass der Relaisanker ausschlägt, wenn die periodisch sich ändernde Kraft des Spannungssystems durch den Wert Null hindurchgeht.
Diese Vorsieht ist notwendig, weil das Relaissystem so beschaffen ist, dass es äusserst schnell arbeitet.
In der mathematischen Erörterung der Grundlage eines neuen Relais ist die Spule 16 als eine einzige Spule angenommen.
Die Entwicklung dieser Spule in zwei parallele Spulen ändert an der Richtigkeit der Überlegungen nichts, weil es bei dem Relais nur auf den Effektivwert der wirksamen Kraft ankommt, welche allein von der Höhe abhängig ist.
Das Energierichtungsrelais 45 besitzt eine Stromspule 55, welche an die Klemmen 2 und 4 angeschlossen ist, und eine Spannungsspule 56, welche mit den Klemmen. 3 und 5 verbunden ist. In Reihe mit der Stromspule 55 ist die Primärwicklung eines Stromwandler 57 geschaltet, dessen Sekundärwicklung
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mit der Erregerwicklung eines Synchronmotois verbunden ist. der so eingestellt ist. dass er seine Kon- takte 59 beispielsweise nach 15 Perioden der Netzfrequenz schliesst. Diese Zeit ist so gewählt, dass inzwischen das auf kleinere Fehlerentfernung eingestellte Widerstandskipprelais 40 die Abschaltung der kranken
Leitung bewirkt haben kann, sofern der Fehler im Schutzbereich dieses Relais liegt. Die Kontakte 59 des Synchronzeitrelais 59 überbrücken die Kontakte 13, 14 und 44 und dadurch zugleich auch die Kon- takte 7 und 9.
Die Erregerwicklung des Synchronzeitrelais ist normalerweise kurzgeschlossen durch einen Kon- takt 61 des zweiten Widerstandskipprelais und durch normalerweise ebenfalls kurzgeschlossene Kontakte 62 des Energierichtungsrelais 45. Das Synchronzeitrelais läuft infolgedessen nur dann an, wenn das auf die ) grössere Fehlerentfernung eingestellte Widerstandskipprelais anspricht, und auch dann nur, wenn dabei eine bestimmte Stromrichtung entsteht.
Der Strom zur Erregung der Stromspulen innerhalb des Relais wird dem Relais über die Anschluss- klemmen 1 und 4 zugeführt. Die Stromspulen 19 jedes Widerstandskipprelais liegen in Reihe mit der
Stromspule des Energierichtungsrelais und mit dem Antriebskreis des Synchronzeitrelais.
In dem Ausführungsbeispiel Fig. 6 ist ferner ein Widerstand 64 parallel zu den Stromspulen 19 gelegt, dessen Zweck es ist. eine störende Wirkung der Gleichstromkomponente, die bei Schaltvorgängen und auch bei plötzlich entstehenden Fehlern im Leitungsstrom auftritt und im allgemeinen innerhalb einer Periode der Netzfrequenz verschwindet, zu unterdrücken. Dieser Nebenschlusswiderstand enthält einen ohmschen Widerstand 65, welcher in Reihe mit der Stromspule 19 ist, und eine Impedanz 66, welche ) parallel zu den Stromspulen 19 einschliesslich des Vorwiderstandes 65 liegt und den gleichen Phasenwinkel besitzt wie die zu schützende Leitung. Der Nebenschluss hat die Wirkung, dass der Strom in der Strom- spule 19 um etwa 30 in der Phase voreilt.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung mit sechs Relais gemäss der Erfindung. Mit Hilfe dieser Relaisanordnung wird ein vollständiger Schutz bei Erdschluss und Kurzschluss erreicht. Die in Fig. 6 im einzelnen erkennbare
Relaisanordnung ist in Fig. 7 jeweils durch ein Viereck angedeutet, welches Anschlussklemmen 1-10 aufweist. Die äusseren Relaisverbindungen sind vollständig dargestellt.
Die drei Erdschlussrelais werden von Phasenströme und von Phasenspannungen erregt. Die drei Kurzschlussrelais werden von verketteten Strömen und verketteten Spannungen gespeist.
Im einzelnen zeigt Fig. 7 eine dreiphasige Energieübertragungsleitung 70, welche durch die Relais- ) anordnung geschützt werden soll. Es ist ein Leitungsschalter 11 vorgesehen, der bei Erregung einer Aus- lösespule 72 geöffnet wird. Zur Erregung dieser Spule 72 ist eine Batterie 7. 3 vorgesehen. Die Strompfade der Relais werden durch drei in Stern geschaltete Stromwandler 74 gespeist. Die von diesen Stromwandlern ausgehenden Leitungen sind bei den Erdschlussrelais zu den Anschlussklemmen geführt. Die Verbindungs- klemme 1 dieser Erdschlussrelais ist mit den Anschlussklemmen 4 der drei Kurzschlussrelais verbunden.
An die Anschlussklemmen 7 der Erdschlussrelais ist ferner je eine Kunstschaltung zur Aussiebung der
Erdschlussstromkomponente vorgesehen, wodurch die mitläufigen und gegenläufigen symmetrischen
Komponenten des Leitungsstromes von den Erdschlussrelaisanordnungen ferngehalten werden. Die verwendete Kunstschaltung besitzt einen Sternpunkt 75. welcher mit dem Sternpunkt der Stromwandler-
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) des in der Phase nacheilenden Erdschlussrelais verbunden. Dadurch entspricht der Strom in den Leitung- schutzrelais der geometrischen Differenz je zweier Phasenströme, d. h. also dem verketteten Strom.
Die Relaisspannungen werden den in Stern geschalteten Spannungswandlern 80 entnommen. Im übrigen geht die Schaltungsweise aus Fig. 7 ohne weiteres hervor.
Die Feineinstellung der Schutzrelais wird mittels Anzapfungen an den Stromwandlern 70 erreicht.
Für die Grobeinstellung sind ausserhalb der Relais veränderliche Induktivitäten vorgesehen, die mit den
Spannungsspulen in den einzelnen Relais in Reihe liegen.
Die in Fig. 6 dargestellte Relaisanordnung verwendet in beiden Widerstandselementen Relais, deren Charakteristik durch die Kurve 33 in Fig. 4 wiedergegeben ist. Zu diesen Relais ist ferner ein Neben- schluss vorgesehen, dessen Aufgabe es ist, der Gleichstromkomponente im Leitungsstrom, welche bei ) Schaltvorgängen auftreten kann, den Einfluss auf die Relaisanordnung zu nehmen und welche ausserdem eine Voreilung des Stromes in den Stromspulen um etwa 30 zur Folge hat.
Die Folge davon ist natürlich, dass der Strom in den Hilfsspannungsspulen 20 gewissermassen um 110 -30 = 80 hinter der Spannung zurückbleibt. Wie eingangs erörtert wurde, ist es an sich überhaupt nicht notwendig, dass das Widerstands- relais die Eigenschaft hat, dass es nicht die reine Leitungsimpedanz oder die reine Leitungsreaktanz über- ) wach. Beim ersten Widerstandselement und wenn ein drittes Widerstandselement vorgesehen ist, wie dies häufig geschieht, ist ein Relais, welches die eine vom Scheinwiderstand abweichende Widerstands- grösse überwacht, überhaupt nicht notwendig.
Infolgedessen ist es häufig auch nicht erforderlich, zu der
Verfeinerung zu greifen und zum Nebenschluss für die vorübergehend auftretende Gleichstromkomponente zu greifen, und es ist sogar vorteilhaft, diesen Anschluss zu vermeiden, wenn es möglich ist, auch aus dem 0 Grunde, weil dadurch die Belastung der Stromwandler verkleinert werden kann.
Eine derartige Anordnung zeigt beispielsweise Fig. 9. Die Einrichtung, die in dieser Figur dar- gestellt ist. ist also in manchen Fällen besonders zweckmässig, weil es sich um den Schutz kurzer Leitung-
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strecken handelt. Bei der Anordnung in Fig. 9 ist nur beim zweiten Widerstandselement eine Anordnung verwendet, welche eine passend gewählte Komponente des Scheinwiderstandes überwacht, u. zw. ist eine Phasenverschiebung von 1100 Nacheilung hinter der Spannung (El) oder eine Phasenvoreilung von 70 vor der Spannung (E) angewendet, welche in der Weise gewonnen wird, dass eine Kapazität 30 mit der Hilfsspannungsspule 20 in Reihe liegt. Diese Schaltung ist in Fig. 8 schematisch wiedergegeben.
Die Relaisanordnung in Fig. 9 unterscheidet sich von der Anordnung in Fig. 6 ferner dadurch, dass noch ein drittes Widerstandselement vorgesehen ist und dass das erste und das dritte Widerstandselement beide reine Reaktanzrelais sind, d. h. Relais, deren Charakeristik in Fig. 4 durch die Linie 32 wiedergegeben ist. Das zweite Widerstandselement dagegen überwacht eine Widerstandskomponente des Scheinwiderstandes, besitzt also beispielsweise eine Charakteristik gemäss der Kurve 33 in Fig. 4. Auch die Art und Weise der Erregung der beiden Spulen 16 a und 16 b der Hauptspannungsspulen weicht von der Anordnung in Fig. 6 ab. Der Unterschied besteht darin, dass eine Kapazität 90 mit dem Spulenteil 16 b in Reihe geschaltet ist.
Die Hauptspannungsspulen des zweiten und dritten Widerstandselementes sind in Reihe geschaltet, was möglich ist. da diese Relais bestimmt sind, bei grösseren Fehlerentfernungen in Tätigkeit zu treten, d. h. also in solchen Fällen, in denen die Spannung am Relaisort nicht ganz zusammenbricht.
Das eine Element 92 besitzt ein paar Kontakte 93, welche zuerst geschlossen werden, und ein paar Kontakte 94, welche zuletzt geschlossen werden. Im übrigen ist die Wirkungsweise der Relaisanordnungen in Fig. 9 aus der Figur heraus ohne weiteres verständlich. Wenn ein Fehler in solcher Entfernung vom Relaisort (beispielsweise weniger als 80 % der Länge des Leitungsabschnittes) entsteht, sprechen alle drei Widerstandselemente gleichzeitig an, weil dann ferner die Kontakte 44 des Energierichtungsrelais geschlossen sind, und ebenfalls wie die Kontakte 13, 14 des ersten Widerstandselementes wird der Leitungsschalter geöffnet, noch bevor das Zeitrelais 92 einen Teil seines Weges zurückgelegt hat.
Wenn ein Fehler in der grösseren Entfernungszone auftritt, kann das erste Widerstandsrelais nicht ansprechen, da seine Spannungsspulen im Verhältnis zur Stromspule zu stark erregt sind. Das zweite und dritte Widerstandsrelais dagegen sprechen sofort an. Das dritte Relais öffnet ein Kontaktpaar 95, welches normalerweise geschlossen ist, und schliesst gleichzeitig ein Kontaktpaar 96, das normalerweise offen ist.
Die Öffnung der Kontakte 95 beseitigt einen Kurzschluss der Klemmen des Zeitrelais 92, so dass dieses Relais anlaufen kann. Sobald das Zeitrelais das erste Kontaktpaar 93 schliesst, kommt ein Stromkreis für die Auslösespule des Leitungsschalters zustande, welcher über die geschlossenen Kontakte 9'1 des zweiten Zeitrelais geführt ist sowie über den Kontakt 44 des Richtungsrelais.
Wenn ein Fehler in noch grösserer Entfernung entsteht, nämlich im Schutzbereich allein des dritten Wideistandsrelais, und wenn dieser Fehler nicht durch Öffnung eines andern Leitungsschalters beseitigt ist, wird nur das dritte Widerstandsrelais in Tätigkeit treten. Wenn das Zeitrelais 92 das erste Kontaktpaar 93 erreicht, wird der Leitungsschalter noch nicht ausgelöst, da der Kontakt 97 des zweiten Impedanzrelais offen ist. Das Zeitrelais setzt seinen Weg fort und wird schliesslich das Kontaktpaar 94 schliessen.
Dadurch wird dann über den geschlossenen Kontakt 96 des dritten Impedanzrelais und den geschlossenen Kontakt 44 des Energierichtungsrelais der Stromkreis für die Auslösespule vollendet. Nach Abschaltung des Fehlers kommen alle Relais sofort in ihre normale Lage zurück.
Die äussere Schaltung der in Fig. 9 verwendeten Widerstandsrelais kann so oder ähnlich beschaffen sein, wie Fig. 7 zeigt, wobei dann lediglich der Nebenschlusswiderstand 64 zur Unschädlicl1machung der Gleichstromkomponente wegfallen kann. Um den verketteten Strom zu gewinnen, welcher für die Erregung der Kurzschlussrelais notwendig ist, und gleichzeitig auch mit den Phasenströme arbeiten zu können, die für die Stromspule der Richtungsrelais und des Zeitrelais benötigt werden, kann man die in Fig. 10 schematisch angegebene Schaltung verwenden.
In Fig. 10 wird der Strom der in Stern geschalteten Stromwandler 100 unmittelbar über die Stromspule des entsprechenden Energierichtungsrelais bzw. Zeitrelais 101 der drei Kurzschlussrelais geleitet und von dort zurück zum Sternpunkt der Stromwandler-Sternschaltung. Der verkettete Strom wird in der Weise gewonnen, dass drei für die Einstellung der Relais vorgesehene Hilfswandler 102 plimärseitig von je einem Strom der drei Stromwandler 100 erregt werden, deren Sekundärwicklungen in Dreieck geschaltet sind. Die Stromspulen der drei Widerstandsrelais 105 werden dann an diese Dreieckschaltung angeschlossen. Die Stromspulen der Widerstandsrelais selbst sind dabei in Stern geschaltet.
Als Anwendungsgebiet für das neue Relais kommen hauptsächlich kürzere Leitungsstrecken in Frage, weil bei diesen der Lichtbogenwiderstand im Verhältnis zum Leitungswiderstand recht erheblich wird. Eine obere Grenze für die Leitungslängen, bei denen das Impedanzrelais gemäss der Erfindung angewendet werden kann, ist dadurch gegeben, dass bei diesem neuen Relais die Möglichkeit besteht, dass das Relais durch Belastungsströme zum Ansprechen gebracht wird. Je länger nun die Leitung ist, um so eher ist mit dieser Möglichkeit zu rechnen. Für die in Fig. 4 wiedergegebene Relaiseinstellung, zu welcher die Charakteristik 33 gehört, liegt diese Grenze ungefähr dort, wo der Leitungswiderstand auf der Sekundärseite der Wandler zwei Ohm und mehr beträgt.
Bei andern Charakteristiken, welche zwischen der des reinen Impedanzrelais und der des reinen Reaktanzrelais liegen, ergeben sich andere Werte für die grösste Leitungslänge, bei denen man das Relais nach der Erfindung ohne besondere Vorsichtsmass- nahmen anwenden kann.
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Die Erfindung erweist sieh vor allem deshalb als wertvoll, weil man bei ihrer Anwendung eine äusserst grosse Anpassungsfähigkeit der Widerstandscharakteristik des Relais erhält. Sie kann angewendet werden bei irgendeinem oder bei allen drei Widerstandsrelais, und sie ergibt die Möglichkeit, in der gewünschten Weise irgendeine zweckmässig erkannte Relaischarakteristik zu erzielen.
PATENT-ANSPRÜCHE : l. Leitungssehutzanordnung mit einem oder mehreren auf eine bestimmte Fehlerentfernung eingestellten Widerstandskipprelais, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Widerstandskipprelais die Leitungsimpedanz unter Bevorzugung der Blindkomponente des Leitungswiderstandes überwachen.