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Einrichtung zur Ermittlung der Fehlerortsentfernung in elektrischen
Kabeln und Leitungen Zusatz zum Patent 955 876 Es ist bekannt, mit Hilfe von Quotientenmeßwerken
den Quotienten aus Spannung und Strom zu ermitteln und derartige Messungen zum Feststelkn
von Fehleroftsenffernungen auf Lei tungsstrecken zu verwenden.
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Es ist ferner bekanntgeworden, mittels zweier solcher Quotientenmeßwerke
außer der Fehlerortsmessung auch die Abschaltung fehlerhafter Leitungsstrecken vorzunehmen.
Eine derartige Einrichtung bedingt einerseits einen großen technischen Aufwand und
hat andererseits den Nachteil, daß die Abschaltung nicht innerhalb der bei modernen
Anlagen erforderlichen kurzen Zeiten von unterhalb 0,1 sec möglich ist. Bei neuzeitlichen
Leitungsschutzeinrichtungen, deren Schutzrelais zur Vermeidung von Schäden im Falle
eines Kurz- oder Erdschlusses eine selektive Abschaltung der fehlerbehafteten Leitung
aus dem Netzgebilde innerhalb der vorgenannten Zeit vorzunehmen haben, erfolgt die
Messung der Fehlerortsentfernung durch gesonderte Meßeinrichtungen, da es nicht
mehr möglich ist, aus der Arbeitskennllinie der Schutzrelais Schlüsse auf die Fehlerortsentfernung
zu ziehen.
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Bei einer bekanntgewordenen Einrichtung für die Feststellung der
Fehlerortsentfernung ist ein polarisiertes von Leitungsspannung und -strom beeinflußtes
Relais mit mehreren, bestimmten unterschiedlichen Entfernungswerten zugeordneten
Ankern vorgesehen, von denen je nach der Fehlerortsentfernung ein oder mehrere Anker
bei Erregung ihre Ruhelage verlassen.
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Diese bekannte verhältnismäßig kompliziert aufgebaute Anordnung ermöglicht
jedoch nur eine näherungsweise Bestimmung des Fehlerortes, wozu außerdem eine umfangreiche
und schwierige Justierung der einzelnen Anker notwendig ist.
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Es sind ferner Vorrichtungen zur Ermittlung der ungefähren Lage des
Fehlerortes von Erdschlüssen bekanntgeworden, bei denen längs der betreffenden Leitung
sogenannte Blitzstähchen in bestimmten Abständen angeordnet sind. Diese Blitzstäbchen
können mit einem Eisenkörper zu einem Eisenkern zusammengeschlossen sein, der eine
gleichstromerregte Drehspule mit einem Kontaktteil enthält, der je nach der Ausschlagsrichtung
einen der zugeordneten verschiedenen Meldestromkreise schließt. Bei einem Erdschluß
werden die Blitzstäbchen magnetisiert, so daß die Drehspule sich verdreht und einen
bestimmten Meldestromkreis schließt. Dies geschieht für alle Blitzstäbchen. Aus
den verschiedenen Meldungen zweier benachbarter Blitzstäbchen ist dann zu ersehen,
daß der Fehler zwischen den betreffenden Anschlußstellen der Blitzstäbchen auf der
Leitung liegt. Es ist somit zur Ermittlung der ungefähren Lage des Fehlers ein sehr
großer technischer Aufwand an Erfassungsmitteln und Meldeeinrichtungen notwendig;
eine
genaue Ermittlung des Fehlerortes ist damit ebenfalls nicht möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, in mit schnell arbeitenden Leitungsschntzeinrichtungen
ausgestatteten Netzen eine genaue Messung des Fehlerortes mit einfachen Mitteln
zu erreichen.
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Die Erfindung bezieht sich dazu auf eine Einrichtung zur Ermittlung
der Fehlerortsentfernung in elektrischen Kabeln und Leitungen unter Anwendung eines
Drehspulsystems zur Messung eines Augenblickwertes, insbesondere des Höchstwertes,
einer veränderlichen Strom- oder Spannungsgröße nach Patent 955 876.
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Die Lösung besteht darin, daß zwei Drehspulsysteme vorgesehen sind,
von denen das eine abhängig vom Fehlerstrom (Stromsystem) und das andere abhängig
von der Fehlerspannung (Spannungssystem) erregt wird und bei denen das Verhältnis
der Magnetisierung der beiden Systeme als Maß für die Leitungsimpedanz (Z = U/J)
und damit für die Fehlerortseutfernung dient. Das Meßsystem gemäß Hauptpatent, das
nach Art eines Drehspulsystems aufgebaut ist, beruht in seinem Wesen darauf, daß
ein oder mehrere magnetisch wirksame Teile aus einem Werkstoff hoher Remanenz vorgesehen
sind, die durch einen der zu messenden Größe proportionalen Strom magnetisiert werden
und anschließend durch Abstoßung oder Anziehung beweglicher Teile den Meßwert zur
Anzeige bringen.
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Nach einer Ausführungsform des Hauptpatents kann das Meßsystem mit
einem orts- oder geräte festen magnetisierbaren Teil und mit einer dazu beweglichen
Spule ausgeführt werden, so daß es etwa den äußeren Aufbau eines Drehspulinstrumentes
hat.
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In diesem Falle kann der Strom oder die Spannung, deren Maximalwert
oder Augenbllckswert gemessen werden so11 - bei Wechselstrom nach Gleichrichtung
- an eine Spule gelegt werden, die den feststehenden magnetisierbaren Teil umgibt.
Dieser magnetisierbare Teil besteht aus Stahl oder einem anderen magnetisierbaren
Werkstoff hoher Remanenz, der zur Vermeidung von Wirbelströmen vorteilhaft unterteilt
ist. Durch Anlegen eines Gleichstromes an die bewegliche Spule des Systems kann
der Grad der Magnetisierung und damit die Höhe des Stromes, der die Magnetisierung
bewirkt hat, festgestellt werden.
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Vor bzw. nach jeder Messung muß dann der magnetische Teil des Meßsystems
wieder entmagnetisiert werden, was in an sich bekannter Weise, z. B. durch Anlegen
eines Wechselstromes, geschehen kann, dessen Stärke allmählich auf Null abnimmt.
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Die Größen I und U können der -Meßeinrichtung nach der Erfindung
mittels Strom- und Spannungswandler über Gleichrichter, vorzugsweise Trockengleichrichter
in Doppelwegschaltung in proportionaler Form zur Verfügung gestellt werden.
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Diese durch den Grad der Magnetisierung in den beiden Drehspulsystemen
festgehaltene Leitungsimpedanz läßt sich anschließend auf einfache Weise dadurch
feststellen, daß die Drehspulen der beiden Systeme derart an eine veränderbare Gleichstromquelle
legbar sind, daß sie jeweils von Gleichstrom gleicher Höhe durchflossen werden.
Bringt man an der Anzeigeskala des vom Leitungsstrom beeinflußten Meßsystems eine
der höchstmöglich auftretenden Fehlerstromstärke entsprechende Eichmarke an und
erhöht man den die Drehspulen beider Meßsysteme durchfließenden Strom so weit, bis
der Zeiger auf die genannte Eichmarke zeigt, so wandert der Zeiger des spannungsabhängigen
Meßsystems - wie noch näher ausgeführt wird - auf einen Ausschlag, weicher der Leitungsimpedanz
entspricht.
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Der Vorteil der neuen Meßeinrichtung liegt somit in der unverzögerten
gleichzeitigen Erfassung der Angenblickswerte von Strom und Spannung in dem fehlerbetroffenen
Leitungsstück vor dem Abschalten desselben~und in der Möglichkeit ihrer sofortigen
Auswerdung, die in der gegebenenfalls selbsttätigen Bildung des Verhältniswertes
von U/I besteht, womit auch zugleich die Fehlerortsentfernung bestimmt ist.
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An Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird
die Erfindung noch näher erlautet.
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Fig. 1 zeigt ein nach Art eines Drehspulmeßgerätes aufgebautes Meßsystem
zur FeststeLlung des Augenblickswertes eines Stromes oder einer Spannung gemäß dem
Hauptpatent. Das Meßgerät selbst besteht aus einem magnetisierbaren Kern 1, zwischen
dessen Schenkeln sich die Drehspule 2 befindet. Der Kern besteht entweder ganz,
zumindest aber in dem die Erregerspule 3 tragenden Teil aus einem hochwertigen magnetisierbaren
Werkstoff hoher Remanenz. Mittels eines Schalters 4 ist die Spule 3 an die zu untersuchende,
spannungführende Leitung anschließbar. Es sei angenommen, daß der Augenblickswert
eines Wechselstromes festgestellt werden soll, welcher dem beim Auftreten eines
Kurzschlusses in einer Wechselstromleitung vorhandenen Fehlerstrom entspricht. Es
wird daher ein dem Kurzschlußstrom proportionaler
Strom i der Spule 3 über eine Gleichrichteranordnung
5 zugeführt, zu der ein Kondensator 6 parallel liegen kann. Das Einlegen des Schalters
4 kann in Abhängigkeit vom Ansprechen des Selektivschutzrelais und die Ausschaltung-mit
dem Öffnen des Lei,stungsschalters erfolgen, das abhängig von dessen Ansprechzeit
in meistens weniger als 0,1 sec eintritt. In dieser kurzen Beeinflussungszeit wird
also der Kern 1 des Meßsystems auf einen dem Strom i proportionalen Grad magnetisiert.
Nach erfolgter Öffnung des Schalters 4 kann über einen Schalter 7 die Drehspule
2 an eine Gleichstromquelle 8 gelegt werden, um den Grad der Magnetisierung festzustellen.
Nach dem Hauptpatent kann die Skala des Meßsystems so geeicht sein, daß der Zeiger
den Magnetisierungsstrom i unmittelbar anzeigt, wenn an die Drehspuie 2 eine Gleichspannung
ganz bestimmter Höhe gelegt wird. Um diese einzuregeln, können ein Meßinstrument
9 und ein Regelwiderstand 10 in den Stromkreis eingeschaltet sein.
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Nach erfolgter Ablesung des Instrumentes muß der Kern 1 entmagnetisiert
werden, um für eine neue Messung vobereitet zu sein. Hierzu kann über einen Schalter
11 an die Spule 3 ein Wechselstrom angelegt werden, weleller z. B. durch den veränderbaren
Widerstand 12 allmählich auf Null herabgeregelt wird.
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In Ausführung der Erfindung werden zur Ermittlung der Fehlerortsentfernung
zwei derartige Meßsysteme verwendet, von denen das eine vom Leitung strom und das
andere von der Leitungsspannung beeinflußt wird, wobei zur Ermittlung des Magnetisierungsgrades
ebenfalls Gleichstrom an die Drehspulen angelegt wird. Die Auswertung erfolgt jedoch
unterschiedlich zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 auf andere Weise.
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In Fig. 2 ist ein Beispiel hierfür schematisch dargestellt. Gleiche
Bezugszeidien verweisen auf gleiche Teile wie in Fig. 1. Das Meßsystem 1, 2, 3 (Stromsystem)
wird von einem dem Fehlerstrom proportionalen Strom i und das Meßsystem 1', 2',
3' (Spannungssystem) von einem der Spannung proportionalen Strom e magnetisiert.
Die zugehörigen Strom- und Spannungsxvandler sind nicht dargestellt.
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Die Einwirkung der Erregerströme dauert nur von der Einschaltung
der Meßeinrich.tung, die mit dem Ansprechen des Selektivschutzrelais erfolgt, bis
zu ihrer Ausschaltung mit dem Öffnen des Leistungsschalters. Da es sich bei der
Widerstandsmessung nur um die Ermittlung des Verhältniswertes von Spannung zu Strom
handelt, braucht der Absolutwert der einzelnen Größen nicht festgestellt zu werden,
sondern es können lediglich die Ausschläge beider Instrumente miteinander verglichen
werden.
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Werden die beiden Drehspulen 2 und 2' von glei chen Gleichströmen
durchflossen, so entspricht der Ausschlag von 2 dem Fehlerstrom und der Ausschlag
von 2' der Fehlerspannung. Bekanntlich ist nun die Fehlerortsentfernung proportional
der Leitungsimpedanz Z, d. h. dem Verhältnis von Fehlerspannung zu Fehlerstrom.
Wandelt man dieses Verhältnis Z= U/I so ab, daß I = 1, d. h. 100% des höchstmöglichen
Fehlerstromes wird, dann wird Z = U. Daher kann man den vorzugsweise hintereinandergeschalteten
Drehspulen der beiden Meßsysteme durch Schließen des Schalters 7 aus der gemeinsamen
Gleichstromquelle 8, z. B. über den Regelwiderstand 10, einen Gleichstrom solcher
Höhe zuführen, bis der mit der Drehspule2 verbundene Zeiger die der höchstmöglich
auftretenden Stromstärke entsprechende Eichmarke 100% auf der Skala erreicht hat
(Fig. 2 a). Die Zeigerstellung des Spannungs systems gibt dann unmittelbar den Impedanzwert
Z
in 8/o der Leitungslänge an bzw. bei entsprechender Eichung der Skala direkt die
Fehlerortsentfernung, beispielsweise in km (Fig. 2b).
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Die Meßeinrichtung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der in Fig.
2 dargestellten dadurch, daß dem magnetisierbaren Teil des Spannungssystems außer
dem spannungsproportionalen Magnetisierungsstrom e noch ein dem Leitungsstrom proportionaler
Magnetisierungsstrom i, vorzugsweise über eine getrennte Wicklung3", im entgegengesetzten
Sinne zugeführt wird. Die Erregung beider Systeme durch einen dem Leitungsstrom
proportionalen Magnetisierungsstrom i kann dazu dienen, eine gleichmäßigere Magnetisierung
der zwei Meßsysteme zu erreichen, beispielsweise für den Fall, daß bei geringen
Fehlerortsentfernungen der Magnetisierungsstrom e sehr klein wird. Durch die zusätzliche
Erregung im nmgekehrten Sinne erhält man auf dem Spannungssystem den Wert i-e. Wenn
e = i ist, gibt das Spannungssystem keinen Ausschlag mehr, was bedeutet, daß der
Fehler am Messende der Leitung liegt. Stellt man das Stromsystem wieder durch Anlegen
eines entsprechend hohen Gleichstromes mit Hilfe des Regelwiderstandes 10 auf Endausschlag
bzw. Ausschlag 1000/o ein, so gibt der Zeiger des Spannungssystems wiederum in Prozenten
der Leitungslänge den Fehlerort an, soweit die Skala nicht zweckmäßigerweise in
Längeneinheiten (km) geeicht ist.
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In den Ausführungsbeispielen nach Fi!g. 2 und 3 ist ein satter Erd-
oder Kurzschluß vorausgesetzt. Vielfach tritt aber an der Fehlerstelle ein Lichtbogen
auf, dessen Widerstand berücksichtigt werden muß. Hierfür gibt das Ausführungsbeispiel
nach Fig. 4 einen Lösungsweg.
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Die Fig. 4 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
dadurch, daß der dem Spannungssystem zugeführte Magnetisierungsstrom zusätzlich
in bei Impedanzschutzrelais bekannter Weise um einen den Lichtbogenwiderstand berücksichtigenden
stromabhängigen Korrekturbetrag, ki, vermindert ist. Dies kann - wie dargestellt
- beispielsweise dadurch geschehen, daß ein Dreiwicklungstransformator 13 vorgesehen
wird, dessen eine Eingangswicklung von der spannungsproportionalen Meßgröße c und
dessen zweite Eingangswicklung im entgegengesetzten Sinne von der stromproportion,alen
Meßgröße i durchflossen wird, wobei der Betrag ki durch einen Abgriff an dieser
Wicklung einstellbar ist. Die Auswertung erfolgt wieder in der gleichen Weise wie
beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3.
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Die Ein- bzw. Abschaltung der Magnetisierungswicklungen der Meßsysteme
kann - wie schon an LIand der Fig. 1 beschriebenin Abhängigkeit vom zugehörigen
Selektivschutzrelais bzw. vom zugeordneten Leistungsschalter oder auch durch ein
Zeitrelais selbsttätig erfolgen. Auch der Meßvorgang selbst kantl in einfacher Weise
automatisiert werden, z. B. dadurch, daß nach beendeter Magnetisierung selbsttätig
eine Antriebsvorrichtung, z. B. ein Kleinmotor, eingeschaltet wird, welcher durch
Verdrehen bzw.
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Verschieben des Regelwiderstandes 10 den Strom durch die Drehspulen
2, 2' so lange erhöht, bis der Zeiger des Systems 2 den Ausschlag erreicht hat,
der bei dem höchstmöglichen Fehlerstrom auftreten würde.
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Durch Kontaktgabe in dieser Stellung kann der Verstellantrieb stillgesetzt
werden. Das Meßergebnis braucht dann vom Beobachter am Spannungssystem nur abgelesen
zu werden; es kann gegebenenfalls aber auch automatisch registriert werden. Die
neue Meßeinrichtung kann ebenso wie d;ie Einrichtung nach
dem Hauptpatent auch als
schreibendes Gerät ausgeführt werden.
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Die Entmagnetisierung kann nach erfolgter Messung und nach deren
Quittierung von Hand oder auch selbsttätig in der im Hauptpatent beschriebenen Weise
ausgeführt werden. Hierbei werden die Drehspulen 2, 2' nach der Messung von der
Gleichstromerregung durch den Schalter 7 abgeschaltet und die Systeme durch Zuschalten
von Wechselstrom auf die Magnetisierungsspulen 3, 3', 3" in bekannter Weise wieder
entmagnetisiert.
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Ebenso wie beim Hauptpatent kann es günstig sein, wenn zur Entmagnetisierung
nicht die Meßspule, d. h. die magnetisierende Spule, verwendet wird, sondern eine
andere, unabhängige Spule, die das zu entmagnetisierende Element umschließt.
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Es ist außerdem schon vorgeschlagen worden, zur Vermeidung der hohen
Luftspaltverluste bzw. zur Verringerung der für die Magnetisierung erforderlichten
Stromstärke und um für jeden Magnetisierungsvorgang den gleichen magnetischen Widerstand
vorliegen zu haben, den Luftspalt während der Magnetisierungsdauer und gegebenenfallls
auch während der Entmagnetisierungszeit durch ein Schluß stück zu überbrücken. Diese
Maßnahme der Anordnung eines magnetischen Nebenschlusses kann auch bei den beschriebenen
Ausführungsbeispielen mit Vorteil angewendet werden. Das Ein- und Ausrücken des
Schluß stückes kann dabei in Abhängigkeit vom Schalter 7 vorgenommen werden, so
daß der Luftspalt außerhalb der Abgleichs- und Ablesezeit überbrückt ist.