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Differentialschutz Die Erfindung betrifft einen Differentialschutz,
dessen Ansprechwert durch einen Haltestrom erhöht wird, in Gleichrichter-Brückenschaltung
mit Zwischenwandlern, durch die der Differenzstrom und der Haltestrom über gesonderte
Gleichrichter einer Relaiswicklung zugeführt werden.
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Solche Schutzeinrichtungen sind unter dem Namen Differentialschutz
mit Haltekreis oder Prozentdifferentialschutz bekanntgeworden. Sie haben die Aufgabe,
den Ansprechstrom der Einrichtung in dem Falle zu erhöhen, wenn ein Haltestrom,
d. h. ein großer Durchgangsstrom, durch das zu schützende Gerät hindurchfließt.
Der Vorteil ist, insbesondere bei Transformatoren mit Anzapfungen, daß der Einstellwert
des Differentialschutzes unabhängig von den gewählten Anzapfungen gemacht werden
kann. Die durch den Haltestrom bewirkte Erhöhung des Ansprechwertes muß gerade so
groß sein, daß die durch die Wandler und durch die verschiedenen Anzapfungen bei
großen Durchgangsströmen entstehenden Fehlerströme nicht zu einer Auslösung des
Schutzes führen können, denn bei außenliegenden Fehlern darf der Differentialschutz
nicht ansprechen.
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Der Schutz ist so geschaltet, daß der Differenzstrom zwischen den
Strömen auf beiden Seiten des zu schützenden Gerätes, beispielsweise eines Transformators,
gegebenenfalls über Zwischenglieder einer Relaiswicklung zugeführt wird. Dieser
Strom bewirkt ein Ansprechen des Relais von einem bestimmten Ansprechwert an. Zugleich
wird aber diesem Relais auch der durch den Transformator hindurchgehende Strom zugeführt,
welcher aber der Auslösung entgegenwirkt. Hierdurch erhöht sich bei großen Durchgangsströmen
der Ansprechwert. In Fig. 1 ist eine solche Kennlinie (a) dargestellt. Auf der Abszisse
ist der Haltestrom 1l,, auf der Ordinate der Differenzstrom 1A dargestellt, bei
dem der Schutz ansprechen soll. Man erkennt, daß mit steigendem Haltestrom der Ansprechwert
proportional größer wird.
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Es hat sich nun herausgestellt, daß solche geraden Kennlinien nicht
zweckmäßig sind. Wegen der mit steigenden Durchgangsströmen eventuell stark wachsenden
Wandlerfehler (Sättigung) muß nämlich die Steilheit der Kennlinie a groß gewählt
werden. Die Erhöhung des Ansprechwertes tritt aber auch dann ein, wenn ein Fehler
im Transformator selbst vorliegt, wodurch die Empfindlichkeit des Schutzes unnötigerweise
herabgesetzt wird. Um dies zu vermeiden, hat man versucht, eine geknickte Kennlinie,
wie sie ebenfalls in der Fig. 1 dargestellt ist (Kurve b), zu erhalten. Man kann
diese geknickte Linie dadurch erreichen, daß man schon bei geringen Strömen gesättigte
Stromwandler verwendet. Und zwar kann man hierzu den Stromwandler wählen, der den
Differenzstrom liefert. Dieser Strom wächst dann mit größerem Strom nicht mehr an,
und der Haltestrom wirkt bei großen Strömen stärker hemmend, so daß die Kennlinie
steiler wird. Man kann auch Hilfswandler oder Drosselspulen in den Haltekreis legen,
die von einer bestimmten Stromhöhe an sich sättigen. Diese lassen bei höheren Strömen
verhältnismäßig mehr Strom hindurch als bei unter dem Sättigungswert liegenden Strömen,
so daß die Wirkung des Haltestromes von einem bestimmten Punkt an erhöht wird. Auch
diese Ausführungen haben Nachteile, da eine Einstellung der Kennlinie nicht möglich
ist. Man kann den Knick nicht beliebig wählen, man kann ihn auch nicht verschieden
formen, und man kann daher den Schutz nicht allen möglichen verschiedenen Betriebsverhältnissen
in leichter Weise anpassen.
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Geknickte Kennlinien kann man ferner noch dadurch erhalten. daß zwischen
der Relaiswicklung und den Hilfswandlern für den Haltestrom nichtlineare Widerstände
eingeschaltet werden. Aber auch hierdurch ist der Knick selbst nicht einstellbar
zu machen.
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Es ist nun weiter bekanntgeworden, in Differentialschutzschaltungen
Spannungsteiler mit regelbaren Widerständen und Zenerdioden zu verwenden. Solche
Zenerdioden können Widerständen parallel geschaltet werden, wodurch nichtlineare
Charakteristiken entstehen. Hierdurch werden die Hilfsspannungen stabilisiert oder
der Abgleich der Wandlerbürde verbessert. Man hat damit auch die Möglichkeit, von
einem bestimmten überstrom ab den Sperranteil abzuschneiden,
welcher
zur Verhinderung von Falschauslösungen bei Einschaltströmen eingeführt worden ist.
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Es stellt sich also die Aufgabe, einen Differentialschutz mit Haltekreis
zu finden, bei dem die Lage des Knickpunktes in beliebiger Weise und einfach eingestellt
werden kann, wobei die Wahl der Steilheit und des Ansprechwertes bei fehlendem Haltestrom
selbst nicht beeinträchtigt werden darf.
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Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß zwischen der Relaiswicklung
und dem Hilfswandler für den Haltestrom einstellbare Widerstände vorgesehen sind,
die durch mindestens eine Zenerdiode überbrückt werden derart, daß die Größe des
auf das Relais wirkenden Haltestromes vor dem Öffnen der Zenerdiode in der Sperrichtung
und das Öffnen der Zenerdiode selbst unabhängig voneinander eingestellt werden können.
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Diese Widerstände können wenigstens zum Teil einstellbar sein. Hierdurch
wird erreicht, daß durch die Einstellbarkeit der Widerstände der Knickpunkt verlegt
werden kann. Der Knickpunkt entsteht durch die Zenerdiode, welche ja bekanntlich
bei Auftreten einer Spannung in Sperrichtung von einer bestimmten Höhe an ebenfalls
leitend wird.
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Die Anordnung wird genauer in der Fig. 2 beschrieben. Dort ist das
Schaltbild für einen Transformator-Differentialschutz mit Haltekreis beschrieben.
Der Transformator ist mit 1 bezeichnet, er besitzt auf beiden Seiten die Stromwandler
2 und 3. Diese sind in bekannter Weise zusammengeschaltet und über den Hilfsstromwandler
4 verbunden. In dem Hilfsstromwandler fließt die Differenz der Ströme in den Stromwandlern
2 und 3. Diese Differenz wird über die Gleichrichteranordnung 5 dem Relais 6 zugeführt.
Dieser Strom wirkt auslösend. Der Auslösekontakt des Relais, welcher nicht dargestellt
ist, löst im allgemeinen den oder die Schalter des Transformators aus. Ferner ist
noch der Zwischenwandler 7 vorgesehen. Durch diesen fließt die Summe der Ströme
2 und 3 hindurch. Dieser Strom wird nun in der Gleichrichteranordnung 8 ebenfalls
gleichgerichtet und dem Relais 6 zugeführt. Zwischen dieser Gleichrichteranordnung
und dem Relais ist nun die Einrichtung eingeschaltet, welche gestattet, den Knickpunkt
der Kennlinie einstellbar zu machen. Diese Einrichtung besteht aus den beiden veränderlichen
Widerständen 9 und 10, dem festen Widerstand 11 und der Zenerdiode 12. Außerdem
ist noch der Gleichrichter 13 vorgesehen. Bis zu einer bestimmten Höhe des Stromes
und damit der an den Widerständen 9 und 11 liegenden Spannung sperrt die Diode 12.
Der Hauptteil des Haltestromes fließt dann über die Widerstände 9 und 10 und nur
ein geringer Teil über den Widerstand 11 und das Relais 6. Die Haltewirkung ist
sehr gering und daher die Kennlinie am Anfang sehr flach. Wird aber der Strom in
den Widerständen 9 und 10 und damit die Spannung an der Zenerdiode 12 höher, so
wird die Diode 12 leitend und schließt die Widerstände 9 und 11 kurz. Auf diese
Weise kann nun ein zusätzlicher hoher Anteil Haltestrom auf das Relais 6 wirken
und erhöht dann in rascher Weise die Steilheit der Auslösekennlinie. Der Knickpunkt
der Kennlinie wird also durch die Diode 12 bewirkt.
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Je nach der Einstellung des Widerstandes 9 nun kann dieser Knickpunkt
verschoben werden; denn maßgebend für das Überschreiten der Sperrgrenze ist die
Spannung, die durch den Widerstand 9 entsprechend dem durchfließenden Strom eingestellt
wird. Der vor Erreichen des Knickpunktes durch das Relais fließende Strom kann durch
den Widerstand 10 eingestellt werden. Mit dem Widerstand 10 wird also das Halteverhältnis
des Schutzes bis zum Knickpunkt eingestellt. Macht man den Widerstand 9 im Verhältnis
zu den Widerständen 10 und 11 groß, so bestimmt dieser praktisch allein die Lage
des Knickpunktes. Eine Änderung des Halteverhältnisses durch den Widerstand
10 hat also praktisch keinen Einfluß auf die Lage des Knickpunktes.
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Gemäß Fig. 3 kann man die Anordnung noch anders gestalten. Man kann
der Zenerdiode 12 einen weiteren Widerstand 14 vorschalten. Dadurch kann die Steilheit
der Kennlinie nach dem Knick geändert werden. Der Widerstand 14 kann hierbei auch
einstellbar gemacht werden, um die Steilheit der Kennlinie nach dem Knick zu beeinflussen.
Ferner kann man dem Widerstand 14 eine weitere Zenerdiode 15 parallel schalten,
wodurch ein zweiter Knickpunkt entsteht und erst im letzten Teil die Kennlinie ihre
volle Steilheit erreicht, während sie zwischen den beiden Knickpunkten etwas flacher,
aber doch steiler als am Anfang bleibt. Man kann durch eine beliebige Anzahl von
Zenerdioden hierbei erreichen, daß praktisch gar kein Knickpunkt mehr auftritt,
sondern daß die Kennlinie abgerundet wird. Es sind natürlich noch weitere Kombinationen
möglich; welche eine weitgehende Anpassung der Kennlinien ermöglichen. An Stelle
von Widerstand und Zenerdiode kann auch ein spannungsabhängiger Widerstand verwendet
werden. Die abgerundete Kennlinie ist als Kurve c in Fig. 1 eingezeichnet.
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Aus der Anordnung ergibt sich der technische Vorteil, daß die Kennlinien
des Differentialschutzes beliebig eingestellt werden können. Man hat dadurch die
Möglichkeit, seine Empfindlichkeit bei inneren Fehlern wesentlich zu erhöhen, ohne
dabei Gefahr laufen zu müssen, daß bei außenliegenden Fehlern der Schutz unberechtigterweise
anspricht. Der Aufwand für die verschiedensten Einstellmöglichkeiten ist verhältnismäßig
gering; es genügen veränderliche Widerstände und Zenerdioden, welche wenig Raum
beanspruchen und leicht zu erhalten sind.