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Schaltungsanordnung für einen einschaltsicheren Differentialschutz
für Transformatoren Außer den nach dem Waagebalkensystem mit einem zweispuligen
Relais arbeitenden Differentialschutzschaltungen für Transformatoren sind Schaltungsanordnungen
für den Differentialschutz mit einem gepolten Relais bekannt, das an den gegeneinandergeschalteten
Ausgängen zweier Gleichrichteranordnungen liegt, von denen dem Eingang der einen
der aus dem Primärstrom und dem Sekund-ärstrom des Transformators gebildete Summenstrom
und dem Eingang der anderen der aus dem Primärstrom und dem Se-kundä,rstrorn,desTransformatorsgebildeteDifferenzstrom
zugeführt wird. Diese Schaltungsanordnung ist nun so bemessen, daß das gepolte Relais
in die Arbeitslage zwecks Auslösung des Transformators gelangt, wenn der Differenzstrom
einen bestimmten, vom Summenstrom abhängigen Wert erreicht. Damit wird mit Sicherheit
eine Fehlauslösung des Transformators vermieden, auch wenn ein gewisser Differenzstrom
fließt, der aber von einem Fehler hinter dem Transformator (außenliegender Kurzschluß)
herrührt.
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Um bei dieser Schaltungsanordnung eine Fehlauslösung zu verhindern,
wenn beim Einschalten eines Transformators kurzzeitig erheblicheMagnetisierungsströme
(Rush) auftreten, welche das gepolte Relais in die Arheitslage bringen würden, hat
man das Ansprechen des Relais durch ein nachgeschaltetes Zeitrelais oder durch starke
Dämpfung verzögert. Damit ist aber auch im Fehlerfall die Auslösung des Transformators
verzögert, so daß z. B. ein Kurzschluß im Transformator zu großen Zerstörungen führen
kann.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, da in diesen Magnetisierungsströrnen
starke Oberschwingungen der Netzfrequenz vorhanden sind, die Auslösung des Transformators
zu verhindern, wenn in dein Differenzstrom ein großer Oberwellenanteil enthalten
ist.
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Diesbezüglich ist es bekannt, am Eingang der Gleichrichteranordnung,
der der Summenstrom zugeführt wird, auf der Sekundärseite des Hilfsstrornwandlers
jeder Phase eine Drosselspule parallel zu schalten und einen ohmschen Widerstand
als Vorwiderstand einzuschalten, während am Eingang der Gleichrichteranordnung,
der der Differenzstrom zugeführt wird, auf der Sekundärseite des Hilfsstromwandlers
jeder Phase ein ohinscher Widerstand parallel geschaltet und eine Drosselspule als
Vorwiderstand eingeschaltet wird. Eine Fehlauslösung durch den Einschaltstromstoß
des Transformators wird dann dadurch verhindert, daß infolge des Oberwellenanteiles
des Summenstromes an der Drosselspule ein wesentlich höherer Spannungsabfall entsteht,
als dies einem sinusförn-ligen Strom vom gl-eichen Mittelwert entspräche; hierdurch
wird die Haltewirkung über den ohmschen Vorwiderstand und die Gleichrichteranordnung
in dem gepolten Relais wesentlich größer als bei einem gleich großen Sinusstrom
der Grundfrequenz. Der Oberwellenanteil im Differenzstromkreis wird dagegen infolge
des parallel geschalteten ohmschen Widerstandes nicht besonders hervorgehoben; die
Drosselspule als Vorwiderstand bewirkt außerdem, daß der von dem Oberwellenanteil
herrührende, auf das gepolte Relais auslösend wirkende Teilstrom gegenüber der Grundwelle
herabgedrückt wird. Eine Fehlauslösung wird also durch die Verwendung besonderer
Filterglieder am Eingang der Gleichrichteranordnung im Summenstromkreis und im Differenzstromkreis
verhindert.
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Bei dieser bekannten Schaltung ergeben sich Schwierigkeiten beim Abstimmen
der einzelnen Filterglieder insofern, als diese Glieder parallel zueinander liegen
und galvanisch miteinander verbunden sind, so daß das Abstimmen des einen Filtergliedes
eine Beeinflussung der anderen Filterglieder ergibt. Besonders schwierig wird das
Abstimmen der Filterglieder dann, wenn die Netzfrequenz schwankt und die Abstimmung
so vorgenommen werden muß, daß alle Filterglieder innerhalb eines Frequenzbereiches
denselben Frequenzgang aufweisen. Hierbei läßt sich nur schwer eine Frequenzunabhängigkeit
der Schaltung erzielen.
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Eine weitere bekannte, die Wirkung der Ober-wellen zur Verhinderung
des Fehlauslösens des Transformators ausnutzende Schaltung arbeitet mit einem Waagebalkenrelais,
dessen Arbeitsspule durch einen an der Sekundärwicklung des in den Differenzstromkreis
eingeschleiften Hilfswandlers liegenden Reihenresonanzkreis mit der Grundwelle des
Differenzstrornes
gespeist wird und dessen- Haltespule in. einem
im wesentlichen aus der Reihenschaltung eines auf die Grundfrequenz abgestimmten
Sperrkreises und einer Gleichrichteranordnung bestehenden Stromkreis lieg'. Diese
Reihenschaltung ist ebenfalls mit der Sekundärwfcklung des genannten Hilfswandlers
verbunden, so daß eine galvanische Verbindung zwischen dem Stromkreis für die Arbeitsspule
und dem Stromkreis für die Haltespule besteht. An 'die Ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung
im Stromkreis für die Haltespule des Relais ist sowohl die- Wicklung der Haltespule
als auch der S ekundärkreis eines in den Summenstromkreis eingeschleiften
Hilfswandlers eingeschlossen. Bei dieser Schaltung besteht also eine galvanische
Verbindung zwischen drei Stromkreisen, und außerdem sind sowohl im Stromkreis- der
Arbeitsspule als auch im Stromkreis der Haltespule frequenzabhängige Glieder notwendig.
Dies bewirkt einmal eine starke Frequenzabhängigkeit der Schaltung, und zum anderen
beeinflussen sich die drei genannten Stromkreise gegenseitig, z. B. im Falle der
Sättigung einer der Spulen.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem zum Differentialschutz
für Transformatoren dienenden gepolten Relais. Sie stimmt insoweit mit der erstgenannten
bekannten Schaltungsanordnung überein, als dieses Relais in einem von zwei Gleichrichteranordnungen
gespeisten frequenzunabhängigen Stromkreis liegt, von denen dem Eingang der einen
der Summenstrom (Summenströme) und dem Eingang der anderen der Differenzstrom (Differenzströme)
zugeführt wird. Ferner enthält sie wie beide bekannten Anordnungen Einrichtungen,
welche durch beim Einschalten des Transformators oder nach Beseitigung eines Kurzschlusses
auftretende Oberwellen zur Verhinderung von Fehlauslösungen des Transformators beeinflußbar
sind.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bezweckt, die erwähnten Nachteile
- Frequenzabhängigkeit, gegenseitige Beeinflussung der Kreise - der
be-
kannten Schaltungen zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine Schaltungsanordnung mit dem Kennzeichen gelöst, daß der im Differenzstrom enthaltene
Oberwellenanteil mittels eines Netzwerkes in einem Stromkreis ausgefiltert wird,
der von dein durch die Gleichrichteranordnungen gespeisten frequenzunabhängigen
Stromkreis - zweckmäßig durch galvanische Trennung - entkoppelt ist,
worauf der Oberwellenanteil gleichgerichtet und dem gepolten Relais derart zugeführt
wird, daß die Fehlauslösung des Transformators verhindert wird.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung 'bietet weiterhin die
vorteilhafte Möglichkeit des nachträglichen Einbaus in bereits in Transformatoren
installierte Distanzschutzeinrichtungen. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
findet auch bei Mehrphasentransformatoren lediglich ein einziges, als Filtereinrichtung
dienendes Netzwerk Verwendung, so daß eine gegenseitige Beeinflussung zwischen mehreren
Filtergliedern ausgeschlossen ist. Die Filtereinrichtung kann daher sehr freizügig
gewählt und ausgelegt werden. Von ihr ist nur zu fordern, daß die Netzfrequenz gut
unterdrückt wird und die Oberschwingungen gut durchgelassen werden. Infolge des
großen Frequenzbereiches ist auch die Einschwingzeit klein, so daß das gepolte Relais
keiner Amsprechverzögerung bedarf.
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Außer diesen Vorteilen werden noch weitere später an Hand des Ausführungsbeispiels
erläuterte Vorteile erzielt. Zweckmäßig ist es, das gepolte Relais mit zwei Wicklungen
auszurüsten, wobei dann der gleichgerichtete Oberwellenanteil die zusätzliche Wicklung
des gepolt.en Relais speist.
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In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der *Erfindung-
dargestellt. Der DrehstromtransformatorT, ist zu schützen. Seine Primärschaltung
ist gleich der Sekundärschaltung. Die Netzstromwandler NW, bis
NW, übersetzen auf beiden Seiten auf eine gleiche Stromstärke. Im fehlerfreien
Betrieb. hat der TransformatorT1 nahezu keinen Eigenverbrauch, so daß die Differenzen
der Ströme hinter den Netzstromwandlern NWI und NW4 bzw. NW2 und
NW., bzw. NW3 und NW, jeweils Null ergeben. Bei einem Fehler im
Transformator Ti entstehen Differenzströme, welche durch die Primärwicklungen der
Waundler WDJ> WD2 und WD, fließen. Auf der Sekundärseite der Wandler WD,
bis WD, liegt die Gleiclirichteranordnung GID, die im Fehlerfall die Wicklung
I des gepolten Relais Rp so speist, daß das Relais von der Ruhelage in die Arbeitslage
gelangt und damit den Transformator T, an den Stellen A und B auslöst.
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Bei einem Fehler hinter dem Transformator T, darf keine Auslösung
erfolgen. In diesem Falle, in dem große Ströme über die Netzstromwandler NW, bis
Al'W, fließen, würden keine Differenzströme entstehen, wenn die Netzstromwandler
richtig übersetzen würden. Das ist aber nicht der Fall, denn die Netzstrolnwandler
zeigen bei Strömen, die ein Vielfaches des Nennstromes betragen, meist erhebliche
Übersetzungsfehler. Demzufolge treten Differenzströme auf, die das gepolte Relais
RP in die Arbeitslage bringen. Um eine solche Fehlauslösung zu verhindern, sind
in bekannter Weise noch die Wandler WS, bis WS, mit der Gleichrichteranordnung
Gls auf ihrer Sekundärseite vorgesehen. Die Ausgänge der beiden Gleichrichteranordnungen
GID und Gls sind in dem zusanimen mit der Wicklung I des gepolten Relais Rp gebildeten
frequenzunabhängigen Stromkreis gegeneinandergeschaltet. Bei einem außenliegenden
Kurzschluß werden die Wandler WS, bis WS, oder einer von ihnen stark erregt,
so daß die Gleichrichteranordnung Gls einen den frequenzunabhängigen Stromkreis
und damit die Wicklung I des gepolten Relais Rp in einer solchen Richtung durchfließenden
Strom abgibt, daß selbst bei Vorhandensein von Differenzströmen eine Fehlauslösung
verhindert ist.
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Ein an Spannung liegender Transformator verbraucht nur kleine Magnetisierungsströme,
welche zwar zu kleinen Differenzströmen durch die Wandler T,T?'D, bis
WD. führen; der dadurch hervorgerufene Strom durch das gepolte Relais Rp
läßt dieses Relais aber nicht in die Arbeitslage kommen, da sein Wert weit unter
dem Ansprechwert des gepolten Relais Rp liegt.
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Anders liegt der Fall beim Einschalten des Transformators Ti oder
nach Beseitigung eines Kurzschlusses. Hierbei entstehen kurzzeitig hohe Magnertisierungsströme
(Rush), welche das gepolte Relais Rp zum Ansprechen bringen könnten. Das wird durch
die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung verhindert. Hierbei durchfließen die
Differenzstörne die Primärwicklungen des Anpassungstransformators TA. An die Klemmen
ki und k. auf der Sektindärseite des Anpassungstransformators TA ist das
frequenzabhängige Netzwerk FE (Filtereinrichtung) angeschlossen, welches
die Netzfrequenz (50 Hz) sperrt, aber die Oberschwingungen (100, Hz
und darüber) durchläßt. An die Klemmen k. und k4 ist die Gleichrichteranordnung
Gl. angeschlossen. Durch d#iese Gleichrichteranordnung
wird der
ihr zugeführte Oberwellenanteil der Differenzströme in einen Gleichstrom. umgesetzt,
der die Wicklung II des gepolten Relais Rp so speist, daß es in seiner Ruhelage
verbleibt, also den Transformator Ti nicht auslöst, selbst wenn die Wicklung I durch
einen aus den Differenzströmen gebildeten Gleichstrom am Ausgang, der Gleichrichteranordnung
GID beeinflußt werden würde, der sonst ausreichen würde, um das gepolte Relais Rp
in die Arbeitslage zu bringen.
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Gegenüber den bekannten Anordnungen, welche Filterglieder auf der
Eingangsseite der durch die Summenströme gespeisten Gleichrichteranordnung und auf
der Eingangsseite der durch die Differenzströme gespeisten Gleichrichteranordnung
vorsehen, wird der Vorteil der völligen Unabhängigkeit des Schaltungszusatzes gemäß
der Erfindung erzielt, da infolge Verwendung einer gemeinsamen Filtereinrichtung
keine gegenseitige Beeinflussung der bei den bekannten Anordnungen vorhandenen Einzelfilterglieder
erfolgen kann. Demzufolge kann die Filtereinrichtung FE ohne Schwierigkeiten
so ausgelegt werden, daß die Netzfrequenz 50 Hz unterdrückt wird, die Oberwellen
aber gut durchgelassen werden. Da die Einschwingvorgänge infolge des großen Frequenzbereiches
der Filtereinrichtung nur eine geringe Zeit benötigen, braucht für das gepolte Relais
Rp keine Verzögerung vorgesehen zu werden. Als Filtereinrichtung FE kann
eine Brükkenschaltung Bs gemäß der Fig. 2 verwendet werden, die auf die Netzfrequenz
abgestimmt ist. Auch eine Brückenschaltung nach Wien-Robinson, die aus der in Fig.
2 dargestellten Brückenschaltung entsteht, wenn man den Resonanzkreis zwischen den
Klemmen k2 und k4 durch die Reihenschaltung eines Widerstandes und eines
Kondensators sowie den Widerstand zwischen den Klemmen k. und k. durch
die Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators ersetzt, erfüllt
in gleicher Weise die Bedingungen. Diese Brückenschaltungen benötigen einen geringen
Aufwand und unterdrücken die Netzfrequenz völlig. Sie geben jedoch an den Klemmen
k., k4 einen Ausgangsstrom ab, wenn trotz sinnsförtnigen Eingangsstromes
an den Klemmen k, und k. die Netzfrequenz von ihrem Sollwert, auf welchen
die Brücke abgeglichen ist, etwas abweicht. Dann entsteht ein Strom für das Halten
des gepolten Relais Rp in der Ruhelage, durch welchen auch bei einem gleichzeitigen
Transformatorfehler die Auslösung unterbleiben könnte. Zweckmäßiger ist diesbezüglich
als Filtereinrichtung FE ein Hochpaß, der in der Fig. 3 als
mehrgliedriger Hochpaß HF dargestellt ist. Dadurch wird die Netzfrequenz genügend
gut unterdrückt. Die Grenzfrequenz dieses Hochpasses ist auf etwa die 1,5fache Netzfrequenz
zu legen.
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Zum Schutz eines Drehstromtransformators ist es nicht notwendig, den
Schaltungszusatz gemäß der Erfindung für jede Phase vorzusehen; es genügt, wie es
die Fig. 1 zeigt, den Anpassungstransformator TA als Summierungswandler primärseitig
mit mehreren Wicklungen zu versehen und diese in zwei oder drei Phasen einzuschleifen.
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Hat ein zu schützender Transformator einen inneren Kurzschluß, so
entsteht mindestens in einer Phase ein kräftiger Differenzstrorn. Der Oberschwingungsgehalt
eines Kurzschlußstronres ist gering. Am stärksten ist die dritte Oberschwingung
enthalten. Werden die Netzstromwandler überbürdet bzw. zu klein in ihrer Leistung
gewählt, so können auch diese insbesondere die dritte Oberschwingung hervorrufen.
Damit dann eine Auslösung bei einem inneren Transformatorfehler nicht unterbleibt,
ist es zweckmäßig, die dritte Oberschwingung im Differenzstrorn nicht mit zum Halten
des gepolten Relais Rp in der Ruhelagie heranzuziehen. Zu ihrer Unterdrückung wird
dann gemäß der Fig. 3 noch das dem Netzwerk FE zugeordnete Filter
F, vorgesehen, dessen Glieder hiereinen Saug' kreis für die dritte Oberwelle bilden;
es könnte aber auch ein geeignet eingeschleifter Sperrkreis für diese Oberwelle
Verwendung finden.
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Der Differentialschutz stellt für die Netzstromwandler eine Bürde
dar; um diese bezüglich des Schaltungszusatz,es für die Netzfrequenz und deren Nachbarfrequenzen
nicht zu groß werden zu lassen, kann man in der Fig. 3 noch das auf die Netzfrequenz
abgestimmte, dem Netzwerk FE eingangsseitig parallel geschaltete Filter F,
(Saugkreis) vorsehen. Ebenfalls kann der als Potentiometer ausgebildeteWiderstandp,
zur Verringerung der Bürde beitragen. Durch Verwendung eines spannungsabhängigenWiderstandes
Gli (Gleichrichters), der vorzugsweise parallel zur zusätzlichen Wicklung II des
gepolten Relais gelegt wird, kann die Amplitude des gleichgerichteten Oberwellenanteils
und damit die Wirksamkeit des Schaltungszusatzes nach oben hin begrenzt werden.
Dadurch wird eine besonders geringe Ansprechzeit bei sehr kräftigen Kurzschlüssen
im Transformator T, erzielt. überschreitet die Gleichspannung an dem Gleichrichter
Gl. den Schwellwert, so wächst der Gleichstrom durch die zusätzliche Wicklung II
des gepolten Relais Rp nicht weiter an, so daß das Relais durch den Gleichstrom
der Gleichrichteranordnung GID schnell anspricht. Die Höhe der B-egrenzung kann
mit dem veränderbaren Widerstand R" eingestellt werden. Unterhalb des Schwellwertes
läßt sich die Wirksamkeit des Schaltungszusatzes mit dem als Potentiometer P, ausgebildeten
Widerstand einregeln. Statt des Widerstandes Pl könnte auch ein Fest-,viderstand
vorgesehen werden und die Einregelung an Anzapfungen der Sekundärwicklung des Anpassungstransformators
TA stufenweise vorgenommen werden.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung arbeitet im Gegensatz
zu den bekannten Schaltungen auch bei erheblichen Abweichungen der Netzfrequenz
von ihrem Sollwert einwandfrei, wenn als Filtereinrichtung FE ein Hochpaß
mit einer Grenzfrequenz der 1,5fachen Sollnetzfrequenz verwendet wird. Überschreitet
jedoch die Netzfrequenzabweichung eine bestimmte Größe (± 2011/o), so ist
das einwandfreie Arbeiten nicht mehr gewährleistet. Steigt z. B. die Netzfrequenz
auf den 1,5fachen Wert ihres Sollwertes, so wird der Hochpaß für eine solche hohe
Frequenz durchlässig. Im Fehlerfall des Transformators T, wird eine Auslösung des
Transformators Ti unterbunden, da ein starker Gleichstrom am Ausgang der Gleichrichteranordnung
Glo entsteht, durch den das gepolte Relais Rp über seine zusätzliche Wicklung II
in der Ruhelage gehalten wird. Die Tatsache, daß zum Zwecke der Verhinderung von
Fehlauslösungen in Ab-
weichung von den bekannten Anordnungen ein von dem
durch die Gleichrichteranordnungen gespeisten frequenzunabhängigen Stromkreis getrennter
Stromkreis vorgesehen ist, der den ganzen Schaltungszusatz enthält, macht es auch
möglich, diesen Gleichstrom durch den KontaktKF eines Frequenzrelais für die zusätzliche
WicklungII des gepolten RelaisRp unwirksam züi machen. Man kann sogar so weit gehen,
daß man den Schaltungszusatz nur wirksam werden läßt, wenn er benötigt wird, insbesondere
beim Zuschalten des zu schützenden TransformatorsT, und nach Kurzschlüssen im Netz
bei Wiederkehr der Spannung. Die Wirksamkeit wird einige Sekunden aufrechterhalten.
Nach
Abklingen des erhöhten Magnetisierungsstromes wird der genannte Kontakt
ge-
schlossen. Dazu müßte der Kontakt von Spannungsrelais der Netzspannung
oder von Stromrelais des Magnetisierungsstromes des Transformators T, über ein Zeitrelais
gesteuert werden.
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Eine weitere: Maßnahme, um für große Kurzschlußströme, fals diese
einen großen Oberwellenanteil enthalten oder falls die Netzfrequenz stark von ihrem
Sollwert abweicht, bei einem Transformatorfehlerimmer eine Auslösung zu erhalten,
besteht darin, daß man ein frequenzunabhängiges, etwas zeitverzögertes, gepoltes
Relais RV vorsieht. Dieses Relais ist auf einen solchen Ansprechwert einzustellen,
daß es auch bei den größten bei Einschaltung des Transformators T:, auftretenden
Stromspitzen nicht anspricht. Die Kontakte des gepolten Relais Rp und des verzögerten
Relais RV sind parallel zu schalten. Das frequenzunabhängige. Relais RV stellt damit
einen Reserveschutz dar.