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Einschaltsicheres Differentialstrom-Relais Die Erfindung betrifft
ein einschaltsicheres Differentialstrom-Relais, das einen Auslösekreis, einen Kompensationskreis
und einen Haltekreis aufweist, wobei der letztere vorzugsweise die zweie Harmonische
des Differentialstromes führt.
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Das Verhalten eines Transformators kann man bekanntlich mit Hilfe
des in Fig. 1 gezeigten vereinfachten Ersatzschemas hinreichend genau beschreiben.
Dort ist mit X1 der primäre, mit X2 der reduzierte sekundäre Streublindwiderstand
und mit X, die Leerlaufreaktanz bezeichnet. Beim einwandfreien Transformator ist
11 -I- J2 stets gleich dem Magnetisierungsstrom J,u. Tritt hingegen ein Windungsschluß,
ein Phasenschluß oder eine andere innere Störung auf, so ist an Stelle von X, eine
wesentlich kleinere Reaktanz vorhanden, und es fließt ein beträchtlicher Differentialstrom.
Diese Tatsache wird benutzt, um Transformatoren durch Differentialstrom-Relais vor
den Folgen innerer Kurzschlüsse zu schützen. Ordnet man nämlich gemäß Fig. 2 im
Primär- bzw. Sekundärkreis des Transformators die Stromwandler 1 bzw. 2 an, so läßt
sich durch entsprechende Wahl der übersetzungsverhältnisse erreichen, daß über das
Relais 3 der Differentialstrom !D fließt und beim Auftreten eines Fehlers die Abschaltung
des Transformators erfolgt. Falls man die Stromwandler 1 und 2 nicht exakt dem Übersetzungsverhältnis
des Transformators anpaßt, entsteht auch unter normalen Bedingungen ein Differentialstrom.
Um ein hierdurch bedingtes unberechtigtes Ansprechen zu vermeiden, wird in bekannter
Weise gemäß Fig.3 ein stromabhängiges Kompensationssystem 4 vorgesehen, welches
dem Differentialsystem 3 entgegenwirkt. Nun tritt jedoch nicht nur bei ungenauer
Anpassung der Stromwandler oder bei einem Defekt, sondern auch beim Einschalten
eines Transformators ein Differentialstrom auf, so daß es zu Fehlauslösungen kommen
könnte. Das Differentialstrom-Relais muß deshalb so gebaut sein, daß eine Unterscheidung
zwischen Fehlerströmen und Einschaltstromstößen möglich wird. Die Lösung hierzu
ergibt sich aus der harmonischen Analyse von oszillographisch aufgenommenen Fehler-
und Einschaltströmen. Während sowohl beim Fehler- als auch beim Einschaltstrom eine
Gleichstromkomponente sowie in geringerem Maße höhere Harmonische vorhanden sind,
ist der Einschaltstoß durch einen relativ hohen Wert der zweiten Harmonischen (etwa
30 bis 701/o der Grundwelle) gegenüber dem Fehlerstrom eindeutig gekennzeichnet.
Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, das Differentialstrom-Relais nicht nur
mit einem Auslöse- und Kompensationssystem, sondern darüber hinaus mit einem Haltesystem
zu versehen, wobei letzteres unter Verwendung von Siebkreisen bzw. Sperrkreisen
nur auf die höheren Harmonischen bzw. insbesondere auf die zweite Harmonische anspricht.
Sobald diese Harmonischen einen bestimmten Wert besitzen, verhindert das Haltesystem
eine Abschaltung des Transformators, da es sich ja um einen Einschaltstoß handelt.
Wenn man sämtliche höheren Harmonischen auf das Haltesystem wirken läßt, kann bei
heftigen Fehlern, z. B. in der Nähe der Transformatorklemmen, infolge der Sättigung
der Stromwandler und der dadurch hervorgerufenen starken Oberwellen ein Einschaltstoß
vorgetäuscht werden und der Schutz versagen. Ordnet man hingegen in Reihe zum Haltekreis
einen Sperrkreis bzw. parallel zum Haltekreis einen Resonanzkreis für die Grundwelle
an, so ist die genaue Abstimmung relativ schwierig, und es werden verhältnismäßig
viele Schaltelemente benötigt.
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Die Nachteile des Bekannten lassen sich vermeiden, wenn erfindungsgemäß
der die zweite Harmonische bevorzugende Kreis in Reihe liegt zur Primärwicklung
eines Zwischenstromwandlers und wenn diese Primärwicklung einen Abgriff besitzt,
der mit einem weiteren Kreis verbunden ist, welcher die zweite Harmonische sperrt.
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In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des- Erfindungsgegenstandes
schematisch wiedergegeben. Mit 1 wird ein im primären, mit 2 ein im sekundären Transformatorkreis
angeordneter Stromwandler bezeichnet. Der Stromwandler 3' führt den Differentialstrom
iD, während der Wandler 4' im Zusammenwirken mit der
Gleichrichterbrücke
5 dem Auslösesystem 6 eine vom Transformatorbetriebsstrom abhängige Komponente zuführt,
welche zur Kompensation desjenigen Differentialstromes dient, der von einer nicht
völlig genauen Anpassung der Stromwandler 1 und 2 an das Transformatorübersetzungverhältnis
herrührt. Die Sekundärwicklung eines Zwischenstromwandlers 7 ist mit einer Gleichrichterbrücke
8 verbunden, welche den Haltestrom liefert. Die Primärwicklung des Zwischenstromwandlers
7 liegt in Reihe zu einer Drossel 9 und einer Kapazität 10, welche vorwiegend die
zweite Harmonische des Differentialstromes führen. Der aus einer Induktivität 11
und einem Kondensator 12 aufgebaute Kreis, welcher einen Sperrkreis für die zweite
Harmonische darstellt, steht einerseits mit einer den Auslösestrom abgebenden Gleichrichterbrücke
13 in Verbindung, andererseits mit einem Abgriff 14 der Primärwicklung des Zwischenstromwandlers
7. Der Wandler 3' und die Brücke 13 sind über einen ohmschen Widerstand 15 miteinander
verbunden.
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Zur Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes ist folgendes auszuführen:
Bei Nennfrequenz verhält sich der aus der Drossel 11 und dem Kondensator
12 bestehende Parallelkreis induktiv, während die aus der Drossel 9 und dem Kondensator
10 gebildete Reihen-Schaltung kapazitiv ist. Die Grundwelle des Differentialstromes
hat also zu beiden Seiten des an der Zwischenstromwandler-Primärwicklung angebrachten
Abgriffs 14 entgegengesetzte Richtungen. Dies ist in Fig. 5 dargestellt, in welcher
gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 4. Die Grundwelle
wird also bei entsprechender Einstellung des Abgriffs 14 nicht auf die Sekundärseite
des Zwischenstromwandlers 7 übertragen und kann damit vom Gleichrichter 8 des Haltesystems
ferngehalten werden. Es läßt sich also auf einfachste Weise unter Vermeidung eines
zusätzlichen Sperrkreises die Grundwelle aus dem Haltekreis eliminieren. Ähnliches
gilt auch für die dritte Oberwelle sowie für die höheren Harmonischen, da bei dreifacher
und höherer Nennfrequenz der Parallelkreis 11, 12 kapazitiv und die Reihenschaltung
9, 10 induktiv ist. Zum Zwecke der weiteren Schwächung der dritten Oberwelle im
Haltestromkreis wird außerdem die Reihenschaltung 9, 10 bei doppelter Nennfrequenz
bereits leicht induktiv eingestellt.
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Das Auslösesystem 6 (Fig. 4) wird von der Differenz zwischen Auslöse-,
Kompensations- und Haltestrom gesteuert. Man könnte jeden der vorgenannten Ströme
auf eine separate Wicklung wirken lassen, es ist jedoch auch ein galvanischer Vergleich
mit Hilfe der Gleichrichterbrücken 5, 8 und 13 möglich. Solange die an den Klemmen
des Auslösesystems 6 auftretende Differenzspannung kleiner ist als die Schwellspannung
der Gleichrichter, fließt der gesamte Strom über das Auslösesystem. Bei größeren
Spannungen schließt sich dagegen der größte Teil des Stromes über die Gleichrichter
von anderer Polarität. Somit können an den Gleichrichtern selbst keine großen Spannungen
entstehen. Um einen richtigen Vergleich der Ströme zu gewährleisten, müssen die
Gleichrichter-Brücken 5, 8, 13 denselben dynamischen Widerstand und die gleiche
Schwellspannung aufweisen. Gemäß Fig. 4 wird der vom Stromwandler 4' gebildete Kompensationsstrom
durch den Primärkreis und nur einen Sekundärkreis des Transformators bestimmt. Handelt
es sich jedoch um mehr als zwei sekundäre Zweige, beispielsweise bei einem Dreiwicklungstransformator
oder vorhandenen Abzweigungen, so ist die wechselstromseitige Addition, wie sie
in Fig. 4 vorgenommen wird, nicht mehr anwendbar, da die Kompensation dann bei allen
möglichen Fehlern keinesfalls mehr einwandfrei wirkt. In diesem Fall läßt sich die
Anordnung entsprechend Fig. 6 verwenden. Die einzelnen Zweige werden über Wandler
16, 17 usw., die zur Einstellung der Kompensationswirkung mit Anzapfungen versehen
sind, an die Gleichrichterbrücken 18, 19, 20 gelegt, welche den Gleichrichter 5
speisen. Auf diese Weise erreicht man, daß die dynamischen Widerstände der Brücken
5, 8, 13 einander gleichbleiben.