DE1242743B - Richtungsrelais fuer den Schutz von Drehstromleitungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES -WjIw PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIh

H02h
Deutsche Kl.: 21c-68/50

Nummer: 1 242 743

Aktenzeichen: S 91712 VIII b/21 c

Anmeldetag: 26. Juni 1964

Auslegetag: 22. Juni 1967

Bei Richtungsrelais, wie sie insbesondere für den Distanzschutz von Drehstromleitungen vorgesehen sind, verwendet man für jeden Phasenleiter ein Meßwerk. Jedes Meßwerk enthält einen Strom- und einen Spannungspfad und spricht an, wenn der Phasenwinkel zwischen der angelegten Spannung und dem dem über den Strompfad fließenden Strom größer bzw. kleiner als 90° wird.

Ein Richtungsrelais, dessen Meßwerke jeweils von dem Strom eines Phasenleiters durchflossen werden und deren Spannungspfade an die diesem Phasenstrom zugehörige Phasenspannung angeschlossen sind, kann z. B. bei einem nahe gelegenen Erdkurzschluß keine Richtungsanzeige mehr abgeben, da die Leistung wegen der geringen Spannung nicht mehr ausreicht, um das Richtungsrelais zu betätigen. Das Richtungsrelais besitzt also eine tote Zone, deren Länge vom Leitungswiderstand und von der Empfindlichkeit der Meßwerke des Richtungsrelais abhängt.

Um diese tote Zone bei einpoligen Kurzschlüssen (Erdschlüssen) zu vermeiden, hat man an den Spannungspfad jedes Meßwerkes eine der Phasenleiterspannung benachbarte verkettete Spannung angelegt. In Fig. 1 ist zur Erläuterung die Schaltung der Strompfade dreier zu einem Richtungsrelais gehörender Meßwerke dargestellt. In die Phasenleiter R, S und T einer Drehstromleitung sind Stromwandler 1, 2 und 3 eingeschaltet, deren Sekundärwicklungen in Stern geschaltet sind. Die Meßwerke des Richtungsrelais sind ebenfalls in Stern geschaltet und mit MR, MS und MT bezeichnet. Die Schaltung ist dabei so getroffen, daß der Strompfad des Meßwerkes Mi? in Reihe zur Sekundärwicklung des Stromwandlers 1 liegt, der seinerseits primärseitig in den Phasenleiter R eingeschaltet ist. In entsprechender Weise sind die Meßwerke MS und MT den Stromwandlem 2 und 3 in den Phasenleitern S und T zugeordnet.

Die Schaltung der Spannungspfade der Meßwerke MR, MS und MT ist in F i g. 2 dargestellt. Wie man sieht, ist der Spannungspfad des Meßwerkes MR zwischen die Phasenleiter R und T, der Spannungspfad des Meßwerkes MS zwischen die Phasenleiter S und R und derjenigen des Meßwerkes MT zwischen die Phasenleiter T und S eingeschaltet.

Bei dieser Schaltung der Meßwerke eines Richtungsrelais erhält man bei einem einpoligen Kurzschluß in Netzen mit starr geerdetem Sternpunkt keine tote Zone, da die am Spannungspfad jedes Meßwerkes liegende verkettete Spannung sich höchstens auf den Wert einer Sternspannung verringern Richtungsrelais für den Schutz
von Drehstromleitungen

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Hans-Joachim Kleiber, Erlangen

kann. Allerdings bleibt eine tote Zone bei einem zweipoligen Kurzschluß mit oder ohne Erdberührung erhalten. Zum Beispiel würde ein Kurzschluß zwischen den Phasenleitern R und S die Spannung an dem Meßwerk MS zusammenbrechen lassen, so daß ein Richtungsentscheid nicht mehr erfolgen kann.

Darüber hinaus kann für außerhalb der toten Zone liegende Fehler ein falscher Richtungsentscheid getroffen werden, wenn zwischen Relais- und Fehlerort ein Transformator in Sterndreieck- bzw. Dreiecksternschaltung liegt. Dieser Fall ist in F i g. 3 näher dargestellt. In F i g. 3 a ist der Relaisort durch eine strichpunktierte Linie 4 und der Fehlerort durch einen Kurzschlußpfeil 5 gekennzeichnet. Zwischen Relais- und Fehlerort ist ein Transformator 6 in Sterndreieckschaltung eingefügt. Der über die Fehlerstelle (Kurzschlußpfeil 5) fließende Kurzschlußstrom ist mit drei hintereinander eingezeichneten Pfeilen gekennzeichnet. Weitere Pfeile neben den Wicklungen des Transformators 6 kennzeichnen die Richtung des fließenden Stromes auf der Primär- und Sekundärseite. Wie man sieht, sind die Ströme in den Phasenleitern S und T am Fehlerort gleichphasig und gleich groß, während der Strom im Phasenleiter R entgegengesetzt gerichtet ist und den doppelten Wert aufweist. Diese am Relaisort sich einstellende Stromverteilung ist in F i g. 3 b vektoriell dargestellt. Die Endpunkte der Phasenleiterspannung sind wie üblich mit den gleichen Buchstaben wie die Phasenleiter, nämlich mit R, S und T bezeichnet. Die Verbindungslinien zwischen diesen Punkten zeigen Lage und Größe der verketteten Spannungen.

Im folgenden soll unter Spannung R—S bzw. Ufl__s der Spannungsvektor verstanden werden, der sich aus der Differenz der Phasenspannung R mit der

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PhasenspanungSergibt.Es gilt also U_R__S = U_R—U_S. die gleiche Schaltung ergibt, wie sie in Fig. 2 dar-Die Ströme in den Phasenleitern sind mit I_R, I_s und gestellt ist. In der Arbeitsstellung des Umschalters I₁- bezeichnet. Außerdem sind in Fig. 3b Umschlag- JJT ist dagegen das MeßwerkMR an die verkettete linien 7 gestrichelt eingezeichnet. Jeweils auf einer SpanungS— T, in der Arbeitsstellung des Umschal-Seite jeder Umschlaglinie 7 ist eine Schraffur ange- 5 ters UR das Meßwerk MS an die verkettete Spandeutet. Jede Umschlaglinie zeigt die Richtung des nung T-R und in der Arbeitsstellung des Umschalzugehörigen Phasenleiterstromes, bei der das züge- ters US das Meßwerk MT an die verkettete Spannung hörige Meßwerk anspricht. Die Schraffur ist dabei R-S angeschlossen. Jeder Umschalter stellt beiso angebracht, daß das jeweilige Meßwerk anspricht, spielsweise einen Kontakt eines nicht gezeichneten wenn der Stromzeiger auf der der Schraffur abge- i₀ Anregerelais für den Distanzschutz dar. Dabei bewandten Seite der Umschlaglinie liegt. Für Fig. 3b deutet die Bezeichnung»UT«, daß dieser Umschalter ist angenommen, daß die Spannungspfade der Meß- ein Kontakt des im Phasenleiter T liegenden Anwerke so geschaltet sind, wie in F i g. 2 dargestellt regerelais darstellt. In gleicher Weise sind die Umist. Infolgedessen steht die zum Strom I_R gehörende schaltkontakte UR und US Kontakte der Anrege-Umschlaglinie senkrecht auf der Spannung R—T, da i₅ relais in den Phasenleitern R und S. Der Umschalt-— wie Fig. 2 zeigt — das Meßwerk MR an die kontakt UT schaltet also immer dann in seine Ar-Spannung R—T angeschlossen ist. beitsstellung um, wenn ein Fehlerstrom im Phasen-

Wie aus Fig. 3b zu ersehen ist, befindet sich der leiter Γ fließt. Damit wird erreicht, daß das Meß-

Stromzeiger/_s auf der schattierten Seite der züge- werk MR bei einem zweipoligen Kurzschluß zwi-

hörigen Umschlaglinie 7. Das Meßwerk MS wird also 20 sehen den Phasenleitern R und T, bei dem sowohl

nicht auslösen, obgleich die Fehlerstelle (Kurzschluß- die Spannung UR als auch die Spannung UT zu klein

pfeil 5 in F i g. 3 a) in Auslöserichtung liegt. Infolge- werden kann, noch durch die weiterbestehende

dessen ergibt sich bei dieser bekannten Schaltung Sternspannung des Phasenleiters S eine Spannung

eine falsche Richtungsmessung bei einem zweipoligen erhält und so einen Richtungsentscheid treffen kann.

Fehler, wenn zwischen Relais- und Fehlerort ein 25 Eine tote Zone kann also auch bei zweipoligem

Transformator in Sterndreieckschaltung eingeschal- Kurzschluß nicht auftreten,

tet ist. In F i g. 5 ist das Zeigerdiagramm des in F i g. 3 a

Diese Nachteile werden durch das neue Richtungs- dargestellten zweipoligen Fehlers mit zwischenrelais vermieden. Es enthält ebenso wie bekannte geschaltetem Sterndreiecktransformator noch einmal Anordnungen mehrere Meßwerke, die jeweils von 30 für den Fall dargestellt, daß die Spannungspfade der dem Strom in einem Phasenleiter durchflossen wer- Meßwerke des Richtungsrelais, wie in F i g. 4 darden und die an jeweils eine verkettete Spannung an- gestellt, geschaltet sind. Die Phasenlage und die geschlossen sind. Die neue Lösung besteht erfin- Größe der Ströme in den Phasenleitern am Fehlerdungsgemäß entweder darin, daß in Reihe zum ort ist die gleiche, wie in F i g. 3 b dargestellt. Da in Spannungspfad jedes Meßwerkes ein beim zwei- 35 jedem Leiter ein Fehlerstrom fließt, sind die Anregepoligen Kurzschluß schaltender Umschalter liegt, in _relais in allen Phasenleitern angeregt, und ihre Kondessen Ruhestellung eine der Phasenleiterspannung takte UR, US und UT liegen in Arbeitsstellung. Das benachbarte verkettete Spannung und in dessen Ar- Meßwerk MR ist also an die verkettete Spannung beitsstellung die der Phasenleiterspannung gegen- S-T und die Meß werke MS bzw. MT an die verüberliegende verkettete Spannung an den Spannungs- 40 ketteten Spannungen T—R bzw. R — S angeschlospfad angeschlossen ist; oder sie besteht darin, daß sen. Die Lage der Ströme zu den Umschlaglinien 7 der Spannungspfad jedes Meßwerkes an die der der Meßwerke zeigt, daß bei dieser Schaltung alle Phasenleiterspannung gegenüberliegende verkettete drei Meßwerke auslösen werden. Alle drei Meß-Spannung angeschlossen ist und daß in den Strom- werke zeigen also die Richtung des Fehlerortes kreis des Strom- und/oder Spannungspfades jedes 45 richtig an.

Meßwerkes Elemente zur Phasendrehung eingeschal- Eine Schaltung für die Spannungspfade der Richtet sind, die den Winkel zwischen Strom- und Span- tungsrelais ohne Umschaltkontakte ist in F i g. 6 darnung im Sinne einer Stromnacheilung vergrößern. gestellt. Dabei liegen an den Spannungspfaden die

Bei beiden Lösungen wird also zur Vermeidung gleichen Spannungen wie in der Schaltung nach einer toten Zone bei zweipoligem Kurzschluß und 50 Fig. 4, wenn alle Umschaltkontakte ihre Arbeitslage zur Sicherstellung einer richtigen Richtungsentschei- einnehmen. Der Unterschied besteht darin, daß die dung auch bei Leitungen mit zwischengeschaltetem Anschlüsse der Meßwerke nicht unmittelbar an die Transformator in Sterndreieckschaltung für das Meß- Phasenleiter R, S und T bzw. an die Sekundärwerk eines Phasenleiters der zugehörige Phasenleiter- anschlüsse eines an die Phasenleiter gelegten Spanstrom und zusätzlich die diesem gegenüberliegende 55 nungswandlers geführt sind, sondern es ist jeweils verkettete Spannung herangezogen. Die Erfindung die Parallelschaltung eines Kondensators 8 mit einem wird nachstehend in Ausführungsbeispielen näher Widerstand 9 zur Phasendrehung der den Meßerläutert, werken zugeführten Spannungen in Reihe zu den

In F i g. 4 sind wieder die Phasenleiter R, S und T Meßwerken geschaltet. Statt der Kondensatoren mit

und die Meßwerte MR, MS und MT mit ihren An- 60 den Widerständen wäre es genausogut möglich, an-

schlüssen für die Spannungspfade dargestellt. Die dere bekannte Elemente zur Phasendrehung vorzu-

Schaltung der Strompfade ist die gleiche wie in sehen. Außerdem würde der gleiche Effekt erreicht,

F i g. 1. In Reihe zu jedem der Meßwerke MR, MS wenn nicht die Spannung an den Meßwerken kapazi-

und MT liegt je ein Umschaltkontakt UT, UR und tiv, sondern die in den Meßwerken fließenden Ströme

US. Die Umschaltkontakte sind in ihrer Ruhestellung 65 induktiv in ihrer Phasenlage verdreht würden,

eingezeichnet. Die Verbindungen der Phasenleiter Wesentlich ist, daß der Phasenwinkel zwischen Strom

mit den Meßwerken ist so getroffen, daß in den und Spannung an jedem Meßwerk im Sinne einer

Ruhestellungen der Umschalter UT, UR und US sich Stromnacheilung vergrößert wird.

Die Wirkungsweise dieser Schalter soll nachfolgend an Hand von Zeigerdiagrammen näher dargestellt werden. Dabei ist angenommen, daß die Elemente zur Phasendrehung die Phasenlage jeder Spannung um 30° kapazitiv verdrehen. Dies wirkt sich in den Zeigerdiagrammen so aus, daß die Umschlaglinien der Meßwerke nicht mehr senkrecht auf den verketteten Spannungen stehen, sondern mit diesen Spannungen einen Winkel von 60° einschließen.

In F i g. 7 ist angenommen, daß ein Erdkurzschluß ίο in dem Phasenleiter R vorliegt. Das zur Phase R zugehörige Meßwerk MR ist an die verkettete Spannung S—T angeschlossen. Da der Kurzschlußkreis immer einen überwiegend induktiven Widerstand darstellt, liegt der Phasenwinkel zwischen Kurzschlußstrom und der zugehörigen treibenden Spannung immer im Bereich zwischen 0 und 90° induktiv. Es sind daher — wie auch in den folgenden Zeigerdiagrammen ■— für jeden Strom immer zwei senkrecht aufeinander stehende Pfeile eingezeichnet, die mit 0 bzw. 90° bezeichnet sind. In F i g. 7 a ist angenommen, daß das Spannungsdreieck nahezu voll bestehenbleibt. Der Kurzschlußstrom I_R liegt bei jedem möglicherweise auftretenden Phasenwinkel auf der Freigabeseite der Umschlaglinie 7. Wie Fig. 7b zeigt, ändert sich auch nichts, wenn die Phasenleiterspannung UR zu Null geworden ist. Das Meßwerk MR spricht also in jedem Falle an.

In F i g. 8 sind die Zeigerdiagramme für einen zweipoligen Kurzschluß zwischen den Phasenleitern S und T dargestellt. Fehlerströme fließen in den Phasen S und T und sind gegeneinander um 180° verschoben. Wie aus F i g. 8 a zu ersehen ist, liegen die Kurzschlußströme/_s und I_T bei jedem Phasenwinkel auf der Freigabeseite der Umschlaglinien 7. Zwar fällt der Zeiger des Stromes 7_S bei einem Phasenwinkel von 0° zur treibenden Spannung mit der Umschlaglinie 7 zusammen, dies ist jedoch unbedenklich, da der Phasenwinkel 0° angenähert nur bei einem nahe gelegenen Lichtbogenfehler auftritt. In diesem Fall bricht aber die Spannung zwischen den Phasenleitern S und T zusammen. Diese Verhältnisse sind in F i g. 8 dargestellt. Auch hier liegen die Ströme beider Meßwerke auf der Auslöseseite der Umschlaglinien 7.

Die Verhältnisse bei einem dreipoligen Kurzschluß zeigt F i g. 9. Auch hier ergibt sich die richtige Meßwertanzeige für alle Meßwerke. Allerdings bleibt hier eine tote Zone bestehen, die aber durch Einschaltung von Schwingkreisen in Reihe oder parallel zur Spannung beseitigt werden kann.

In den Fig. 10a und 10b sind noch einmal die Lage der Spannungen und Ströme bei einem zweipoligen Kurzschluß zwischen den Phasenleitern R und S für den Fall dargestellt, daß zwischen Relais- und Fehlerort ein Transformator in Sterndreieckschaltung liegt. Während bei nahem Kurzschluß (stark verändertes Spannungsdreieck) nach F i g. 10 a wiederum für jeden Phasenwinkel zwischen 0 und 90° eine eindeutige, richtige Anzeige gewonnen wird, ist aus Fig. 10b bei weniger nahem Kurzschluß zu ersehen, daß das Meßwerk MT, das vom Strom 1_T durchflossen wird, eine falsche Richtung anzeigen würde, wenn der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung in der Phase T weniger als etwa 10° betragen würde. Dieser Fall kann aber nicht eintreten, da es sich erstens um einen entfernten Kurzschluß handelt und da zweitens — bedingt durch die Transformatorreaktanz — der Kurzschlußwiderstand stark induktiv ist, so daß der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung immer zwischen etwa 45 und 85° induktiv liegt. Andererseits wäre es ohne weiteres möglich, über die Elemente zur Phasendrehung eine größere Phasenverschiebung als die auch in dieser Figur angenommene Phasenverschiebung der Spannungen von 30° zu wählen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Richtungsrelais für den Schutz von Drehstromleitungen mit mehreren Meßwerken, die jeweils von dem Strom in einem Phasenleiter durchflossen und an eine verkettete Spannung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Spannungspfad jedes Meßwerkes (MR, MS, MT) ein beim zweipoligen Kurzschluß schaltender Umschalter (UR, US, UT) liegt, in dessen Ruhestellung eine der Phasenleiterspannung benachbarte verkettete Spannung und in dessen Arbeitsstellung die der Phasenleiterspannung gegenüberliegende verkettete Spannung an den Spannungspfad angeschlossen ist.

2. Richtungsrelais für den Schutz von Drehstromleitungen mit mehreren Meßwerken, die jeweils von dem Strom in einem Phasenleiter durchflossen und an eine verkettete Spannung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungspfad jedes Meßwerkes (MR, MS, MT) an die der Phasenleiterspannung gegenüberliegende verkettete Spannung angeschlossen ist und daß in den Stromkreis des Strom- und/oder Spannungspfades jedes Meßwerkes Elemente (8, 9) zur Phasendrehung eingeschaltet sind, die den Winkel zwischen Strom und Spannung im Sinne einer Stromnacheilung vergrößern.

3. Richtungsrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Spannungspfad jedes Meßwerkes liegende Umschalter (UR, US, UT) in Schaltabhängigkeit von einem Anregerelais in dem der übrigen dem Meßwerk nicht zugeordneten Phasenleiter steht, dessen Spannung zur Bildung der — in der Ruhestellung des Umschalters an den Spannungspfad des Meßwerkes angeschlossenen — verketteten Spannung beiträgt.

4. Richtungsrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Elemente zur Phasendrehung Kondensatoren (8) und ohmsche Widerstände (9) in Reihe zu den Spannungspfaden der Meßwerke (MR, MS, MT) eingeschaltet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 719 664.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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