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Distanzrelais mit ellipsenförmiger Kennlinie Die Erfindung betrifft
ein Distanzrelais mit ellipsenförmiger Kennlinie, bestehend aus einem polarisierten
Relais sowie mindestens drei Gleichrichteranordnungen, wobei über eine Gleichrichteranordnung
eine dem Leitungsstrom proportionale Größe im auslösenden Sinn sowie über eine zweite
und dritte Gleichrichteranordnung der Leitungsspannung proportionale oder aus Leitungsstrom
und Leitungsspannung abgeleitete Größen im sperrenden Sinn zuführbar sind.
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Es ist bekannt, zum Distanzschutz von Leitungen Impedanzmeßeinrichtungen
mit kreisförmiger Kennlinie vorzusehen. Diese werden vor allem für den Schutz von
Kabelstrecken und längeren Freileitungsstrecken bevorzugt, da in diesen Fällen keine
besondere Lichtbogenreserve erforderlich ist. Bei Kabelstrecken würde sogar eine
Lichtbogenreserve wegen des geringen Leitungswinkels störend sein, da diese in der
Impedanzebene in Richtung des Wirkwiderstandes eine Verschiebung der Kennlinie bewirkt,
der eine unerwünschte Vergrößerung der Mindestlänge für ein zu schützendes Kabel
entspricht.
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Ferner sind Mischimpedanzmeßeinrichtungen bekannt, die aus einer Impedanzmeßeinrichtung
mit kreisförmiger Kennlinie bestehen, wobei der Mittelpunkt der Kennlinie in der
Impedanzebene in Richtung des Wirkwiderstandes verschoben ist. Dadurch ergibt sich
eine für viele Fälle ausreichende Lichtbogenreserve. Die Verschiebung des Mittelpunktes
wird entsprechend dem jeweiligen Leitungswinkel gewählt.
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Durch Impedanz- bzw. Mischimpedanzschutzeinrichtungen lassen sich
Kabel- und Freileitungsstrekken in der Mehrzahl aller Fälle gegen Leitungsfehler
schützen. Ein besonderer Vorteil dieser Schutzeinrichtungen ist, daß sich die Relais
auch im eingebauten Zustand mit relativ einfachen Mitteln prüfen lassen. - Nachteilig
ist bei diesen Schutzeinrichtungen, daß sich kurze Freileitungsstrecken und Freileitungsstrecken
mit überdurchschnittlichen Leiterabständen nicht schützen lassen. Ferner ist die
Wirksamkeit einer derartigen Schutzeinrichtung in Frage gestellt, wenn das Relais
mit erhöhter Grundzeit arbeiten muß, da dann der Lichtbogenwiderstand erheblich
zunehmen kann.
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Außerdem ist bereits ein Distanzrelais mit ellipsenförmiger Kennlinie
bekanntgeworden. Dieses ermöglicht große Lichtbogenreserven. Es besitzt jedoch folgende
Nachteile: Ein Schutz von vor allem kurzen Kabelstrecken gestaltet sich schwierig,
da in diesem Fall Unsicherheiten in der Reichweite auftreten. Letzteres ist einerseits
durch die in der Nähe der Kennlinie eines Relais geringere verfügbare Meßenergie
und andererseits durch das schleifende Schneiden zwischen elliptischer Kennlinie
und Impedanzvektor für kleine bei Kabelstrecken vorkommende Leitungswinkel bedingt.
Ferner wird durch die Lichtbogenreserve die minimale noch zu erfassende Leitungslänge
bei einer Kabelstrecke in unerwünschter Weise vergrößert.
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Eine weitere Schwierigkeit ist durch die Prüfung eines Relais mit
ellipsenförmiger Kennlinie gegeben, da zur Aufnahme der Kennlinie Strom und Spannung
phasenverschoben sein müssen. Eine Prüfung mit phasengleichen Strömen und Spannungen
ergibt nämlich große Unsicherheiten. Diese sind durch die beiden parallelgeschalteten,
im sperrenden Sinne wirkenden Gleichrichteranordnungen bedingt, die - im Gegensatz
zur reinen Impedanzmessung - von unterschiedlichen Strömen beaufschlagt werden.
Infolge der Stromabhängigkeit der Gleichrichterwiderstände ergeben sich daher für
diese Gleichrichteranordnungen unterschiedliche Innenwiderstände und damit unterschiedliche,
in Abhängigkeit vom Strom auftretende Rückwirkungen bezüglich des Ansprechens des
Relais.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Distanzrelais zu schaffen,
das die vorstehend dargelegten Nachteile nicht aufweist. Es soll insbesondere universell
und auch für den Schutz kurzer Kabelstrekken sowie kurzer Freileitungsstrecken anwendbar
sein. Darüber hinaus soll es sich im eingebauten Zustand mit den für bekannte Impedanz-
bzw. Mischimpedanzschutzeinrichtungen vorhandenen Prüfeinrichtungen prüfen lassen.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs erwähnten Distanzrelais erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß ein Umschalter im Stromkreis der stromproportionalen Größe vorgesehen
ist, der in einer Schaltstel-
Jung eine Verbindung der dritten sowie
gegebenenfalls der zweiten Gleichrichteranordnung mit der stromproportionalen Größe
herstellt und in der anderen Schaltstellung diese Verbindung löst, wodurch sich
bei der letztgenannten Schaltstellung eine kreisförmige Kennlinie ergibt, die die
ellipsenförmige Kennlinie, die sieh bei der erstgenannten Schaltstellung ergibt,
schneidet.
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Durch die Abschaltung des Stromeinflusses bei den im sperrenden Sinne
wirkenden Gleichrichteranordnungen ergibt sich eine kreisförmige Kennlinie und damit
die bisher nicht bekannte Möglichkeit, in einem Netz mit kurzen Leitungsstrecken
sowohl Kabel- als auch Freiieitungsstrecken mit dem gleichen Relais zu schützen,
obwohl bei kurzen Freileitungsstrecken eine erhebliche Lichtbogenreserve vorzusehen
ist, während bei kurzen Kabelstrecken die durch eine Lichtbogenreserve bedingte
Vergrößerung des Schutzbereiches unerwünschterweise die Mindestlänge des zu schützenden
Kabels heraufsetzt. Außerdem wird durch die Umschaltung die Möglichkeit geschaffen,
ein Relais mit elliptischer Kennlinie in gleicher Weise wie ein Impedanzrelais,
also mit phasengleichen Strömen und Spannungen, zu prüfen, Es ergeben sich damit
für das erfindungsgemäße Relais die gleichen Einstelleinrichtungen für die Leitungslänge
wie für bekannte Impedanzrelais, wobei jedoch beim übergang zur elliptischen Kennlinie
die Einstellung -ähnlich dem übergang bei der Mischimpedanzmessung - mit einem Korrekturfaktor
zu versehen ist. Gegenüber der Mischimpedanzmessung ergibt sich sogar noch der Vorteil,
daß keine gesonderte Einstelleinrichtung für den Korrekturfaktor benötigt wird.
Der Korrekturfaktor wird vielmehr an der bereits vorhandenen Impedanzskala eingestellt.
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Ein weiterer Vorteil der Abschaltung der dem Leitungsstrom proportionalen
Größe bei den im sperrenden Sinne wirkenden Gleichrichtern ist, daß bei einer Prüfung
sämtliche Gleichrichteranordnungen mit erfaßt werden. Die Prüfung kann dabei am
Einbauort des Relais mit phasengleichen Strömen und Spannungen vorgenommen werden.
Der ordnungsgemäße übergang zur elliptischen Kennlinie durch Wiedereinschaltung
des 'Stromeinflusses läßt sich durch einfache Kontrollmessung feststellen, indem
mittels einer Prüfeinrichtung die Funktion des Relais beispielsweise bei einem dreipoligen
Fehler überprüft wird, wobei die Phasenanschlüsse vertauscht werden.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand der F i g.1 und 2 näher erläutert
werden, wobei F i g.1 ein Ausführungsbeispiel der Meßschaltung des erfindungsgen@iäßen
Relais zeigt und in F i g. 2 die Kennlinien des Relais dargestellt sind. Die in
F i g.1 gezeigte Meßschaltung besteht aus den Gleichrichteranordnungen 1, 2, 3,
in deren Diagonalen ein polarisiertes Relais 4 angeordnet ist. Die Gleichrichteranordnungen
1, 2, 3 sind in Mittelpunkt schalturig ausgeführt, wobei jeweils der Mittelpunkt
der Sekundärwicklung der Wandler-31, 32, 33 mit der Leitung,10 verbunden ist, und
über Widerstände 11, ,12, 13 an die Leitung 9 angeschlossen. Zwischen diesen und
dem Relais 4 sind ferner noch ein Kondensator 14 und eine Induktivität 15 vorgesehen.
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Die Gleichrichteranordnung 3. wird über die Leitungen 5, 6 von einer
dem Leitungsstrom 1 propor- i tionalen Größe gespeist. 'Sie wirkt im auslösenden
Sinne auf .das Relais 4. Die Gleichrichteranordnung 3 wird über die Leitungen 7,
8 von einer zur Leitungsspannurig U proportionalen Größe gespeist. Die Gleichrichteranordnung
2 wird von einer zum Leitungsstrom 1 und zur Leitungsspannung U proportionalen Differenzgröße
gespeist. Beide Gleichrichteranordnungen 2, 3, wirken im sperrenden Sinne .auf das
Relais 4. Damit ergibt sieh das Meßkriterium 111 =1U-IclI+IUl, (1)
sofern
der Stromein/uß auf die Gleichrichteranordnung 2, z. B. durch Einschrauben eines
Stöpsels in die Buchse 16, aufgeschaltet ist. Das Relais besitzt in diesem Fall
die in F i g. 2 dargestellte elliptische Kennlinie 20 mit einem größten Durchmesser
D. Ein Brennpunkt der Ellipse fällt mit dem Einbauort des Relais zusammen, der in
der Impedanzebene dem Ursprung des R,X-Koordinatensystems entspricht. Letzteres
ist dadurch bedingt, daß der Gleichrichteranordnung 3 lediglich eine der Spannung
U proportionale Größe zugeführt wird. Der Faktor k in Gleichung (1) ist ein Maß
für die Exzentrizität der Ellipse. Er entspricht dem Abstand zu dem in F i g. 2
nicht eingezeichneten zweiten Brennpunkt der Ellipse. Macht man k zu Null, indem
der Stromeinfluß auf die Gleichrichteranordnung 2 durch Einschrauben des Stöpsels
in die Buchse 17 abgeschaltet wird, ergibt sich die kreisförmige Kennlinie 21 mit
dem Radius D/2. Der Mittelpunkt der Kennlinie 21 liegt dabei ebenfalls im Ursprung
des R,X-Koordinatensystems. Das Meßkriterium ist dann 111=1uI+JUI- (2) Der Schnittpunkt
zwischen der elliptischen Kennlinie 20 und der kreisförmigen Kennlinie 21 ist mit
P bezeichnet. Er ergibt sich aus ,der Wahl von k. 3m Ausführungsbeispiel entspricht
dem Schnittpunkt eine Leitungsimpedanz mit einem Winkel von 35°. Für diesen Leitungswinkel
ist die Reichweite des Distanzrelais bei elliptischer und kiel kreisförmiger Kennlinie
gleich.
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Im Ausführungsbeispiel ist der k-Faktor durch die Wähl der Windungszahl
der Wicklung 25 fest vorgegeben. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, statt einer
festen Windungszähl eine Wicklung 25 mit verschiedenen Anzapfungen vorzusehen, womit
sich dann ebenfalls auch ..die Exzentrizität der Ellipse einstellen läßt.
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In F i g. 2 sind weiter noch die Impedanzvektoren für Leitungswinkel
von t0 und 20° eingetragen. Ein Leitungswinkel von Q60° entspricht einem bei Mittelspannungsnetzen
häufig vorkommenden Wert für Freileitungen, ein Leitungswinkel von 20° entspricht
einem häufig vorkommenden Wert für Kabelstrecken. Man entnimmt den Kennlinien 20,
21 der F i g. 2; daß sich mit- dem 'Relais nach der Erfindung sowohl kurze Strecken
bei Freileitungen als auch kurze Kabelstrecken schützen lassen. Die Lichtbogenreserve
RL bei einem Leitungswinkel von 60° beträgt dabei im Kippunkt 22 etwa 150% der .eingestellten
Impedanz. Damit ermöglicht dieses Relais auch der Schutz von Freileitungen mit erhöhtem
Abstand der Leiter und auch einen Schutz von Leitungen, bei denen Relaiseinstellungen
mit erhöhter Grundzeit vorzusehen sind.
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Die Impedanz .und damit,die länge der zu schützenden Leitung wird
mittels eines Widerstandes 1.9 im Spannungspfad eingestellt, wobei .der Einfachheit
halber lediglich ein der Schnellzeit des Relais entsprechender Abgriff dargestellt
wurde. - Die atromseitig
zugeführte Meßgröße hat eingeprägtes Verhalten,
so daß sich bei einer Zu- bzw. Abschaltung der Wicklung 25 keine Änderung des jeweiligen
Stromes ergibt. Gegebenenfalls kann jedoch zur Kompensation des Widerstandes der
Wicklung 25 ein Widerstand 18 vorgesehen werden.
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Durch die Abschaltung der Wicklung 25 und damit durch den Übergang
von einer ellipsenförmigen zu einer kreisförmigen Kennlinie ergibt sich weiter die
Möglichkeit, das Distanzrelais nach der Erfindung mit einfachen Mitteln zu eichen.
Außerdem läßt sich eine Betriebsprüfung des eingebauten Relais in der gleichen Weise
wie bei bisher verwendeten Impedanz-bzw. Mischimpedanzrelais vornehmen. Insbesondere
werden für eine derartige Prüfung keine Ströme und Spannungen benötigt, deren Phasenlage
verändert werden muß. Ein besonderer Vorteil ist ferner, daß sämtliche Gleichrichteranordnungen
1, 2, 3 bei der Prüfung erfaßt werden. Würde man nämlich, was eigentlich nahegelegen
hätte, die Gleichrichteranordnung 2 bei einem Übergang von ellipsenförmiger zu kreisförmiger
Kennlinie abschalten, so könnte diese bei einer Prüfung nicht erfaßt werden. Außerdem
ergäbe sich dann die kreisförmige Kennlinie 24 mit dem Radius D und somit sowohl
relativ große Korrekturfaktoren beim Übergang zur elliptischen Kennlinie als auch
eine Verdoppelung der von dem Distanzrelais erfaßbaren Mindestlänge einer Kabelstrecke.
Demgegenüber ergibt sich durch die Abschaltung der Wicklung 25 bei dem Ausführungsbeispiel
Gleichheit der Einstellskala für die elliptische und für die kreisförmige Kennlinie
bei einem Leitungswinkel von 35°. Damit werden die Korrekturfaktoren, denen z. B.
bei einem Leitungswinkel von 60° eine Verkleinerung der erfaßbaren Mindestlänge
um den Abstand der Punkte 22, 23 entspricht, kleiner und können durch Einstellung
leicht berücksichtigt werden. Die bei Übergang von der kreisförmigen zur elliptischen
Kennlinie lediglich vorzunehmende Überprüfung der ordnungsgemäßen Zuschaltung der
Wicklung 25 kann ohne größeren Aufwand beispielsweise durch eine Relaisfunktionsprüfung
bei einem dreipoligen Fehler erfolgen, wobei die Spannungsanschlüsse derart vertauscht
werden, daß sich zwischen Strom und Spannung ein Winkel von 60 bzw 30° ergibt. Damit
wird der ordnungsgemäße Anschluß der Wicklung 25 kontrolliert. Eine Überprüfung
der Einstellskala ist jedoch nicht mehr erforderlich. Für die Prüfung des eingebauten
Relais kann die zuletzt genannte Kontrollmessung entfallen, da ein Vertauschen der
Anschlüsse der Wicklung 25 des im Relais eingebauten Wandlers während des Betriebs
undenkbar ist. Dies bedeutet, daß das Relais nach der Erfindung sich in gleicher
Weise wie bekannte Impedanzrelais auch im eingebauten Zustand prüfen läßt.