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Schaltungsanordnung für Distanzrelais Die Erfindung bezieht sich auf
eine Schaltungsanordnung für Distanzrelais zur Gewinnung von von den Phasenströmen
eines Netzes abgeleiteten Meßgrößen, wobei die den Phasenströmen proportionalen
Größen nur geringe Leistung aufweisen.
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Die Messung von Wechselgrößen in Hochspannungsanlagen erfolgt im allgemeinen
mittels Wandlern. Diese wandeln die zu messende Wechselgröße in einen für nachgeschaltete
Meß- und Schutzeinrichtungen geeigneten Wert um. Außerdem stellen sie die erforderliche
Isolation zwischen Hochspannungs- und Erdpotential her. Mit steigenden Spannungen
ergibt sich jedoch ein immer größerer Aufwand für die Isolation und zusätzlich bei
Stromwandlern für Maßnahmen zur Beherrschung der Kurzschlußkräfte. Kann der Aufwand
für die Isolation wegfallen (z. B. durch Umsetzung der zu messenden Wechselgröße
in ein Signal, das unter Zwischenschaltung eines Isolators an einen Empfänger übertragen
wird), so lassen sich zumindest bei sehr hohen Spannungen erhebliche Einsparungen
erzielen.
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Es sind bereits Hochspannungsmeßeinrichtungen für Wechselströme bekanntgeworden,
bei denen der zu messende Wechselstrom hochspannungsseitig in ein Signal umgesetzt
wird. Dieses Signal wird an einen auf Erdpotential befindlichen Verstärker übertragen,
der dieses Signal wieder in ein analoges, amplitudenmoduliertes Signal für Meß-
und Schutzeinrichtungen umsetzt. Damit ergeben sich jedoch hinsichtlich der Anwendung
derartiger Meßeinrichtungen bei Schutzrelais erhebliche Schwierigkeiten.
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Um ein sicheres Arbeiten der Schutzrelais zu gewährleisten, müssen
nämlich im Falle eines Kurzschlusses die Stromwandler Ströme bis etwa zum 100fachen
des Nennstromes mit nicht allzu großen Fehlern übertragen können. Dies bedingt für
den auf Erdpotential befindlichen Verstärker Ausgangsleistungen, deren Erstellung
sehr große Schwierigkeiten bereiten. Für Schutzrelais in der derzeit üblichen Form
sind dies bei dem 100fachen Wert des Nennstromes wegen der quadratischen Abhängigkeit
der Leistung vom Strom bei konstanter Bürde 10 kW und mehr.
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Ein weiteres Problem ergibt sich bei Distanzrelais durch die Gewinnung
der verschiedenen von den Phasenströmen abgeleiteten Meßgrößen (unter anderem Nullstrom,
verkettete Ströme), die zur richtigen Erfassung von ein- und mehrphasigen Kurz-
bzw. Erdkurzschlüssen benötigt werden.
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Es ist bekannt, diese Meßgrößen mittels einer vierpoligen, in Stern
geschalteten Widerstandsanordnung zu gewinnen. Die zur Erfassung der Meßgrößen vorgesehenen
Meßglieder sind dabei an die Widerstände in entsprechender Weise angeschlossen.
Die Leistungsaufnahme pro Phase liegt beim Nennstrom IN
bei etwa 1 bis 5 VA
und dementsprechend beim 100fachen des Nennstromes bei etwa 10 bis 50 kVA.
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Ferner ist bereits ein Halbwellen-Selektivschutz bekannt, bei dem
die Momentanwerte der Spannungsabfälle an einer Leitungsschleife und an einer Vergleichsimpedanz
einem Vergleichssystem zugeführt werden, das bei Vorliegen der Auslösebedingungen
eine Betätigung des zugehörigen Schalters bewirkt. Die erwähnten Spannungsabfälle
werden dabei durch Verstärker verstärkt. - Das der Erfindung zugrunde liegende Problem,
verschiedene von den Phasenströmen abgeleitete Meßgrößen (unter anderem Nullstrom,
verkettete Ströme), die zur Erfassung von ein-und mehrphasigen Kurz- bzw. Erdkurzschlüssen
benötigt werden, zu gewinnen, wird bei dem bekannten Selektivschutz nicht behandelt.
Es fehlt dementsprechend auch ein Hinweis, wie sich dieses Problem mit technisch
ausführbaren Verstärkern lösen läßt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die verschiedenen
von den Phasenströmen eines Netzes abgeleiteten Meßgrößen für die verschiedenen
Fehlerfälle zu gewinnen, wobei die den Phasenströmen proportionalen Größen nur geringe
Leistung aufweisen und außerdem nur Verstärker mit üblicher Ausgangsleistung vorgesehen
werden sollen.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs angegebenen Schaltungsanordnung
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die den Phasenströmen proportionalen Größen
jeweils
einem Verstärker zugeführt werden, daß ein Ausgangspol jedes Verstärkers an eine
Leitung angeschlossen und über diese mit einem Widerstand verbunden ist, daß der
jeweilige andere Ausgangspol an jeweils eine Leitung und über diese an jeweils einen
Widerstand angeschlossen ist, daß alle Widerstände an einer Klemme miteinander verbunden
sind und daß an den Widerständen die Eingangsgrößen für weitere Verstärker abgegriffen
werden.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei der bekannten Schaltungsanordnung
zur Gewinnung der verschiedenen Meßgrößen mittels einer vierpoligen Widerstandsanordnung
die benötigte Leistung zwar von den Meßgliedern bestimmt wird, jedoch der größte
Leistungsverbrauch nicht in den Meßgliedern, sondern in der Widerstandsanordnung
erfolgt. Die Widerstandsanordnung muß nämlich, um lineare Verhältnisse zu erhalten,
mindestens eine um eine Größenordnung höher liegende Leistung - praktisch meist
fast eine um zwei Größenordnungen höher liegende Leistung - aufnehmen. Die zweite
Gruppe von Verstärkern ermöglicht, die Leistungsaufnahme der Widerstandsanordnung
auf einen niedrigen Pegel herabzusetzen, womit weiter die Leistungsaufnahme des
gesamten Schutzrelais auf etwa ein Hundertstel der bisher üblichen Werte herabgesetzt
wird. Damit ergeben sich Leistungen, die von üblichen Verstärkern geliefert werden
können. - Durch Verwendung elektronischer, der zweiten Gruppe der Verstärker nachzuschaltender
Relais läßt sich der Leistungspegel noch weiter herabsetzen.
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Die Impedanzen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung werden zweckmäßigerweise
als ohmsche Widerstände ausgelegt. In diesem Fall ist es günstig, auf der Sekundärseite
der primären Stromwandler Nachbildungen der zu schützenden Leitung vorzusehen, durch
die die Phasenlage des Stromes entsprechend dem Leitungswinkel angepaßt und Einschwingvorgänge
berücksichtigt werden. Die Nachbildung der zu schützenden Leitung besteht beispielsweise
in an sich bekannter Weise aus der Reihenschaltung einer Induktivität mit einem
einstellbaren ohrnschen Widerstand.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Impedanzen der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung als Nachbildungen der zu schützenden Leitung ausgelegt. Durch
diese läßt sich dann ebenfalls die Phasenlage des Stromes entsprechend dem Leitungswinkel
anpassen. Die Einstellung kann dabei vorteilhafterweise an einer auf Erdpotential
befindlichen Anordnung vorgenommen werden. Einschwingvorgänge werden in diesem Fall
ebenfalls berücksichtigt.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand des in der Figur schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung für Distanzrelais zur Gewinnung
von von Phasenströmen IR, 1s, IT, eines Netzes R, S, T abgeleiteten
Meßößen I°. I" I" I". I" I" L" . I" I" I',E är
M> R# S# T# RSC ST @R# RE, SE, TE, wobei die den Phasenströmen IR, Is, IT
proportionalen Größen IR, Is, IT' nur eine geringe Leistung aufweisen.
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Die Größen IR', 1s , IT werden mittels Wandlern 1, 2,
3 gewonnen, die lediglich die primären Ströme IR, Is, IT abbilden, jedoch nicht
eine Isolation gegenüber Erdpotential bewirken. Die Sekundärströme der Wandler 1,
2, 3 werden Übertragern 4, 5, 6 zugeführt, in denen den Primärströmen
IR, Is, IT proportionale Signale, beispielsweise Lichtsignale, gebildet werden,
die mittels Übertragungskanälen 7, 8, 9 an auf Erdpotential befindliche Empfänger
10, 11, 12 übertragen werden. Die Empfänger 10, 11, 12 liefern den Phasenströmen
IR, Is, IT proportionale Größen IR', Is, IT' mit nur geringer Leistung.
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Die Isolation zwischen dem Netz R, S, T und Erde wird durch
die Übertragungskanäle 7, 8, 9 bewirkt. Die Kosten für die Isolation der Wandler
1, 2, 3 entfallen daher praktisch. Die ebenfalls auf Hochspannungspotential
befindlichen Übertrager 4, 5, 6
werden über nicht dargestellte Sättigungswandler
von den Strömen IR, Is, IT bzw. im Leerlauffall durch kapazitive Ströme gespeist.
Die von den Übertragern 4, 5, 6 abgegebenen Signale sind entsprechend den Werten
der Ströme IR, Is, IT moduliert. Als Modulationsverfahren können sowohl analoge
- beispielsweise Impulslängen- oder Frequenzmodulation - als auch digitale Verfahren
vorgesehen werden. Allen Verfahren ist dabei gemeinsam, daß der Leistungspegel der
Signale klein ist.
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Die von den Empfängern 10, 11, 12 abgegebenen, den Phasenströmen IR,
Is, IT propotionalen Größen In', Is , IT werden einer ersten Gruppe
von Verstärkern 13, 14, 15 zugeführt. Diesen Verstärkern sind über Leitungen 16,
17, 18, 19 Widerstände 20, 21, 22, 23 nachgeschaltet, die eine vierpolige in Stern
geschaltete Widerstandsanordnung darstellen. - Ein Ausgangspol jedes Verstärkers
13,14,15 ist dabei über die Leitung 19 mit dem Widerstand 23 verbunden, während
der jeweilige andere Ausgangspol über eine Leitung, beispielsweise 16 (oder 17 oder
18), an einen weiteren Widerstand 20 (21, 22) angeschlossen ist. An den Widerständen
20, 21, 22, 23 lassen sich die verschiedenen Meßgrößen IM; IR, 1s, 1T;
IRE, IsE, ITE ; IRs, IßT, ITR für ein Distanzrelais abgreifen. Nach
der Erfindung werden diese Meßgrößen mittels einer zweiten Gruppe von Verstärkern
24 bis 33 abgegriffen, deren Eingänge in der in der Figur dargestellten Weise mit
den Widerständen 20, 21, 22, 23 verbunden sind.
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Durch die zweite Gruppe von Verstärkern 24 bis 33 kann die in den
Widerständen 20 bis 23 umgesetzte Leistung gering gehalten werden, da die Verstärker
24 bis 33 zu ihrer Aussteuerung nur eine geringe Eingangsleistung benötigen. Damit
fällt der bauptsächlichste Energieverbraucher bei bekannten Distanzrelais weg. Die
Widerstände 20 bis 23 sind relativ groß, beispielsweise etwa 1 Kiloohm, damit sich
für die Aussteuerung der Verstärker 24 bis 33 ein genügend großer Spannungsabfall
ergibt. Die Eingangswiderstände der Verstärker 24 bis 33 sind dementsprechend ebenfalls
hochohmig ausgelegt.
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Die erste Gruppe von Verstärkern 13, 14, 15 liefert den Größen
IR', Is , IT' proportionale, beispielsweise eingeprägte Ströme von
1 mA bei Nennstrom IN und von 100 mA bei 100 IN. Bei symmetrischen
Strömen IR,
Is, IT und Widerständen 20 bis 23 mit je ein Kiloohm muß somit
von den Verstärkern 13, 14, 15 eine Ausgangsleistung von 1 mW bei IN und
von 10 W bei 100 IN abgegeben werden. Diese Leistung läßt sich durch übliche Verstärker
erstellen. - Befindet sich die erste Gruppe von Verstärkern 13, 14, 15 im
Unterteil von mittels Übertragungskanälen 7, 8, 9 arbeitender Stromwandler, so werden
die eingeprägten Ausgangsströme von 13,14,15 in abgeschirmten Leitungen zum Einbauort
des Distanzrelais weitergeleitet. Dort
durchfließen die Ströme dann
die Widerstände 20 bis 23, wobei die Widerstände 20, 21, 22 Phasenshunts,
der Widerstand 23 den Summenshunt darstellen. Der Wert von 23 richtet sich nach
der Nullimpedanz der zu schützenden Leitung. An den Phasenshunts 20, 21, 22 werden
mittels Verstärker 24, 25, 26 den Leiterströmen IR, 1,9, 1T, am Summenshunt
23 mittels Verstärker 27 dein Nullstrom 1u proportionale Spannungen abgegriffen.
Die Verstärker 31, 32, 33 greifen an 20 bis 23 Spannungen ab, die der Differenz
aus Leiterstrom und Summenstrom entsprechen. Von den Verstärkern 28, 29, 30 werden
die Differenzen. aus zwei Leiterströmen erfaßt.
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Den Verstärkern 24 bis 33 steht mit einem Leistungsumsatz in
den Widerständen 20 bis 23 von 1 mW bis 10 W eine ausreichende Eingangsleistung
zur Verfügung, so daß auch an diese keine besonderen Anforderungen gestellt werden
müssen. Den Verstärkern 24 bis 33 sind die - in der Figur nicht dargestellten -Anrege-
und Meßglieder eines Distanzrelais nachgeschaltet.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch die Anwendung von zwei Gruppen von Verstärkern, zwischen denen Impedanzen
zur Ableitung der für Distanzrelais benötigten Meßgrößen angeordnet sind, der Leistungsverbrauch
von Distanzrelais auf etwa ein Hundertstel der bisher üblichen Werte gesenkt werden
konnte. Damit wird die Zusammenschaltung von Distanzrelais mit Stromwandlern ermöglicht,
die unter Verwendung von Übertragungskanälen arbeiten und bei denen die den Phasenströmen
proportionalen Größen eine nur geringe Leistung aufweisen.