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Die Erfindung bezieht sich auf ein mehrstufiges elektronisches Distanzrelais,
das mittels Spannungsvergleich von von Strom - und Spannung des zu schützenden Netzes
abgeleiteten Meßgrößen arbeitet, wobei die demStrom sowie die derSpannung proportionalen
Meßgrößen nach Gleichrichtung jeweils an einem Meßwiderstand abfallen und die Meßgröße
für die Impedanz als Differenz der Spannungsabfälle an den Meßwiderständen abgegriffen
und dem Eingang eines Kippgliedes zugeführt wird.
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Es ist bekannt, bei mehrstufigen Distanzrelais die stromproportionale
Meßgröße mittels eines Transaktors in eine Spannung umzuwandeln. Auf der Sekundärseite
des Transaktors befindet sich ein Spannungsteiler mit verschiedenen Elbgriffen,
die die Einstellung der verschiedenen Impedanzwerte der einzelnen. Stufen gestatten.
Die Einstellung der Staffelstufen erfolgt somit auf der -Wechselstromseite der stromproportionalen
Meßgröße. Falls keine Mehrfachauslegung der Impedanzmeßeinrichtung vorgenommen wird,
ist daher eine Umschaltung von Wechselgrößen erforderlich. Wird diese durch Kontakte
vorgenommen, so stört deren endliche Ansprechzeit und vor allem die Möglichkeit
von Prellungen. Dies steht der Ausnutzung des schnellen Ansprech vermögens elektronischer
Distanzrelais entgegen. Wird die Umschaltung jedoch mittels elektronischer Halbleiterelemente
vorgenommen, so ergibt sich ein großer Aufwand und darüber hinaus im allgemeinen
eine störende Beeinflussung der Meßgrößen. - Beispielsweise erfordert die Umschaltung
einer Wechselgröße durch zwei antiparallelgeschaltete Transistoren oder Vierschichttrioden
die Beschaffung von zwei gegensinnigen Steuerströmen. Die Transistoren sind in diesem
Fall außerdem noch durch entsprechend geschaltete, mit ihnen in Reihe liegende Ventile
zu schützen. Vor allem ergibt sich dabei durch die Schleusenspannung der Ventile
bzw. Restspannung in Durchlaßrichtung der Vierschichttrioden eine störende Beeinflussung
der Wechselstrommeßgrößen.
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Weiter ist ein Distanzschutz mit umschaltbaren Zeitstufen bekannt,
bei dem dem Hilfsspannungswandler der Stufenzahl entsprechend Drosselwandler vorgeschaltet
sind, welchen Transistoren über Kondensatoren parallel geschaltet sind. Bei diesem
Distanzschutz wird ebenfalls die Umschaltung der Meßgrößen auf der Wechselstromseite
vorgenommen. Die verwendeten Transistoren sollen im Schaltbetrieb arbeiten und außerdem
die geschaltete Wechselstrommeßgröße in beiden Stromrichtungen führen können. -
Auf jeden Fall wird jedoch die Meßgenauigkeit durch den Spannungsabfall an den Transistoren
und den Kondensatoren sowie die durch die Kondensatoren bedingte Frequenzabhängigkeit,
die eine unerwünschte Bevorzugung der Oberwellen ergibt, beeinträchtigt.
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Außerdem ist eine Distanzmeßeinrichtung bekanntgeworden, die mittels
Spannungsvergleich von von Strom und Spannung des zu schützenden Netzes abgeleiteten
Meßgrößen arbeitet. Bei dieser Distanzmeßeinrichtung ist unter anderem nachteilig,
daß durch die unmittelbare Umwandlung der Meßgrößen in Gleichspannungsgrößen zwecks
Durchführung des Spannungsvergleichs, insbesondere bei kleinen Meßgrößen, der veränderliche
Widerstand der Gleichrichter störend die Meßgenauigkeit beeinflußt. Darüber hinaus
ist nicht erkennbar, wie sich die bekannte Distanzmeßeinrichtung zu einer mehrstufigen
Meßeinrichtung erweitern läßt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches mehrstufiges
elektronisches Distanzrelais zu erstellen, bei dem Fehlerquellen vermieden werden,
die sich beiVerwendung elektronischerElemente zur Umschaltung der Meßgrößen leicht
ergeben können. Derartige Fehlerquellen können vor allem bei Verwendung elektronischer
Umschalter auf der Wechselstromseite auftreten. Die Umschaltung der Meßgrößen durch
mechanische Kontakte, insbesondere auch Schutzgaskontakte, ist unter anderem wegen
der Ansprechzeit sowie wegen der Möglichkeit von Prellungen unerwünscht.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs angegebenen Distanzrelais erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die der Spannung proportionale gleichgerichtete Meßgröße an
einem konstanten Widerstand sowie einem stufenweise umschaltbaren Widerstand abfällt,
daß der umschaltbare Widerstand mit dem stromseitigen Meßwiderstand verbunden ist
und daß an dem umschaltbaren Widerstand und dem stromseitigen Meßwiderstand die
Meßgröße für die Impedanzmessung abgegriffen wird. - Die Nachteile bekannter Umschalteinrichtungen
für Distanzrelais werden also durch eine Umschaltung der Meßgrößen auf der Gleichspannungsseite
vermieden. Der im Spannungspfad in Reihe mit dem umschaltbaren Widerstand angeordnete
konstante Widerstand ist zweckmäßig derart bemessen, daß auch bei völligem Kurzschließen
des umschaltbaren Widerstandes eine ausreichende Glättang der gleichgerichteten
Spannungsgröße erfolgt. Damit wird eine störende Beeinflussung des nachgeschalteten
Kippgliedes durch die Restwelligkeit vermieden.
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In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Distanzschutzes
wird die der Spannung des zu schützenden Netzes proportionale Meßgröße in einen
eingeprägten Strom umgewandelt, aus dem dann die für den Spannungsvergleich verwendete
Meßgröße abgeleitet wird. Zweckmäßigerweise ist dazu in Reihe mit der Primärwicklung
des Wandlers im Spannungspfad ein ohmscher Widerstand angeordnet. Durch diese Maßnahme
läßt sich weitgehend der spannungsabhängige Widerstand der im Spannungspfad angeordneten
Gleichrichter eleminieren. Außerdem ist günstigerweise die Windungszahl der Primärwicklung
des Wandlers im Spannungspfad kleiner als die Windungszahl der Sekundärwicklung
gewählt. Die Sekundärspannung wird damit höher als die Primärspannung und bleibt
daher auch bei relativ kleinen Primärspannungen größer als die Schleusenspannung
der Gleichrichter. Auf diese Weise wird eine genaue Impedanzmessung auch bei relativ
kleinen Primärspannüngeri ermöglicht. Ferner ergibt die Wahl der Windungszahlen
vorteilhafterweise kleine, bei einer Stufenumschaltung mittels Transistoren zu schaltende
Sekundärströme. Diese wiederum ergeben eine nur geringe Restspannung an dem jeweiligen
Schalttransistor, so daß der dadurch bedingte Meßfehler klein gehalten wird. Ferner
kann günstigerweise bei kleinen Strömen im Emitter-Kollektor-Kreis eines Transistors
eine hohe Ansteuerung im Basiskreis des Transistors ohne großen Aufwand erfolgen,
die Voraussetzung für eine geringe Restspannung ist.
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Es ist günstig, parallel zu dem weiteren konstanten Widerstand und
dem umschaltbaren Widerstand eine
Diode sowie parallel zu dem umschaltbaren
Widerstand eine Zenerdiode zu schalten, wobei bezüglich der gleichgerichteten stromproportionalen
Meßgröße die Diode in Durchlaßrichtung, die Zenerdiode in Durchbruchsrichtung gepolt
sind. Die Meßgröße für die Impedanzmessung wird zweckmäßigerweise einem Transistor
zugeführt, der durch entsprechende Wahl seiner Vorspannung leitend gesteuert ist
und bei Auslösung des Distanzrelais gesperrt wird. Damit läßt sich wirksam der Transistor
vor den bei einer Impedanzmessung im Kurzschlußfall auftretenden hohen überströmen
schützen.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand des in der Figur gezeigten
schematischen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Die vom Strom des zu schützenden Netzes abgeleitete stromproportionale
Meßgröße I wird über die Klemmen 1, 2 dem Wandler 3 zugeführt. Diesem ist sekundärseitig
ein nicht näher bezeichneter Kondensator zur Ableitung hochfrequenter Störungen
sowie eine Gleichrichterbrücke 4 nachgeschaltet.
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Die von der Spannung des zu schützenden Netzes abgeleitete spannungsproportionale
Meßgröße U wird über die Klemmen 5, 6 dem Wandler 7 zugeführt. In Reihe mit der
Primärwicklung des Wandlers 7 ist ein ohmscher Widerstand 32 geschaltet. Der Widerstand
32 und der Wandler 7 sind derart ausgelegt, daß- der Sekundärstrom des Wandlers
7 eingeprägtes Verhalten besitzt. Ferner ist die Windungszahl der Primärwicklung
des Wandlers 7 kleiner als dessen sekundäre Windungszahl. Dadurch ergeben sich sekundärseitig
entsprechend höhere Spannungen und kleinere Ströme. Die Sekundärspannung bleibt
somit auch bei relativ kleinen Primärspannungen größer als die Schleusenspannung
der auf der Sekundärseite des Wandlers 7 in einer Gleichrichterbrücke 8 angeordneten
Gleichrichter. Außerdem lassen sich kleine Sekundärströme mit geringeren Meßfehlern
durch Transistoren schalten. - Der ferner noch sekundärseitig vorgesehene nicht
bezeichnete Kondensator dient zur Ableitung von hochfrequenten Störungen.
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Der Gleichrichterbrücke 8 sind ein konstanter Widerstand 13 sowie
ein umschaltbarer Widerstand 12 nachgeschaltet. An den Widerständen 12, 13 fällt
die gleichgerichtete spannungsproportionale Meßgröße ab. Parallel zu den Widerständen
12, 13 liegt ein Kondensator 10. Er dient zur Glättung. Der konstante Widerstand
13 ist derart bemessen, daß sich auch bei kurzgeschlossenem Widerstand 12 noch eine
ausreichende Glättung ergibt. - Der Gleichrichterbrücke 4 sind ein konstanter Widerstand
11 und ein Glättungskondensator 9 nachgeschaltet.
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Je eine Klemme der Gleichrichterbrücken 4, 8 der Kondensatoren 9,
10 und der Widerstände 11, 12 sind derart miteinander verbunden, daß die Meßgröße
für die Impedanzmessung als Differenz der Spannungsabfälle an den Widerständen 11,
12 abgegriffen werden kann. Parallel zu dem Widerstand 11 und dem Widerstand 12
ist eine Diode 14 geschaltet, die bezüglich der gleichgerichteten stromproportionalen
Meßgröße in Durchlaßrichtung gepolt ist. Ferner ist parallel zu dem umschaltbaren
Widerstand 12 eine Zenerdiode 33 angeordnet, die bezüglich der gleichgerichteten
stromproportionalen Meßgröße in Durchbruchsrichtung gepolt ist. Bei großen überströmen
wird die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 33 überschritten, womit derartige Ströme
dann über die Diode 14 und die Zenerdiode 33 abgeleitet werden. Die an den Widerständen
11, 12 für die Impedanzmessung abgegriffene Meßgröße liegt am Eingang des Transistors
17 an. Diese Widerstände 11, 12 sowie auch die Diode 14 sind zwischen der Basis
des Transistors 17 und dem Verbindungspunkt zweier Widerstände 15 und 16 geschaltet.
über die Widerstände 15, 16 erhält der Transistor 17 von der an der Klemme 22 anliegenden
negativen Versorgungsspannung eine derartige Vorspannung, daß er leitend, gesteuert
ist. Bei Auslösung des Distanzrelais, wenn also die gemessene Impedanz einen vorgegebenen
Wert unterschreitet, wird der Transistor 17 gesperrt. In diesem Fall ist nämlich
die am Widerstand 11 abfallende stromproportionale Größe größer als die entsprechend
entgegengesetzt gepolte am Widerstand 12 abfallende spannungsproportionale Größe.
Die stromproportionale Größe wirkt dann auf den Transistor 17 sperrend.
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Parallel zu der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 17 liegt
der Kondensator 18 eines glättend wirkenden RC-Gliedes 18, 19. Dem Transistor 17
ist eine Kippstufe mit einstellbarem Rückfallverhältnis nachgeschaltet. Von dieser
Kippstufe sind nur die Transistoren 20, 21 sowie der im Rückkopplungskreis liegende
einstellbare Widerstand 34 bezeichnet. Die Kippstufe wird bei einem Sperren des
Transistors 17 über den Widerstand 19 des RC-Gliedes 18, 19 angesteuert. Bei einer
Ansteuerung wird der Transistor 20 leitend, der Transistor 21 gesperrt. An der Klemme
25 erscheint dann ein negatives Ausgangssignal.
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Das Rückfallverhältnis der Kippstufe 20, 21 wird durch eine entsprechende
Einstellung des Widerstandes 34 derart bemessen, daß im Zusammenwirken mit der Welligkeit
der gleichgerichteten Meßgrößen sich ein Halteverhältnis von annähernd Eins ergibt.
Diese Welligkeit wird insbesondere durch die Bemessung der Kondensatoren 9, 10 und
18 bestimmt.
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Die Einstellung der Staffelstufen des Distanzrelais erfolgt mittels
Transistoren 26, 27. Der Emitter dieser Transistoren ist jeweils - wie aus der Figur
ersichtlich - mit einer Klemme des Widerstandes 12, der Kollektor mit einem
Abgriff desselben verbunden. Die Transistoren 26, 27 erhalten über die Klemme 24
ein positives sperrend wirkendes Steuersignal. Ein negatives Steuersignal wird von
einem nicht dargestellten Zeitwerk über die Klemme 28 bzw. 29 der Basis des Transistors
26 bzw. 27 zugeführt. Bei Vorliegen eines negativen Steuersignals sind die Transistoren
26 bzw. 27 leitend, womit der entsprechende Teil des Widerstandes 12 kurzgeschlossen
wird.
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Durch den Abgriff 35 wird am Widerstand 12 die für die Schnellstufe
wirksame Reichweite, durch den mit dem Kollektor des Transistors 26 verbundenen
Abgriff die für die erste Staffelstufe wirksame Reichweite und durch den mit dem
Kollektor des Transistors 27 verbundenen Abgriff die für die zweite Staffelstufe
wirksame Reichweite eingestellt.
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Ferner ist ein Transistor 30 vorgesehen, der im fehlerfreien Fall
des zu schützenden Netzes über die Klemme 31 ein negatives Signal erhält. Er ist
dann leitend, womit an der Klemme 25 das an der Klemme 23 anliegende Nullsignal
praktisch ebenfalls anliegt.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Distanzrelais ist folgende:
Liegt innerhalb der mittels des Abgriffes 35 am Widerstand 12 eingestellten Reichweite
der Schnellstufe ein Fehler vor, so ist die
Impedanz der überwachten
in der Figur nicht dargestellten Leitung kleiner als der mit der Einstellung an
12 vorgegebenen Wert
d. h., Iist größer als U. Die am Widerstand 11 abfallende stromproportionale Größe
ist somit größer als die am Widerstand 12 abfallende spannungsproportionale Größe.
Die Differenz dieser Größen wirkt dann auf den Transistor 17 sperrend. Mit dem Sperren
von 17 wird die Kippstufe 20, 21 angesteuert, wodurch der Transistor 20 leitend
und der Transistor 21 gesperrt werden. Am Kollektor von 21 ergibt sich ein negatives
Signal, daß praktisch gleich der an der Klemme 22 anliegenden Versorgungsspannung
ist. Dieses Signal wird über den Ausgang 25 beispielsweise der Auslöseeinrichtung
eines Schalters zugeführt, sofern nicht der Ausgang 25 durch den Transistor 30 praktisch
auf Nullpotential gehalten wird. Dies ist im leitenden Zustand desselben der Fall.
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Liegt auf der vom Impedanzrelais geschützten Leitung kein Fehler vor,
so ist das Verhältnis von Spannung zu Strom derselben größer als der durch die Einstellung
des Abgriffes 35 vorgegebene Wert. Die am Widerstand 12 abfallende spannungsproportionale
Größe ist dann größer als die am Widerstand 11 abfallende stromproportionale Größe.
Der Transistor 17 und damit auch der Transistor 21 der Kippstufe 20,
21 bleiben in diesem Fall leitend. Am Kollektor von 21 liegt dann praktisch
das an der Klemme 23 anliegende Bezugspotential an (Nullsignal). - Das an der Klemme
25 anliegende Signal ist jedoch durch den Transistor 30 bestimmt, falls dieser leitend
ist.
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Im Fehlerfall wird durch ein nicht dargestelltes Relais das erfindungsgemäße
in der Figur gezeigte Relais angeregt. Bei einer Anregung fällt das negative Signal
an der Klemme 31 weg. Der Transistor 30 erhält eine positive Vorspannung und sperrt.
Damit wird der Schaltzustand des Transistors 21, der demjenigen des Transistors
17 entspricht und von der gemessenen Impedanz abhängig ist, abgefragt, so daß bei
Feststellung eines Fehlers innerhalb der eingestellten Reichweite dann ein Auslösesignal
über die Klemme 25 an einen Schalter abgegeben wird.
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Mit der Anregung wird weiter ein nicht dargestelltes Zeitrelais in
Gang gesetzt. Nach Ablauf der Schnellzeit gibt dieses ein negatives Signal auf den
Eingang 28, nach Ablauf der ersten Staffelzeit ein negatives Signal auf den Eingang
29. Dadurch wird der Transistor 26 (bzw. 27) leitend und schließt - entsprechend
der vorgesehenen Einstellung -einen Teil des Widerstandes 12 kurz. Die spannungsporportionale
Größe wird damit verkleinert, so daß entsprechend größere Impedanzen zur Auslösung
führen. Die Reichweite des Impedanzrelais wird demgemäß vergrößert. Die Impedanzmessung
selbst läuft in gleicher Weise - wie im Zusammenhang mit der Schnellstufe beschrieben
- ab.