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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für elektrische
Netze oder Anlagen mit gestaffelt angeordneten Schutzrelais, wobei die Schutzrelais
jeweils aus einem Meßteil und einem Auslöseteil bestehen, einem Schutzrelais zumindest
von dem in der Staffelung vorangehenden Schutzrelais ein Verriegelungssignal zugeführt
wird, jedes Schutzrelais eine dem Auslöseteil vorgeschaltete Torschaltung besitzt
und ein Eingang der jeweiligen Torschaltung mit einer an einen Pulsgenerator angeschlossenen
Sammelleitung verbunden ist und wobei weiter jedes Schutzrelais für positive und
negative Halbwellen einer zu überwachenden Wechselgröße je einen Meßtrigger sowie
ein Speicherelement aufweist, nach Patentanmeldung P 12 80 971.1-32 (deutsche Auslegeschrift
1280 971).
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Es ist bekannt, Netze oder elektrische Anlagen z. B. durch überstromzeitrelais
mit Zeitstaffelung zu schützen. Der Zeitabstand zwischen einzelnen Schaltstufen
beträgt dabei praktisch etwa 0,2 bis 0,5 Sekunden. Dieser Zeitabstand ist sehr groß
gegenüber der Ansprechzeit von elektronischen Relais. Er steht somit einer Ausnutzung
der kurzen Ansprechzeit von elektronischen Relais bei Schutzeinrichtungen mit gestaffelt
angeordneten Schutzrelais entgegen. Eine wesentliche Herabsetzung dieser Zeitabstände
ist andererseits ebenfalls schwierig, da dann die Gefahr von Fehlauslösungen infolge
von Zeitunterschieden zwischen einzelnen Signalen besteht. Darüber hinaus ist weiter
zu beachten, daß durch Störimpulse keine unerwünschte Betätigung einzelner Schutzrelais
erfolgen darf.
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Ferner sind bereits mittels Phasenvergleich arbeitende elektronische
Distanzschutzeinrichtungen bekannt. Bei diesen werden Torschaltungen zur Feststellung
der Phasenbeziehungen zwischen den jeweiligen Strömen und Spannungen verwendet.
-Die Auslösezeiten von Distanzrelais sind in Abhängigkeit von der Fehlerentfernung
zeitlich gestaffelt, damit jedes Distanzrelais als Reserveschutz für vorangehende
Leitungsabschnitte arbeiten kann. Der Zeitabstand zwischen den einzelnen Stufen
eines Distanzrelais beträgt im allgemeinen 0,4 bis 0,5 Sekunden und ist im wesentlichen
durch die Auslösezeit der zugehörigen Schalter zuzüglich einer , Sicherheitsspanne
gegeben. Damit ergeben sich die gleichen, vorstehend bereits im Zusammenhang mit
der Zeitstaffelung von überstromzeitrelais dargelegten Probleme. Außerdem gestaltet
sich der Schutz von Netzen mit kurzen Leitungsabschnitten, wie sie z. B. ; in Stadtnetzen
auftreten können, schwierig.
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Weiter ist es bei Schutzeinrichtungen ohne Zeitstaffelung bekannt,
Anregerrelais so anzuordnen, daß jedes von ihnen beim Ansprechen ein Sperrzeichen
in Richtung auf die Energiequelle aussendet. Tritt ; ein Fehler auf, so sind alle
Relais bis auf eines, das der Störungsstelle am nächsten liegt, verriegelt. -Voraussetzung
für eine ordnungsgemäße Funktion ist dabei, daß die Verriegelung schneller wirksam
wird als das Auslösesignal eines Relais. Insbesondere bei schnell arbeitenden elektronischen
Relais können sich also Schwierigkeiten durch eine zeitlich verschiedene Abgabe
von Signalen der Relais ergeben, die infolge von Phasenunterschieden des primären
Wechselstromes oder sonstiger Einflüsse auftreten kann.
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Die vorstehend dargelegten Schwierigkeiten lassen sich jedoch mit
der eingangs angegebenen Schutzeinrichtung nach der Patentanmeldung P 12 80 971.-1-32
(deutsche Auslegeschrift 1280 971) vermeiden.
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Dabei werden durch die Freigabe des Auslöseteiles eines Schutzrelais
über eine Torschaltung, auf die ein für alle Schutzrelais gemeinsamer Pulsgenerator
über eine Sammelleitung wirkt, in Verbindung mit der Verriegelung von mindestens
einem in der Staffelung vorangehenden Schutzrelais die bisher erforderlichen Zeitabstände
zwischen den einzelnen gestaffelten Schutzrelais weitgehend eliminiert. Trotzdem
bleibt der Vorteil gestaffelt angeordneter Relais erhalten, da auch bei der älteren
Schutzeinrichtung jedes Schutzrelais den Schutz vorangehender Teile des Netzes oder
der Anlage mit übernimmt.
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Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform wird gemäß der Hauptpatentanmeldung
die Verriegelung in der Staffelung nachfolgender Schutzrelais nicht ständig, sondern
nur vorübergehend vorgenommen, so daß auch diese Relais nach Ablauf der Verriegelungszeit
für den Schutz wieder voll verfügbar sind. Günstigerweise besteht daher das Auslöseteil
eines Schutzrelais aus einem Speicherelement und einem an dieses angeschlossenen
Schaltverstärker, wobei ein Speichereingang mit dem Ausgang der vorgeschalteten
Torschaltung verbunden ist. Ein Löscheingang des Speichers ist über eine Leitung
mit dem Ausgang der Torschaltung des vorangehenden Schutzrelais zweckmäßigerweise
über ein RC-Glied verbunden, durch welches von einem Dauerimpuls ein Kurzzeitimpuls
abgeleitet wird.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung gemäß der Hauptpatentanmeldung
werden für die positiven und negativen Halbwellen einer zu überwachenden Wechselgröße
je eine Meßanordnung vorgesehen und ein Auslösebefehl nur dann gegeben, wenn von
beiden Meßanordnungen das Vorliegen des Auslösekriteriums in aufeinanderfolgenden
Halbwellen festgestellt wird. Dies bedeutet zwar eine gewisse Verzögerung für das
Ansprechen des Schutzrelais, die Einwirkung von Störimpulsen wird damit jedoch praktisch
vollständig ausgeschaltet und die Voraussetzung für ein zuverlässiges Arbeiten der
gestaffelt angeordneten Schutzrelais der Schutzeinrichtung geschaffen. Letzteres
wird insbesondere auch dadurch sichergestellt, daß ein Verriegelungsbefehl für das
jeweils nachfolgende Schutzrelais erst dann gegeben wird, wenn in zwei aufeinanderfolgenden
Halbwellen des Auslösekriteriums erfüllt worden ist. Tritt jedoch im Störungsfall
ein erhebliches Gleichstromglied auf, so wird das Auslösekriterium in zwei aufeinanderfolgenden
Halbwellen bei der Schutzeinrichtung nach der Hauptpatentanmeldung erst erfüllt,
wenn das Gleichstromglied im wesentlichen abgeklungen ist. Dies hat eine unerwünschte
Verzögerung der Abschaltung des Fehlers zur Folge.
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Mit einer zweckmäßigen Weiterbildung der Schutzeinrichtung für elektrische
Netze oder Anlagen nach der Hauptpatentanmeldung wurde daher bereits vorgeschlagen,
auch diese Verzögerung zu vermeiden. Gemäß dem älteren Vorschlag sind dabei die
Ausgänge der Speicherelemente über RC-Schaltungen miteinander verbunden. Im Falle
des Auftretens eines Gleichstromgliedes wird somit eine Auslösung bei der dritten
Halbwelle bzw. der zweiten verlagerten Halbwelle sichergestellt. Bei dieser Schutzeinrichtung
ist jedoch nachteilig, daß durch die verwendeten RC-Schaltungen unter Umständen
eine schleichende Signalgabe erfolgen kann. Es besteht dann die Gefahr
einer
Überlastung von den RC-Schaltungen nachfolgenden für den Schaltbetrieb ausgelegten
Transistorschaltungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits diese schleichende
Signalgabe und andererseits auch die unerwünschte Verzögerung der Abschaltung eines
Fehlers, bei dem ein großes Gleichstromglied auftritt, zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs angegebenen Schutzeinrichtung
nach Patentanmeldung P 12 80 971.1-32 (deutsche Auslegeschrift 1280 971) dadurch
gelöst, daß die Ausgänge der Speicherelemente mit den Eingängen eines ersten ODER-Gliedes
verbunden sind, dem ein Zeitglied nachgeschaltet ist, daß weiter der Ausgang jedes
Speicherelementes mit einem Eingang eines zweiten bzw. dritten ODER-Gliedes verbunden
ist, daß je ein Eingang des zweiten und dritten ODER-Gliedes mit dem Ausgang des
Zeitgliedes verbunden ist und daß die Ausgänge des zweiten und dritten ODER-Gliedes
mit Eingängen der Torschaltung verbunden sind.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand des in der Figur schematisch
dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
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Als zu schützende elektrische Einrichtung wurde eine einseitig gespeiste
Leitung 1 gewählt, die über Leistungsschalter 4, 5, 6,7 mit den Sammelschienen
2, 3 verbunden ist. An den Sammelschienen 2, 3 können weitere in der Figur nicht
gezeigte Leitungen angeschlossen sein. Zum Schutz der Leiung 1 sind ; über
Wandler 8, 9 angeschlossene Schutzrelais 10, 40
vorgesehen, die eine
Schutzeinrichtung mit gestaffelt angeordneten Schutzrelais bilden. Die Darstellung
wurde auf zwei Schutzrelais beschränkt, da sich der Aufbau und die Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung bereits an dem Zusammenwirken von zwei Schutzrelais
10, 40 erläutern läßt. Weitere Schutzrelais können sowohl in den nicht gezeigten
Abgängen von den Sammelschienen 2, 3 als auch in dem sonstigen Verlauf der Leitung
1 vorgesehen sein.
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Die Wandler 8, 9 an die Leitung 1 angeschlossenen Schutzrelais
10, 40 sind bei der Schutzeinrichtung nach der Figur jeweils im wesentlichen
gleichartig aufgebaut, so daß die Beschreibung des Aufbaues jeweils auf das Schutzrelais
10 beschränkt werden kann. - Die Positionsziffern der Bauteile des Schutzrelais
40 ergeben sich aus den Positionsziffern der entsprechenden Bauteile des
Schutzrelais 10 durch Erhöhung um die Zahl 30.
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Das Schutzrelais 10 besteht aus einem Meßteil 38
und
einem Auslösetei136. Das Auslösetei136 wird von einem Speicherelement
29 und einem an dieses angeschlossenen Schaltverstärker 37 gebildet.
Der Speichereingang 30 des Speicherelementes 29 ist mit dem Ausgang
einer von einem UND-Glied 28 gebildeten Torschaltung verbunden. Der Löscheingang
32
ist an eine Leitung 11 angeschlossen, über die ein Rückstellimpuls
auf den Speicher 29 gegeben werden kann. Der Speicher 29 besitzt dominierend
löschendes Verhalten. Das heißt, beim gleichzeitigen Anliegen eines Signals L am
Speichereingang 30 und am Löscheingang 32 dominiert das löschend wirkende
Signal, und an den Schaltverstärker 37 wird kein Signal (0-Signal) abgegeben. -
Der Ausgang des Schaltverstärkers 37 wirkt auf die Betätigungseinrichtung des Leistungsschalters
4, der Ausgang des Schaltverstärkers 67 auf die Betätigungseinrichtung
des Leistungsschalters 6. Ferner ist mit dem Ausgang der Torschaltung, also des
UND-Gliedes 28, welche zu dem in der Staffelung der Schutzrelais
10, 40 vorangehenden Relais 10 gehört, ein Löscheingang
61 des Speichers 59 über eine Leitung 34 verbunden. Der entsprechende
Löscheingang des Speichers 29 wurde nicht bezeichnet, da ein gegebenenfalls
dem Schutzrelais 10 vorangehendes Relais nicht dargestellt ist. - Sofern
von der Sammelschiene 2 weitere von Schutzrelais überwachte Leitungen abgehen, wirken
die Ausgänge der Torschaltungen dieser Relais ebenfalls auf den Löscheingang 61
des Speichers 59. In der Leitung 34 wird dann zweckmäßigerweise in der Nähe des
Einbauortes der vorangehenden, parallelliegenden Schutzrelais ein ODER-Glied eingeschleift,
dessen Eingänge mit den jeweiligen Ausgängen der Torschaltungen verbunden sind.
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Im Meßteil 38 des Schutzrelais 10 werden positive und
negative Halbwellen der zu überwachenden Wechselgröße, im Ausführungsbeispiel des
Stromes im Leiter 1, gesondert überwacht. Dazu ist jeweils ein Meßtrigger
12 bzw. 13, ein Speicherelement 18
bzw. 19 mit dominierend löschendem
Verhalten sowie ein UND-Glied 28 vorgesehen. Der bejahende Ausgang 20 bzw.
21 des Meßtriggers 12 bzw. 13 ist mit dem Speichereingang 22 bzw.
23 des Speicherelementes 18 bzw.19 verbunden. Der verneinende Ausgang
24 bzw. 25 des Meßtriggers 12 bzw. 13 ist über ein eine
Verzögerung bewirkendes RC-Glied 14, 16
bzw. 15, 17 an den Löscheingang
26 bzw. 27 des Speicherelementes 18 bzw. 19 angeschlossen.
Die Zeitkonstante des RC-Gliedes 14, 16 bzw. 15, 17 ist etwas größer
als die Dauer einer Halbwelle gewählt.
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Die Ausgänge der Speicherelemente 18, 19 sind mit den Eingängen
eines ersten ODER-Gliedes 130
verbunden, dem ein Zeitglied 131 nachgeschaltet
ist. Die durch das Zeitglied bewirkte Verzögerung wird etwa gleich der Periode der
Netzspannung gewählt. Weiter ist der Ausgang jedes Speicherelementes 18,
19
mit dem Eingang eines zweiten ODER-Gliedes 132 bzw. dritten ODER-Gliedes 133 verbunden.
Je ein weiterer Eingang des zweiten und dritten ODER-Gliedes 132, 133 ist
an den Ausgang des Zeitgliedes 131 angeschlossen. Die Ausgänge des zweiten
und dritten ODER-Gliedes 132, 133 sind mit Eingängen der Torschaltung
28 verbunden. Ein weiterer Eingang des UND-Gliedes 28 ist über eine
Sammelleitung 33
an den Pulsgenerator 35 angeschlossen. Der Pulsgenerator
35 arbeitet mit der doppelten Frequenz der überwachten Wechselgröße, z. B.
100 Hz, und ist außerdem mit der Wechselgröße synchronisiert. Vom UND-Glied
28 kann damit nur ein Ausgangssignal abgegeben werden, wenn in aufeinanderfolgenden
Halbwellen vom Meßtrigger 12 und 13 oder wenn in gleichpolaren aufeinanderfolgenden
Halbwellen von einem Meßtrigger 12 oder 13 ein Überstrom festgestellt wurde und
wenn vom Impulsgenerator 35 das Freigabesignal vorliegt. Die vom Impulsgenerator
35 abgegebenen Impulse sind bezüglich ihrer Dauer und bezüglich ihrer Phasenlage
zur überwachten Wechselgröße derart gewählt, daß auch bei möglichen Phasenverschiebungen
der überwachten Wechselgröße eine sichere Signalgabe von den jeweiligen UND-Gliedern
der Schutzrelais erfolgt.
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Die in der Figur dargestellte Schutzeinrichtung arbeitet wie folgt:
Bei einem Fehler auf dem Leitungsteil l' der Leitung 1 wird sowohl der Wandler 8
als auch der
Wandler 9 von einem Überstrom durchflossen, so daß
die Meßtrigger 12, 13 bzw. 42, 43 der Schutzrelais 10 bzw. 40 ansprechen.
Es sei nun weiter angenommen, der Überstrom tritt in einer positiven Halbwelle auf
und diese werde von den Meßtriggern 12, 42 erfaßt. - Mit dem Ansprechen der Meßtrigger
12, 42
erscheint an deren bejahendem Ausgang 20, 50 ein Signal, und
das Signal am verneinenden Ausgang 24, 54 verschwindet. Damit liegt am Speichereingang
22, 52 ein Signal vor, während das Signal am dominierenden Löscheingang 26, 56 entfällt.
Die Speicher 18 bzw. 48 schalten um, womit an dem entsprechenden Eingang des UND-Gliedes
28 bzw. 58 ein Signal vorliegt. In der folgenden negativen Halbwelle verschwindet
zwar das Signal am Ausgang 20 bzw. 50 des Meßtriggers 12 bzw. 42, während am verneinenden
Ausgang 24 bzw. 54 ein Signal wieder vorliegt, jedoch kann sich dieses nicht sofort
auf den Speicher 18 bzw. 48 auswirken, da die Zeitkonstante des RC-Gliedes 14, 16
bzw. 44, 46 etwas größer als eine Halbwelle gewählt ist. Der Speicher
18 bzw. 48 bleibt daher vorteilhafterweise bei Vorliegen eines Überstromes
umgeschaltet und gibt an das UND-Glied 28 bzw. 58 ein Signal ab, während er bei
Wegfall des Überstromes nach Ablauf einer durch das RC-Glied gegebenen Zeit wieder
in seinem Ausgangszustand zurückfällt. Damit wird eine selbsttätige Löschung bei
einer kurzzeitigen Anregung des Schutzrelais durch einen überstromwischer erreicht.
Einen weiteren Vorteil stellt die unverzögerte Umschaltung des Speichers 18 bzw.
48 und die Abgabe eines Dauersignals von diesem dar, wodurch eine schnelle und sichere
Ausführung logischer Schaltoperationen ermöglicht wird.
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Tritt jedoch im Fehlerfall ein großes Gleichstromglied auf, so bedingt
dies vorübergehend eine erhebliche Verlagerung des Stromes. Beide Meßtrigger 12
und 13 bzw. 42 und 43 sprechen dann erst nach dem Abklingen des Gleichstromgliedes
an, während die Meßtrigger, z. B. 12 und 42, die die verlagerte Wechselstromkomponente
erfassen, immer wieder ansprechen. Dies bedeutet, daß z. B. an den Ausgängen der
Speicherglieder 18 und 48 länger als eine Periode der Netzspannung ein Signal vorliegt.
Bei einem kurzen überstromwischer wäre dies nicht der Fall. Um nun auch in diesem
Fall eine schnelle Abschaltung zu erhalten, wird nach Ablauf der durch das Zeitglied
131 bewirkten Verzögerung, die etwa gleich der Periode der Netzspannung ist, das
Signal vom Speicher 18 bzw. 48 über das dritte ODER-Glied 131 bzw. 163 auch an den
zweiten Eingang des UND-Gliedes 28 bzw. 58 weitergeleitet, so daß dieser den nachgeschalteten
Speicher 29 bzw. 59 umschalten kann.
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Die für die Erfassung eines Überstromes in negativen Halbwellen vorgesehenenAnordnungen-Meßtrigger
13 bzw. 43 sowie die diesen nachgeschalteten Glieder - arbeiten in gleicher Weise
wie die für positive Halbwellen, so daß auf eine entsprechende Beschreibung verzichtet
werden kann. - Bei Vorliegen eines Überstromes auf dem Leitungsteil l' liegen somit
nach Ablauf einer Halbwelle an den Ausgängen der Speicher 18, 19 und 48, 49 Signale
vor. Bedingt durch Phasenunterschiede des primären Wechselstromes oder sonstige
Einflüsse können jedoch die Signale an den Ausgängen der Speicher 48, 49 früher
als an den Ausgängen der Speicher 18, 19 auftreten. Eine Betätigung des Schalters
6 ist in diesem Fall aber unerwünscht, da unnötigerweise weitere an die Sammelschiene
2 - allerdings nicht über den Leitungsteil l' - angeschlossene Verbraucher von dieser
Abschaltung betroffen würden. Eine Verriegelung von dem vorangehenden Schutzrelais
10 kann dies unter den vorstehend dargelegten Verhältnissen ebenfalls nicht verhindern.
Sie würde erst nach Abgabe des Ausschaltbefehls wirksam. Derartige durch Zeitunterschiede
von Signalen bedingte Schwierigkeiten werden bei der Schutzeinrichtung mittels des
Pulsgenerators 35 vermieden. Er stellt bei Vorliegen eines Überstromes auf dem Leitungsteil
1' die gleichzeitige Abgabe eines Signals von den UND-Gliedern 28 und 58 sicher.
Damit kann aber sofort auch das UND-Glied 28 über die Leitung 34 auf den Löscheingang
61 des Speichers 59 wirken und ein Umschalten desselben verhindern. Es wird daher
lediglich der Speicher 29 umgeschaltet und über den Schaltverstärker 37 ein Ausschaltbefehl
für den Leistungsschalter 4 gegeben.
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Sofern erforderlich, wird beispielsweise zwischen dem Speicher 59
und dem Schaltverstärker 67 des Auslöseteils 66 ein RC-Glied vorgesehen, durch welches
das Signal des Speichers 59 geringfügig verzögert wird, so daß zuverlässig ein Löschsignal
von der Torschaltung 28 des in der Staffelung vorangehenden Relais 10 wirksam werden
kann. Außerdem kann es zweckmäßig sein, das auf den Eingang 61 wirkende Löschsignal
nicht vom Ausgang des UND-Gliedes 28, sondern vom Ausgang des Speichers 29 abzuleiten
und dem Löscheingang 61 ein RC-Glied vorzuschalten, durch welches von dem Dauerimpuls
ein Kurzzeitimpuls abgeleitet wird: Die Dauer des Kurzzeitimpulses wird entsprechend
der Dauer der Abschaltzeit des Schalters 4 zuzüglich einer Sicherheitszeitspanne
bemessen. Nach Ablauf dieser Zeit steht dann das Schutzrelais 40 auch als Reserveschutz
für den Leitungsteil 1' wieder zur Verfügung.