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Schaltung von Leitungsschutzrelais für Drehstrom.
Um in elektrischen Leitungen Fehler, die durch Kurzschluss entstanden sind, möglichst schnell feststellen zu können oder auch selbsttätig die fehlerhaften Leitungsstreeken abzuschalten, verwendet man Relais, die sowohl von der Spannung wie von der in den Leitungen fliessenden Stromstärke beeinflusst werden. In ihrer vollkommensten Form messen derartige Relais den Quotienten aus Spannung und
Stromstärke, mit andern Worten also den Widerstand der Leitung. Die Relais werden auf den Blind- oder Scheinwiderstand eingestellt.
Ist der Widerstand des Fehlerstromkreises bekannt, so lässt sich daraus ein Schluss auf die Entfernung des Fehlerortes selbst ziehen ; denn der Widerstand des Kurzschlusses selbst kann vernachlässigt werden, insbesondere dann, wenn das Relais auf den Blindwiderstand anspricht und die im ersten Augenblick nach dem Eintreten des Fehlers gemessenen Werte zugrunde gelegt werden.
Wenn es sich um Anzeigegeräte handelt, gleichgültig, ob selbsttätige Abschaltung der fehlerhaften Strecke damit verbunden ist oder nicht, so kann die Skala statt in Ohm unmittelbar in Längeneinheiten geeicht werden, so dass sie die Entfernung des Fehlers unmittelbar angibt. Bei Drehstromleitungen tritt hier insofern eine Schwierigkeit auf, als sowohl zweiphasige Kurzschlüsse wie auch dreiphasige Kurzschlüsse auftreten können. Der Stromverlauf und der Einfluss auf die Spannung ist in beiden Fällen derartig verschieden, dass eine richtige Eichung der Skala für zweiphasigen Kurzschluss durchaus nicht richtige
Angaben auch für dreiphasigen Kurzschluss gewährleistet.
Gemäss der Erfindung wird diese Schwierig- keit durch eine derartige Schaltung der Leitungsschutzrelais überwunden, dass die Spannungselemente der Relais von den verketteten Spannungen und die Stromelemente der Relais von den verketteten Strömen der drei Phasenleitungen erregt werden. An Hand des im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels soll gezeigt werden, dass die Relais dann sowohl bei zweiphasigem wie bei dreiphasigem Kurzschluss richtig arbeiten.
Bekannten Einrichtungen gegenüber, bei denen die Stromspulen der einzelnen Abschalterelais von dem Strome je einer Phase durchflossen werden, hat die Vorrichtung gemäss der Erfindung den Vorteil, dass bei zweiphasigem Kurzschluss nur der Fehlerstrom, aber nicht der Betriebsstrom, auf die Abschalt- relais einwirkt, wie weiter unten gezeigt werden wird.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für die Schaltung gemäss der Erfindung dargestellt. Die drei
Leitungen R, S, T werden von der Stromquelle 1 gespeist. Die sekundären Wicklungen dreier Strom- wandler 2,3, 4 sind in Dreieck geschaltet und mit den Stromspulen 12, 13, 14 der drei Fehlerortsrelais verbunden. Durch jede Stromspule fliesst ein Strom, der dem verketteten Strom zweier Phasen entspricht. An den Spannungsspulen 32, 33 und 34 der Relais liegt die verkettete Spannung zweier Phasen, u. zw. derart, dass jede Spannungsspule an der verketteten Spannung derselben beiden Phasen liegt, von deren verkettetem Strom die Stromspule durehflossen wird. Die verketteten Spannungen können in bekannter Weise durch direkten Anschluss an die Phasen oder über Spannungswandler erhalten werden.
In Fig. 2 sind die Fehlerstrom bei einem zweiphasigen Kurzschluss in das Sehaltungssehema eini gezeichnet. Der Kurzschluss 6 ist zwischen den beiden Phasen R und S angenommen. Diese beiden Phasen werden dann von ein und demselben Fehlerstrom, aber in entgegengesetzter Richtung durchflossen, wie durch die Pfeile dargestellt. Auch die in den Stromwandlern induzierten Ströme sind durch ent- sprechend Pfeile veranschaulicht. Verfolgt man den sekundären Stromkreis des Wandlers, so ergibt
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sich, dass die Relaisspule 12 vom doppelten Fehlerstrom, die Relaisspulen 13 und 14 vom einfachen Fehlerstrom durchflossen werden. Die Relais 13 und 14 spielen für die Fehlerortsbestimmung keine Rolle, da die Spannung in ihren Spannungsspulen 33 und 34, wenn überhaupt, nur wenig zurückgeht.
Die zur
Stromspule 12 zugehörige Spannungsspule 32 dagegen misst die zwischen den kurzgeschlossenen Phasen R und < S'zusammengebrochene verkettete Spannung. Wird nun durch diese beiden Spulen der Quotient der Spannung und der Stromstärke auf irgendeine Weise erkennbar gemacht, so ist dieser Quotient die
Spannung zwischen R und S geteilt durch den doppelten im Fehlerstromkreise fliessenden Strom. Der angezeigte Wert ist also die Hälfte des Widerstandes des gesamten Fehlerstromkreises oder mit andern Worten, der Widerstand einer Phase von der Überwachungsstelle bis zum Fehlerort.
An den beiden von dem Fehler betroffenen Phasen R und S ist infolge des Kurzschlusses die
Spannung nahezu verschwunden. Infolgedessen fliesst durch die betriebsmässige Belastung der beiden Phasen kein nennenswerter Strom. Dagegen bleibt die Spannung der gesunden Phase erhalten und der durch sie fliessende Betriebsstrom kehrt durch die kranken Phasen R und S je zur Hälfte zur Stromquelle zurück. Da aber durch die Stromspule des ansprechenden Leitungsschutzrelais nur die Differenz der in den kranken Phasen herrschenden Ströme hindurchfliesst, verschwindet der Betriebsstrom in diesem Relais vollständig.
Der Betriebsstrom kann also nicht die Fehlerentfernung falschen, wie dies bei bekannten Einrichtungen der Fall ist, bei denen die Stromspulen der Relais nur von den einfachen Phasenströmen durchflossen werden.
Soll die Schutzeinrichtung auch bei dreiphasigem Kurzschluss richtige Werte liefern, so muss auch hiebei der erkennbar gemachte Quotient der Widerstand einer Phasenleitung sein. In Fig. 3 ist dieser Fall eines dreiphasigen Kurzschlusses dargestellt. In allen drei Phasen R, S, T fliessen infolge des dreiphasigen Kurzschlusses 7 gleich grosse, um 120 in der Phase gegeneinander versetzte Ströme. Die entsprechenden Ströme fliessen in den Sekundärwicklungen 2,3, 4 der Stromwandler, und in den Stromspulen 12, 13, 14 der drei Relais fliessen die verketteten Ströme. Da aber die Spannungsspule jedes Relais an der verketteten Spannung der Phasen liegt, deren verketteter Strom die Stromquelle des Relais durchfliesst, so ist der gemessene Quotient gleich der verketteten Spannung dividiert durch den verketteten Strom.
Das ist aber in diesen Fällen der Widerstand einer Phasenleitung von der Überwachungsstelle bis zum Fehlerort.
Bei der Relaisanordnung gemäss Fig. 1 und 3 liegen die Spannungswicklungen der Relais, die auch bei stark gesunkener Spannung noch einigermassen genau arbeiten sollen, dauernd an der vollen Betriebsspannung. Um sie vor unzulässiger Erwärmung zu schützen, sucht man dies zu vermeiden. Es ist nun bekannt, den Stromkreis für die Spannungsspulen aus diesem Grunde erst dann zu schliessen, wenn Überstrom auftritt. Bei der neuen Relaisanordnung gemäss der Erfindung wurde dadurch aber die Gefahr entstehen, dass die Spannungsspulen auch an gesunde Spannungen angelegt werden, was ja gerade vermieden werden soll ; denn im Falle eines Kurzschlusses werden alle verketteten Ströme über den normalen Wert erhöht, so dass bei Verwendung von Überstromrelais sämtliche Spannungsspulen eingeschaltet werden würden.
Aus diesem Grunde werden gemäss der weiteren Erfindung die Spannungsspulen durch Hilfsrelais eingeschaltet, die ebenso wie die Leitungssehutzrelais auf das Verhältnis der verketteten Spannungen und der verketteten Ströme ansprechen. Diese Hilfsrelais können jedoch wesentlich einfacher gebaut werden, da von ihnen bei stark gesunkenen Spannungswerten kein genaues Arbeiten mehr verlangt wird, sie vielmehr nur ansprechen sollen, sobald ein bestimmter Wert des genannten Verhältnisses überschritten wird.
Als Ausführungsbeispiel ist eine Schaltung gemäss der Erfindung in Fig. 4 dargestellt. Die drei Phasen des Drehstromnetzes sind mit R, S'und T bezeichnet. Um einen Kurzschluss zwischen den Phasen R und S anzuzeigen oder abzuschalten, ist das Leitungsschutzrelais 41 mit der Stromspule 411 und der Spannungsspule 412 angeordnet. Bei einem Kurzschluss zwischen den Phasen S und T tritt das Leitungsschutzrelais 42 mit der Stromspule 421 und der Spannungsspule 422 in Tätigkeit, bei einem Kurzschluss zwischen den Phasen T und R das Leitungsschutzrelais 43 mit der Stromspule 431 und der Spannungsspule 432. Drei Stromwandler 44, 45, 46 sind in Dreieck geschaltet, und die verketteten Ströme
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schutzrelais an einen gemeinsamen Sternpunkt geführt.
Die Spannungsspule 412 des Leitungsschutz- relais 41 soll an den Phasen R und S liegen, da das Relais bei einem Kurzschluss zwischen diesen beiden Phasen in Tätigkeit zu treten hat. Die Verbindung mit der Phase R ist jedoch durch einen Schalter 413 unterbrochen, der erst durch das Hilfsrelais geschlossen wird, sobald das Verhältnis zwischen der verketteten Spannung B- < ? zu dem verketteten Strom unter ein bestimmtes Mass gesunken ist. Das Hilfsrelais hat zu diesem Zweck die Stromwicklung 414 und die Spannungswicklung 415. Die letztere ist so gewickelt, dass sie dauernd an der verketteten Spannung liegen bleiben kann. Ihre Unempfindlichkeit bei besonders stark gesunkener Spannung kann in Kauf genommen werden.
Ist der Schalter 413 durch das Hilfsrelais geschlossen worden, so tritt das Leitungsschutzrelais 41 in Tätigkeit. Es kann in der Weise arbeiten, dass es die Ölschalter nur dann öffnet, wenn der Fehler innerhalb der zu überwachenden Strecke liegt oder es kann auch die Verzögerungszeit bestimmen, mit der die Schalter geöffnet werden sollen.
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Auch das andere Ende der Spannungsspule 412 ist mit seiner Phase S nicht unmittelbar verbunden, sondern über einen Schalter 426. Dieser wird durch einen Elektromagneten 40 umgelegt, sobald die Nullspannung Eo des Netzes über einen bestimmten Betrag gestiegen ist, d. h. mit andern Worten dann, wenn ein Erdschluss vorliegt. Hat nur eine einzige Phase Erdschluss, so sprechen die Hilfsrelais nicht an, und die Umlegung des Schalters 426 hat keine Bedeutung. Haben aber zwei Phasen, z. B. R und S, Erdschluss, so entsteht dieselbe Wirkung wie bei einem Kurzschluss. Das richtige Arbeiten der Relais kann in diesem Falle aber in Frage gestellt werden, wenn die beiden Erdschlüsse auf verschiedenen Seiten des Relais liegen.
Um trotzdem das Auslösen der richtigen Ölschalter zu gewährleisten, wird bei doppeltem Erdschluss die Spannungsspule 412 an die Spannung der Phase R gegen Erde angelegt. Sobald nämlich der Magnet 40 durch die auftretende Nullspannung erregt wird, wird der Schalter 426 gegen einen Kontakt 441 angelegt, der an Erde liegt.
Die Leitungssehutzrelais 42 und 43 arbeiten in derselben Weise wie das Leitungsschutzrelais 41.
Ihre Spannungsspulen werden durch die Schalter 423 und 433 an Spannung gelegt, sobald die Hilfsrelais ansprechen, deren Stromspulen 424 und 4. 34 von den verketteten Strömen und deren Spannungsspulen 425 und 435 von den verketteten Spannungen erregt werden. Die andern Klemmen der Spannungsspulen 422 und 432 werden bei Erdschluss durch die Umschalter 436 und 416 von den Phasen des Netzes abgetrennt und an Erde gelegt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schaltung von Leitungsschutzrelais für Drehstrom, die in Abhängigkeit sowohl von der Spannung wie von der Stromstärke des Kurzschlusskreises arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- elemente (32, 33, 34) der Relais von den verketteten Spannungen und die Stromelemente (12, 13, 14) der Relais von den verketteten Strömen der drei Phasenleitungen erregt werden (Fig. 1-3).
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Switching of line protection relays for three-phase current.
In order to be able to identify faults in electrical lines that have arisen as a result of short circuits as quickly as possible, or to automatically switch off the faulty line sections, relays are used that are influenced by both the voltage and the current intensity flowing in the lines. In their most perfect form, such relays measure the quotient of voltage and
Current strength, in other words the resistance of the line. The relays are set to reactive or impedance.
If the resistance of the fault circuit is known, a conclusion can be drawn about the distance from the fault location itself; because the resistance of the short circuit itself can be neglected, especially if the relay responds to the reactance and the values measured at the first moment after the occurrence of the fault are used as a basis.
In the case of display devices, irrespective of whether automatic shutdown of the faulty section is connected with it or not, the scale can be calibrated directly in units of length instead of in ohms, so that it immediately indicates the distance of the fault. With three-phase lines, a problem arises here in that both two-phase short circuits and three-phase short circuits can occur. The current curve and the influence on the voltage are so different in both cases that a correct calibration of the scale for two-phase short circuit is by no means correct
Information also guaranteed for three-phase short circuit.
According to the invention, this difficulty is overcome by switching the line protection relays in such a way that the voltage elements of the relays are excited by the linked voltages and the current elements of the relays are excited by the linked currents of the three phase lines. Using the exemplary embodiment described below, it should be shown that the relays then work correctly with both two-phase and three-phase short circuits.
Compared to known devices in which the current of one phase flows through the current coils of the individual cut-off relays, the device according to the invention has the advantage that in the case of a two-phase short circuit, only the fault current, but not the operating current, acts on the cut-off relay, such as will be shown below.
In Fig. 1 an embodiment for the circuit according to the invention is shown. The three
Lines R, S, T are fed by the current source 1. The secondary windings of three current transformers 2, 3, 4 are connected in delta and are connected to the current coils 12, 13, 14 of the three fault location relays. A current flows through each current coil, which corresponds to the linked current of two phases. At the voltage coils 32, 33 and 34 of the relay is the linked voltage of two phases, u. zw. In such a way that each voltage coil is connected to the linked voltage of the same two phases, the linked current of which flows through the current coil. The linked voltages can be obtained in a known manner by direct connection to the phases or via voltage converters.
In Fig. 2, the fault currents in the case of a two-phase short-circuit are drawn in the Sehaltungssehema eini. The short circuit 6 is assumed to be between the two phases R and S. One and the same fault current flows through these two phases, but in opposite directions, as shown by the arrows. The currents induced in the current transformers are also illustrated by corresponding arrows. If you follow the secondary circuit of the converter, you get
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ensure that the relay coil 12 is traversed by double fault current, the relay coils 13 and 14 by the single fault current. The relays 13 and 14 play no role in determining the location of the fault, since the voltage in their voltage coils 33 and 34 decreases only slightly, if at all.
The for
The voltage coil 32 associated with the current coil 12, on the other hand, measures the concatenated voltage that has collapsed between the short-circuited phases R and <S '. If the quotient of the voltage and the current intensity is made recognizable in some way by these two coils, then this quotient is the
Voltage between R and S divided by twice the current flowing in the fault current circuit. The displayed value is therefore half the resistance of the entire fault circuit or, in other words, the resistance of a phase from the monitoring point to the fault location.
At the two phases affected by the fault R and S is due to the short circuit
Tension almost gone. As a result, no significant current flows due to the operational load on the two phases. On the other hand, the voltage of the healthy phase is maintained and the operating current flowing through it returns halfway through the sick phases R and S to the power source. However, since only the difference between the currents prevailing in the sick phases flows through the current coil of the responding line protection relay, the operating current in this relay disappears completely.
The operating current can therefore not erroneously distance the fault, as is the case with known devices in which the current coils of the relays only have the simple phase currents flowing through them.
If the protective device is to provide correct values even in the event of a three-phase short circuit, the quotient made recognizable must also be the resistance of a phase line. This case of a three-phase short circuit is shown in FIG. 3. In all three phases R, S, T, due to the three-phase short circuit 7, currents of the same size and offset from one another by 120 in the phase flow. The corresponding currents flow in the secondary windings 2, 3, 4 of the current transformers, and the linked currents flow in the current coils 12, 13, 14 of the three relays. However, since the voltage coil of each relay is connected to the linked voltage of the phases whose linked current flows through the current source of the relay, the measured quotient is equal to the linked voltage divided by the linked current.
In these cases, however, this is the resistance of a phase line from the monitoring point to the fault location.
In the relay arrangement according to FIGS. 1 and 3, the voltage windings of the relays, which should still work reasonably accurately even when the voltage has dropped sharply, are always at full operating voltage. In order to protect them from inadmissible heating, one tries to avoid this. It is now known to close the circuit for the voltage coils for this reason only when overcurrent occurs. In the case of the new relay arrangement according to the invention, however, the risk arises that the voltage coils will also be applied to healthy voltages, which is precisely what should be avoided; because in the event of a short circuit, all linked currents are increased above the normal value, so that all voltage coils would be switched on if overcurrent relays were used.
For this reason, according to the further invention, the voltage coils are switched on by auxiliary relays which, like the line protection relays, respond to the ratio of the linked voltages and the linked currents. These auxiliary relays can, however, be built much more simply because they are no longer required to work precisely when the voltage values have fallen sharply, but rather should only respond as soon as a certain value of the stated ratio is exceeded.
A circuit according to the invention is shown in FIG. 4 as an exemplary embodiment. The three phases of the three-phase network are denoted by R, S 'and T. In order to display or switch off a short circuit between the phases R and S, the line protection relay 41 is arranged with the current coil 411 and the voltage coil 412. In the event of a short circuit between phases S and T, the line protection relay 42 with the current coil 421 and voltage coil 422 comes into operation; in the event of a short circuit between phases T and R, the line protection relay 43 with the current coil 431 and the voltage coil 432.Three current converters 44, 45 , 46 are connected in delta, and the concatenated currents
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protection relay connected to a common star point.
The voltage coil 412 of the line protection relay 41 should be connected to the phases R and S, since the relay has to come into operation in the event of a short circuit between these two phases. However, the connection with phase R is interrupted by a switch 413, which is only closed by the auxiliary relay as soon as the ratio between the linked voltage B- <? has fallen below a certain level in relation to the linked current. The auxiliary relay has the current winding 414 and the voltage winding 415 for this purpose. The latter is wound in such a way that it can remain permanently connected to the line voltage. Their insensitivity to a particularly sharp drop in voltage can be accepted.
If the switch 413 has been closed by the auxiliary relay, the line protection relay 41 comes into action. It can work in such a way that it only opens the oil switch if the fault is within the distance to be monitored or it can also determine the delay time with which the switches should be opened.
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The other end of the voltage coil 412 is not directly connected to its phase S either, but via a switch 426. This is switched over by an electromagnet 40 as soon as the zero voltage Eo of the network has risen above a certain amount, ie. H. in other words, when there is an earth fault. If only a single phase has an earth fault, the auxiliary relays do not respond and the flip of switch 426 has no significance. But have two phases, e.g. B. R and S, earth fault, the same effect occurs as with a short circuit. The correct operation of the relay can be questioned in this case if the two earth faults are on different sides of the relay.
In order to still ensure that the correct oil switch is triggered, the voltage coil 412 is applied to the voltage of phase R to earth in the event of a double earth fault. As soon as the magnet 40 is excited by the zero voltage occurring, the switch 426 is applied to a contact 441 which is connected to earth.
Line protection relays 42 and 43 operate in the same way as line protection relay 41.
Their voltage coils are energized by switches 423 and 433 as soon as the auxiliary relays respond, whose current coils 424 and 4. 34 are excited by the linked currents and their voltage coils 425 and 435 by the linked voltages. The other terminals of the voltage coils 422 and 432 are separated from the phases of the network by the changeover switches 436 and 416 in the event of an earth fault and connected to earth.
PATENT CLAIMS:
1. Switching of line protection relays for three-phase current, which work as a function of both the voltage and the current strength of the short-circuit circuit, characterized in that the voltage elements (32, 33, 34) of the relays from the linked voltages and the current elements (12, 13, 14) of the relays are excited by the concatenated currents of the three phase lines (Fig. 1-3).