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Unverzögert wirkendes Widerstindsschutzrelais.
Die Erfindung betrifft eine neue Form eines Impedanz-oder Reaktanzrelais, welche in einigen Fehlerfällen bei einphasigen oder mehrphasigen Leitungen Vorteile bietet, insbesondere befasst sich die Erfindung mit solchen Ausführungsformen, die für den sogenannten Sehnellstschutz für dreiphasige Leitungsanlagen mit geerdetem Sternpunkt zur Anwendung kommen sollen. Das neue Relais kann sowohl zum Schutz von Einfachleitungen als auch zum Schutz von Parallelleitungen verwendet werden.
Früher hat man zur Abschaltung einer kranken Leitungsstrecke, sei es, dass es sich um einen Kurzgchlussfall oder um einen Erdschlussfall handelt, im allgemeinen Ferrarisrelais angewendet. Diese Relais arbeiten aber langsam mit einer Zeitverzögerung, welche von der Fehlerentfernung abhängt, so dass sich ein Zeitunterschied ergibt, je nachdem, ob der Fehler in der Nähe oder in grosser Entfernung entstanden ist. Diese Ferrarisrelais werden nicht erheblich von einem Widerstand an der Fehlerstelle selbst beeinflusst, wenn auch ein solcher Widerstand sich durch eine gewisse Vergrösserung der Relaislaufzeit bemerkbar macht.
Mit der Einführung des Schnellstschutzes war man gezwungen, solche Widerstandsrelais anzuwenden, bei welchen es von der Grösse des gemessenen Widerstandes abhängt, ob das Relais anspricht oder nicht, bei denen also nicht mehr die Grösse der Laufzeit von dem Widerstand abhängt. Bei diesen Relais kann es eintreten, dass in einer durch ein unverzögertes Impedanzrelais geschützten Leitung der Widerstand im Fehlerfall solche Grösse besitzt, dass das Relais nicht anspricht. Dieser Fall tritt häufig bei Erdsehlüssen ein, in welchen Fällen der Widerstand des Fehlerstromkreises solchen Wert annehmen kann, dass der scheinbare Widerstand erheblich grösser wird.
Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, wäre es wünschenswert, ein Relais zu haben, welches anspricht, wenn ein Fehler auftritt und die vom Relais gemessene Reaktanz unterhalb eines bestimmten Grenzwertes liegt. Ein derartiges Reaktanzrelais würde von der zufälligen Grösse des Widerstandes in der Fehlerstelle abhängig sein, würde aber grundsätzlich den Nachteil mit sich bringen, dass es unter normalen Betriebsbedingungen anspricht, wenn kein Fehler vorliegt, wenn auch der Leistungsfaktor nahezu Eins wird. In solchen Fällen wird auch bei gesunder Leitung die Leitungsreaktanz Null, also kleiner als sie in irgendeinem Fehlerfall, wenn der Fehler dicht am Relaisort entsteht, werden kann.
Das Relais gemäss der Erfindung soll demzufolge die Eigenschaft haben, dass es bei keiner ordnungsmässigen Belastung anspricht, dass es aber in einem Fehlerfall möglichst unbeeinflusst bleibt durch den ohmschen Widerstand des Fehlerkreises. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäss eine Kombination aus einem Reaktanzrelais und Impedanzrelais vorgeschlagen oder ein Relais, welches eine zweekdienende eigentümliche. Charakteristik besitzt.
Im besonderen wird erfindungsgemäss ein unverzögertes Impedanzrelais in geeigneter Weise mit einer oder mehreren zusätzlichen Spannungsspulen auf dem Stromelement des Relais ausgestattet, wodurch die wünschenswerte Relaiseigenschaft erzielt wird.
Wenn im folgenden der Ausdruck Impedanzrelais oder Reaktanzrelais verwendet ist, so soll dies nicht ausschliessen, dass das Relais statt den Widerstand den Leitwert des geschützten Anlageteiles überwacht, wobei dann die Relaiskontakte so angeordnet werden, dass sie normalerweise geschlossen sind.
Ein derartiges den Leitwert (Suszeptanz) überwachendes Relais mit geeigneter Charakteristik vermag
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Das Relais nach der Erfindung kann als Waagebalkenrelais ausgeführt sein mit einer von einer
Spannungsspule hervorgerufenen Rückzugskraft, welche durch zwei Spannungsspulen ausgelöst wird, die zur Erzielung einer gleichmässigen Kraftwirkung von phasenverschobenen Erregerströmen durchflossen werden, damit die Zugkraft der Spannungsspule nicht bei jedem Durchgang der Spannung durch Null verschwindet.
Bei dem Relais nach der Erfindung gibt es vom Strom durchflossene Spulen, u. zw. solche, die vom
Leiterstrom und andere, die von der Differenz zweier Leiterströme durchflossen werden. Gleichzeitig kann eine Anordnung vorgesehen sein, mit deren Hilfe die relative Stärke der von den Strömen ausge- übten Kräfte verändert werden kann, wodurch man das einfache Mittel zur Einstellung des Relais auf eine bestimmte Fehlerentfernung besitzt.
Das Hauptanwendungsgebiet des Relais nach der Erfindung sind kurze Leitungen, beispielsweise solche von etwa 3 km, weil bei solch kurzen Leitungen der Lichtbogenwiderstand im Verhältnis zur
Leitungsreaktanz erhebliche Grösse besitzt, so dass unverzögert wirkende Impedanzrelais nicht zulässig sind. Bei langen Leitungen spielt der Lichtbogenwiderstand keine so erhebliche Rolle, so dass die etwaige
Verlagerung des Endpunktes des Schutzbereiches des Relais nicht dazu zwingt, von der Bewachung des
Scheinwiderstandes abzugehen.
Das Relais gemäss der Erfindung kann vorteilhaft auch zum Schutz langer Leitungsstrecken ver- wendet werden und dann beispielsweise die erste Zeitstufe ergeben. Versuche im Laboratorium und im
Freien haben ergeben, dass der Widerstand eines Lichtbogens im Anfang sehr klein ist und innerhalb einer gewissen Anzahl von Perioden auch klein bleibt. Wenn der Lichtbogen nicht sofort unterbrochen wird, kann er ausflattern, und der Widerstand des Lichtbogens wächst nach Ablauf einer gewissen Zeit auf ein
Vielfaches des Anfangswertes. Daraus ergibt sich aber eine gewisse Zeit, etwa von der Grössenordnung einer halben Sekunde.
Aus diesen Überlegungen ergibt sich, dass in der ersten Zeitzone, also beispielsweise innerhalb 80% des zu schützenden Leitungsabschnittes, wenn die Leitungsschalter sofort nach Entstehung des Falles ausgelöst werden, also etwa innerhalb einer Periode oder weniger der Betriebsspannung die
Fehlmessung der Fehlerentfernung durch den Lichtbogenwiderstand kaum vergrössert wird, so dass also infolgedessen das unverzögert arbeitende Impedanzrelais ordnungsmässig zu arbeiten vermag. In der nächstfolgenden Zeitzone der Schutzanordnung, in welcher also die Abschaltung der Leitung um ein bestimmtes Zeitmass verzögert ist, kann der Lichtbogenwiderstand bereits solche Werte annehmen, dass ein Impedanzrelais nicht mehr richtig zu arbeiten vermag, und dann ist die Anwendung des Relais nach der Erfindung erforderlich.
In der dritten Zeitzone sind die Entfernungen bereits grösser, so dass die
Relaiseinstellung ohne weiteres bereits zur selektiven Abschaltung ausreicht, dass also Impedanzrelais verwendet werden können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren schematisch wiedergegeben.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Relais besitzt einen doppelarmigen Hebel 11, welcher bei 12 drehbar gelagert ist. An seinem rechten Ende trägt er ein bewegliches Kontaktglied 13, welches bei
Berührung mit einem Gegenkontakt 14 den Stromkreis 15 für die Schalterauslösung schliesst. An dem linken Ende des doppelarmigen Hebels zieht die Kraft einer Spule 16, die einen Tauchanker 17 besitzt und das linke Ende des Hebels 11 normalerweise gegen einen Anschlag 18 zieht, so dass also die Kontakte 13,
14 dann geöffnet sind. Am rechten Ende des Hebelarmes 11 sind zwei Spulen 19 und 20 vorgesehen, die auf einen gemeinsamen Tauchanker 21 einwirken und die Kontakte 13 und 14 zu schliessen bestrebt sind. Die Spule 19 wird vom Leitungsstrom J erregt.
Die Spulen 16 und 20 liegen an der Netzspannung.
Diese Spulen sind in dem Ausführungsbeispiel in Reihe geschaltet, können also natürlich auch parallel geschaltet sein.
Die Hauptspannungsspule 16 wirkt im Sinne einer Öffnung der Kontakte 13 und 14, also ent- gegengesetzt wie die Stromspule 19. Im folgenden wird die Spule 16 deswegen als Gegenkraftspannungs- spule bezeichnet. Die andere Spannungsspule 20 wirkt am leichen Hebelende wie die Stromspule 19 und wird im folgenden deshalb Hilfsspannungsspule genannt.
Die beiden Spannungsspulen Mund 20 liegen im Sekundärkreis eines nicht dargestellten Spannungswandlers. Sie können diese Spannung direkt erhalten oder auch an den Wechselstromwiderstand ange- schlossen sein, um eine andere Phasenlage der Erregerströme der Spulen 16 und 20 zu erhalten. Die
Stromspule 19 wird von einem ebenfalls nicht gezeichneten Stromwandler gespeist ; zu ihr parallel liegt ein Nebenschluss, welcher die Gleichstromkomponente, die bei Schaltvorgängen auftreten kann, von der Stromspule 19 fernhält.
Um die Wirksamkeit des Relais verständlich zu machen, werden im folgenden die Grundgleichungen, welche das Verhalten des Relais beschreiben, erörtert. Dabei wird zunächst der einfachste Fall betrachtet, in welchem der Nebenschluss zur Stromspule für die Fernhaltung der Gleichstromkomponente nicht vorhanden ist und bei welcher die gegenseitige induktive Beeinflussung der Spulen 19 und 20 als vernach- lässigbar betrachtet ist, weil die dadurch erzeugten Spannungen der wechselseitigen Induktivität sowie ) die dadurch ausgelösten Ströme im Vergleich zur Gesamtspannung und zum Gesamterregerstrom des
Relais klein sind. Für den einzelnen Anwendungsfall der Erfindung können alle diese zunächst vernach- lässigten Wirkungen in Rechnung gestellt werden.
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In Fig. 2 ist angenommen, dass der Strom J um 0 Winkelgrad hinter der Leitungsspannung E nacheilt und dass der Strom Je in der Hilfsspannungsspule 20 hinter der negativen Klemmenspannung (-E) um a Winkelgrade nacheilt. Ferner wird die Wicklungszahl der Stromspule 19 gleich Eins gesetzt und dementsprechend die Windungszahlen der Spulen 20 und 16 im Verhältnis zur Windungszahl der Stromspule gleich in, +'m gesetzt.
Die im Sinne einer Kontaktschliessung wirkende Kraft Pu, welche am rechten Hebelende auftrifft, ist proportional dem Quadrat der Magnetisierung des Magnetkernes 21, d. h. also proportional dem Quadrat der Feldstärke He, welche die eine Seite eines Dreieckes bildet, dessen beide andern Seiten durch J + n Je im Vektordiagramm der Fig. 2 gebildet sind. Der Winkel zwischen diesen beiden Dreiecksseiten J + n Je ist ?- < "). Der Wert der sich ergebenden magnetischen Feldstärke He kann gemäss dem Cosinussatz aus den beiden Dreieckgrössen J + n Je ermittelt werden. Die Zugkraft am rechten Hebelende ist H proportional.
Es gilt für diese Kraft die Gleichung :
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Die entgegengesetzt wirkende Kraft, welche also die Kontakte 13 und 14 auseinander hält (Pu) und die am linken Ende des Hebels angreift, ist proportional dem Quadrat der Amperewindungen der Spule 16. Die hier auftretende Feldstärke Ho ist gleich mJ. Wenn die Magnetsysteme am rechten und linken Ende des Hebels 11, abgesehen von den Windungszahlen und den Erregerströmen, gleich sind, so kann man für den Vergleich der an den Hebelenden wirksamen Kräfte die am linken Ende angreifende Kraft durch die folgende Gleichung beschreiben.
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Da die Kräfte, die beiderseits auf den Hebel 11 einwirken, mechanisch gegeneinander ausgewogen werden, besteht zwischen diesen beiden Kräften und dem Verhalten des Relais keinerlei vektorielle Beziehung. Die beiden Kräfte können infolgedessen gleich gesetzt werden, wobei ferner noch für cos (a-0) gesetzt werden kann : cos a cos # + sin a sin # und berücksichtigt werden kann, dass Je und J proportional
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gleich der Leitungsreaktanz X ist. Daraus ergibt sich dann :
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Die Gleichung stellt einen Kreis dar, in welchem der ohmsche Widelstand R und die Leitungsreaktanz X die Koordinaten darstellen.
Die Gleichung kann durch Umformung auf die Form 4 gebracht werden.
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Der Mittelpunkt des Kreises liegt dann bei
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und der Radius des Kreises ist
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Der durch die Gleichungen 3-7 gegebene Kreis stellt die Weite des Leitungswiderstandes R und der Leitungsreaktanz X dar, bei denen im Relais gerade die beiden Drehmomente im Gleichgewicht sind. Bei allen Wertepaaren von R und X, welche zu einem Punkt innerhalb des Kreises gehören, überwiegt das Drehmoment, welches die Kontakte 13, 14 schliesst. Bei allen Wertepaaren, die zu Punkten ausserhalb des Kreises gehören, bleibt das Relais in Ruhe.
Wenn man die Hilfsspannungsspule 20 fortlässt, stellt das Relais ein Impedanzkipprelais dar, wie es bereits bekannt ist und welches anspricht, wenn ein ganz bestimmter Wert der Leitungsimpedanz unterstritten wird.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung besteht nun darin, dass die Spannungsspule 16 und 20 gleiche Windungszahlen erhalten und dass der Phasenwinkel a 180 oder 0 ist. je nachdem, ob die Spannung in der Hilfsspannungsspule 20 in Phasenübereinstimmung oder in Phasenopposition zur Netzspannung steht. Das Relais wird dann ein Kipprelais, welches die ohmsche Komponente des Leitungswiderstandes überwacht, von der Leitungsreaktanz aber gänzlich unabhängig ist.
Bei gleicher Windungszahl der Spulen 16 und 20 kann man aber auch den Winkel a genau gleich 900 machen.
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In Fig. 3 ist eine derartige Anordnung beispielsweise angegeben.
Parallel zur Spule 20 liegt eine Kapazität 24. Durch eine nicht dargestellte Einzelvorriehtung werden die beiden Spannungsspulen 16 und 20 so abgeglichen, dass sie stets gleiche Amperewindungen ergeben. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, bei welcher die Spule 20 durch eine negative Reaktanz überbrückt ist, wodurch ihr Strom vergrössert wird, sind bei der Spule 16 mehr Windungen erforderlich als bei der Spule 20, damit die magnetischen Kräfte gleich stark werden.
Das vorhin beschriebene Relais stellt ein Reaktanzkipprelais dar, welches auch bei normalem Netzzustand absprechen kann, wenn der Leistungsfaktor sehr hoch wird. Ein Impedanzrelais an Stelle des Reaktanzkipprelais erfordert, wenn ein Stromlichtungswechsel möglich ist, eine Ergänzung durch ein Energierichtungsrelais zur Verriegelung der Schalterauslösung.
Bei einem Relais nach der Erfindung, dass in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, kann man das Verhältnis der Windungszahlen der Spulen 20 und 16 oder den Phasenwinkel a anders wählen, als bei den bis jetzt beschriebenen Relaisausführungen vorausgesetzt war. Es empfiehlt sich nämlich eine Relais- anordnung, welche weder allein auf die Leitungsreaktanz noch allein auf die Leitungsimpedanz anspricht, zu verwenden, so dass beispielsweise das Relais im wesentlichen in erster Linie von der Leitungsreaktanz beeinflusst wird oder ebenfalls vom ohmschen Widerstand der Leitung weniger abhängig ist als die reinen Impedanzrelais. Vorteilhaft ist es bei einem solchen Relais aber, dass es keines besonderen Anrege- relais bedarf, wie dies bei den reinen Impedanzrelais ebenfalls zutrifft.
Das Relais stellt gewissermassen die Vereinigung eines die Fehlerentfernung freilassenden Relais mit einem Anregerelais dar. Es ist gewisser- massen sein eigenes Anregerelais. Bei dreiphasigen Leitungen lässt sich der Erfindungsgedanke leicht durchführen, weil zwischen der grössten im Fehlerfall vorkommenden Leitungsimpedanz und der kleinsten
Betriebsimpedanz ein erheblicher Unterschied besteht, abgesehen von besonders langen Leitungen, wo aber anderseits die Verwendung von Impedanzrelais wiederum keine Schwieligkeiten bereitet.
Um die Arbeitsbedingung des Relais genauer zu erörtern, empfiehlt es sich, die Ortskurven gemäss i Gleichungen 3-7 für bestimmte Bedingungen näher zu untersuchen.
Der grösste Wert der Leitungsreaktanz X, bei dem das Relais gerade noch zum Ansprechen kommt, ergibt sich aus dem Diagramm in Fig. 4, wenn der Radius parallel zur X-Achse in der positiven Richtung zeigt. Es ist dann :
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Wenn dieser grösste Weit der Leitungsreaktanz als Einheit für das Koordinatensystem gewählt wird, dann ergeben sich als Koordinaten für den Kreismittelpunkt :
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Der Radius wird
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Es leuchtet ein, dass der Radius des Kreises alle Werte zwischen 0 und oo annehmen kann, dass der Mittelpunkt des M eises ebenfalls bei jedem beliebigen Punkt des Koordinatensystems liegen kann, je nachdem, wie die Konstanten n, r und a gewählt sind.
In Fig. 4 sind vier charakteristische Kreise dargestellt, bei welchen der grösste Wert der Leitungsreaktanz (100%) als Einheit für den Massstab sowohl von X als auch von R gewählt ist. Diese Darstellung vereinfacht die Übersicht über das Verhalten des Relais. Man muss aber im Gedächtnis behalten, dass alle Werte in prozentualem Massstab aufgetragen sind, dass aber die tatsächliche Grösse von X'. y von
Fall zu Fall eine andere ist.
Im Diagramm 4 sind auf der Ordinate Blindwiderstände und auf der Abszisse Wirkwiderstände abgetragen, u. zw. ist, um die Übersicht zu erleichtern, in beiden Fällen der gleiche Massstab benutzt worden und die Zahlen 25, 50 usw. stellen Hundertstel eines gedachten oberen Grenzwertes dar, welcher vom Punkt 0 also um--entfernt ist.
100
Die Kurve 31 schneidet die Abszisse, auf welcher die ohmschen Widerstände aufgetragen sind, im Endlichen nicht, d. h. für ein Relais, dessen Verhalten durch die Kurve 31 dargestellt ist, ist der ohmsche Leitungswiderstand gänzlich bedeutungslos. Das Relais besitzt vielmehr die Eigenschaft, immer dann anzusprechen, wenn die Leitungsreaktanz kleiner als der angenommene Wert von 100% ist. Die Kurve 31 gibt also das Verhalten eines Minimalreaktanzrelais wieder, welches so eingestellt ist, dass das Relais in
Ruhe bleibt solange die Reaktanz grösser ist. als dem gezeichneten Wert 100% entspricht, und welches bei allen kleineren Werten der Leitungsreaktanz seinen Kontakt schliesst.
Im Gegensatz dazu würde die
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Charakteristik eines Relais, welches lediglichvomohmschen Widerstand der Leitung beeinflusst wird, parallel zur Ordinate, u. zw. in einem Abstand verlaufen, welcher dem obersten Widerstandswert der Leitung entspricht, bei dem das Relais gerade noch anspricht. Die Kurve 81 in Fig. 4 entspricht einem Kreis mit unendlich grossem Radius. Dieser Kreis schneidet die Ordinate im Abstand X = 100 % von der Abszisse.
Der Mittelpunkt dieses Kreises liegt bei den Ordinaten Ro = 0 und X"==-oo. Für das reine Reaktanzrelais gilt bezüglich der Fig. 1 und 3, dass r = 1 und a = 900 ist.
Die reine Impedanzcharakteristik wird dargestellt durch die Kurve 32. Diese stellt einen Kreis dar mit einem Radius von der Grösse X Der imittelpunkt dieses Kreises besitzt die Koordinaten R"= 0 und X = 0. Bezüglich der Relaisausführungen in Fig. 1 und 3 sind die Konstanten n = 0, r = oo.)' ? = M zu wählen. Die zwischen den Kreisen 31 und 32 liegenden Kreise der Fig. 4 gelten für solche Voraussetzungen, bei denen das Relais weder ein reines Reaktanzrelais noch ein reines Impedanzrelais ist.
Es ist wünschenswert, dass das Relais solche Eigenschaften besitzt, dass es ohne Anregerelais verwendet werden kann, und die kreisförmige Ortskurve in Fig. 4 eines Relais muss so liegen, dass die allen Normalbetriebsfällen entsprechenden Diagrammpunkte ausserhalb des Kreises liegen. Es ist ferner wünschenswert, dass bei einem gegebenen Grenzwert der Leitungsreaktanz ein möglichst hoher ohmscher Leitungswiderstand zulässig ist. Eine vorteilhafte Relaischarakteristik stellt beispielsweise die Kurve. 38 in Fig. 4 dar, welche ein
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durch die Gleichung 9 dividiert, so ergibt sich dann für a der Wert von 110 .
Man muss also Mittel vor- sehen. damit der Strom in der Hilfsspannungsspule 20 vor dem Strom der Spule 19 bei rein ohmscher
Belastung des Netzes um 700 vorauseilt. Daraus folgert dann unter Berücksichtigung der Gleichung H, dass I'1, 410 ist. Der grösste Wert der Leitungsreaktanz, bei welchem das Relais gerade noch anspricht, ergibt sich dann aus Gleichung 8. Bei Anwendung einer Verhältniszahl)'== 1,41 ergibt sich also eine zweckmässige Wirkungsweise des Relais.
Die Phasenverschiebung von 1100 kann. wie beispielsweise Fig. 3 zeigt. durch eine Kunstschaltung gewonnen werden, bei welcher eine Hauptspannungsspule und eine Hilfsspannungsspule verwendet sind und die Hauptspannungsspule einen höheren Verhältniswert zwischen ohmschem und induktivem Wider- stand besitzt als die Hilfsspannungsspule. Statt dessen kann auch die in Fig. 5 dargestellte Schaltung verwendet werden mit zwei Hilfsspannungsspulen 20a und 20b an Stelle nur einer Spule SO. wenn die eine von diesen Teilspulen in umgekehrtem Sinne angeschlossen ist als die andere und mit einem Kondensator 28 in Reihe liegt.
Man kann statt dessen auch einen Nebenschluss zur Spule 19 verwenden, der zugleich die
Gleichstromkomponente bei Schaltvorgängen von der Relaisspule fernhält und an der Stromspule eine
Phasenvoreilung von 30 zur Folge hat, wobei dann eine normale Spannungsspule in einem Stromkreis liegt, der eine Impedanz mit einem Nacheilwinkel von 800 gegenüber der negativen Netzspannung zur
Anwendung bringt, wie später an Hand von Fig. 6 und 7 noch eingehender erläutert werden wird. Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung der erforderlichen Phasenverschiebung besteht noch darin, dass die
Spulen 16 und 20 nicht in Reihe, sondern parallel geschaltet werden und dass mit der Spule 20 eine Kapa- zität in Reihe liegt, wodurch der Strom in dieser Spule gegenüber der positiven Netzspannung um 70 vorauseilt.
Einrichtungen dieser Art sind in den Fig. 8 und 9 verwendet.
Bezüglich der abgeänderten Reaktanzkurven 33 der Fig. 4 sei noch darauf hingewiesen, dass. soweit sie durch den dritten und vierten Quadranten verlaufen, das Verhalten des Relais bei Überstrom wieder- kehrt. Hier kann durch ein Energierichtungsrelais die Schalterauslösung verriegelt werden. Obwohl die
Ortskurve auch den zweiten Quadranten schneidet, so sind anderseits doch die in diesen Quadranten liegenden Wertepaare der Reaktanz und des ohmschen Widerstandes nur theoretisch denkbar, praktisch aber nicht möglich. Jedenfalls treten diese komplexen Leitungswiderstände in keinem Fehlerfall auf, so dass also in diesem Bereich keine Relaisbetätigung eintreten kann.
Bei der gewählten Anordnung darf der Scheinwiderstand, welcher zum Leitungswiderstand hinzutritt, einen erheblichen Wert annehmen, bevor er die Wirkung haben kann. dass die Auslösung eines Leitungsschalters im Fehlerfall nicht zustande kommt. Wenn beispielsweise der Frequenzwert des Relaisschutzbereiches auf 90% der Reaktanz der zu schützenden Leitungsstrecke eingestellt ist, würde eine
Schalterauslösung erst dann fehlerhafterweise nicht mehr eintreten, wenn der Scheinwiderstand 147 % des eingestellten Ansprechwertes der Reaktanz erreicht ist. Wenn aber der Schutzbereich des Relais auf die Reaktanz nur der halben Leitungsstrecke eingestellt ist, kann der Scheinwiderstand nahezu 240 % der Reaktanz der gesamten Leitungsstrecke annehmen.
Aus diesem Grunde kann man ein Relais vorsehen, welches im wesentlichen vom Lichtbogenwiderstand unabhängig ist, wenn dieser eine bestimmte
Grösse übersteigt.
Das Diagramm für die Wirksamkeit der Relaisanordnung des vorgeschlagenen kombinierten Impedanz-und Reaktanzrelais kann in mannigfache Weise anders gestaltet werden. Z. B. die Impedanzrelaischarakteristik gemäss Kurve 32 in Fig. 4 würde wesentlich verbessert, wenn unter der Voraussetzung, dass der Kreisdurchmesser konstant bleibt, der Kreismittelpunkt rechts parallel zur Widerstandsachse in Fig. 4 verschoben wird, beispielsweise bis zum Punkt Ro = 25 % Xw/. c. Dieser Kreis ist in Fig. 4
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ausgeführt und mit 34 bezeichnet. Da die Leitung praktisch frei vom ohmschen Widerstand sein kann, kann auch kein Fehlerfall entstehen, in welchem der vom Relais zu messende Scheinwiderstand keinen rein ohmschen Widerstandsteil enthält.
Man kann dem Rechnung tragen, indem man den Anspreehwert der Impedanz etwa um die Grösse des ohmschen Widerstandes, welcher im Kurzschlussfall im Widerstand der Kurzschlussschleife enthalten ist, vergrössert. Dadurch erreicht man, dass der Grenzwert des ohmschen Widerstandes, welcher ausreicht, um im Fehlerfall ein Ansprechen des Relais zu verhindern, um einen entsprechenden Betrag grösser wird.
Rechnerisch ergeben sich für die Kurve 34 in Fig. 4 beispielsweise folgende Unterlagen : == 25. X, und Xo = 0 sind die Mittelpunktskoordinaten. Diese Werte sind einzusetzen in die früher genannten Gleichungen 9 und 10. Es ergibt sich dann, da Xlsslat kein Absolutwert, sondern
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werden.
Fig. 6 gibt eine Übersicht über die gesamte Schaltung eines Relais. Diese Schaltung ist als Beispiel zur Erläuterung der Erfindung gewählt. In dieser Anordnung ist ein erstes Widerstandselement 40 und ein zweites Widerstandselement 41 zu erkennen, welche beide unverzögert arbeitende Relais sind. Das erste Relais ist vorgesehen für einen Schutzbereich bis 80 % der zu schützenden Leitungsstreeke. Der Schutzbereich des zweiten Relais reicht bis zur Entfernung von 150 % der Länge der zu schützenden Strecke oder, wenn die Leitungsabschnitte gleich lang sind, bis in die Mitte der nächsten Strecke hinein.
Das Relais ist mit zehn Anschlussklemmen 1-10 versehen für die Herstellung der äusseren Relaisschaltung. Die Batterie zur Betätigung der Auslosespule des Leitungssohalters ist vermittels der Klemmen ? und 9 angeschlossen. Innerhalb des Relais führen von den Kontakten 7 und 9 Verbindungsleitungen zu den normalerweise offenen Kontakten 13 und 14 des ersten Widerstandsrelais 40. In Reihe damit liegen die normalerweise offenen Kontakte 44 eines unverzögert arbeitenden Richtungsrelais 45, welches so gebaut ist, dass es seine Kontakte in äusserst kurzer Zeit betätigt. Ferner enthält der Auslösestromkreis die Spule 46 eines Schützes 47, welches durch den Stromkreis, der über die Kontakte 13 und 14 und 44 geleitet ist, gesteuert wird. Ausserdem ist noch ein Meldegerät 49 vorgesehen.
Das Schütz 47 besitzt ferner einen Kontakt, der über die Verbindungsleitung 50 mit der Klemme 10 eines Relais verbunden ist. so dass mit dem Schütz gleichzeitig weitere Steuer-oder Meldeeinrichtungen verbunden werden können.
Die Stromspulen 19 der beiden Widerstandsrelais 40 und 41 sind zusammen an die Klemmen 1 und 2 angeschlossen. Die Hauptspannungsspule der Widerstandsrelais sind je in zwei Teile aufgespalten, welche gegeneinander in der Phase abweichende Ströme führen. Es sind dies die Teile 16a und 16b, welche parallel zueinander geschaltet sind, wobei mit den Teilen 16a ein ohmscher Widerstand 52 und mit den
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tivität 54. Die Spannungsspulen der Widerstandsrelais sind mit den Anschlussklemmen 5 und 8 verbunden.
Die Widerstandsrelais sind im übrigen, wie an sich bekannt, dargestellt. Diese Relaiskonstruktion ist nahezu sehr einfach, da sie nur aus einem drehbar gelagerten Waagebalken 11 a besteht, dessen beide freien Enden mit ihren Zugkräften verschiedener Magnete angreifen. Die beiden Magnete, welche die Spulen 16a und 16b tragen, sind im Gegensatz zur Zeichnung nicht in der Längsrichtung des Waagebalkens hintereinander, sondern nebeneinander in gleicher Entfernung vom Drehpunkt des Waagebalkens angeordnet. Es sind diese beiden parallel geschalteten Spannungsspulen vorgesehen, um das Vibrieren des Ankers zu unterdrücken und um zu verhüten, dass der Relaisanker ausschlägt, wenn die periodisch sich ändernde Kraft des Spannungssystems durch den Wert Null hindurchgeht.
Diese Vorsieht ist notwendig, weil das Relaissystem so beschaffen ist, dass es äusserst schnell arbeitet.
In der mathematischen Erörterung der Grundlage eines neuen Relais ist die Spule 16 als eine einzige Spule angenommen.
Die Entwicklung dieser Spule in zwei parallele Spulen ändert an der Richtigkeit der Überlegungen nichts, weil es bei dem Relais nur auf den Effektivwert der wirksamen Kraft ankommt, welche allein von der Höhe abhängig ist.
Das Energierichtungsrelais 45 besitzt eine Stromspule 55, welche an die Klemmen 2 und 4 angeschlossen ist, und eine Spannungsspule 56, welche mit den Klemmen. 3 und 5 verbunden ist. In Reihe mit der Stromspule 55 ist die Primärwicklung eines Stromwandler 57 geschaltet, dessen Sekundärwicklung
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mit der Erregerwicklung eines Synchronmotois verbunden ist. der so eingestellt ist. dass er seine Kon- takte 59 beispielsweise nach 15 Perioden der Netzfrequenz schliesst. Diese Zeit ist so gewählt, dass inzwischen das auf kleinere Fehlerentfernung eingestellte Widerstandskipprelais 40 die Abschaltung der kranken
Leitung bewirkt haben kann, sofern der Fehler im Schutzbereich dieses Relais liegt. Die Kontakte 59 des Synchronzeitrelais 59 überbrücken die Kontakte 13, 14 und 44 und dadurch zugleich auch die Kon- takte 7 und 9.
Die Erregerwicklung des Synchronzeitrelais ist normalerweise kurzgeschlossen durch einen Kon- takt 61 des zweiten Widerstandskipprelais und durch normalerweise ebenfalls kurzgeschlossene Kontakte 62 des Energierichtungsrelais 45. Das Synchronzeitrelais läuft infolgedessen nur dann an, wenn das auf die ) grössere Fehlerentfernung eingestellte Widerstandskipprelais anspricht, und auch dann nur, wenn dabei eine bestimmte Stromrichtung entsteht.
Der Strom zur Erregung der Stromspulen innerhalb des Relais wird dem Relais über die Anschluss- klemmen 1 und 4 zugeführt. Die Stromspulen 19 jedes Widerstandskipprelais liegen in Reihe mit der
Stromspule des Energierichtungsrelais und mit dem Antriebskreis des Synchronzeitrelais.
In dem Ausführungsbeispiel Fig. 6 ist ferner ein Widerstand 64 parallel zu den Stromspulen 19 gelegt, dessen Zweck es ist. eine störende Wirkung der Gleichstromkomponente, die bei Schaltvorgängen und auch bei plötzlich entstehenden Fehlern im Leitungsstrom auftritt und im allgemeinen innerhalb einer Periode der Netzfrequenz verschwindet, zu unterdrücken. Dieser Nebenschlusswiderstand enthält einen ohmschen Widerstand 65, welcher in Reihe mit der Stromspule 19 ist, und eine Impedanz 66, welche ) parallel zu den Stromspulen 19 einschliesslich des Vorwiderstandes 65 liegt und den gleichen Phasenwinkel besitzt wie die zu schützende Leitung. Der Nebenschluss hat die Wirkung, dass der Strom in der Strom- spule 19 um etwa 30 in der Phase voreilt.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung mit sechs Relais gemäss der Erfindung. Mit Hilfe dieser Relaisanordnung wird ein vollständiger Schutz bei Erdschluss und Kurzschluss erreicht. Die in Fig. 6 im einzelnen erkennbare
Relaisanordnung ist in Fig. 7 jeweils durch ein Viereck angedeutet, welches Anschlussklemmen 1-10 aufweist. Die äusseren Relaisverbindungen sind vollständig dargestellt.
Die drei Erdschlussrelais werden von Phasenströme und von Phasenspannungen erregt. Die drei Kurzschlussrelais werden von verketteten Strömen und verketteten Spannungen gespeist.
Im einzelnen zeigt Fig. 7 eine dreiphasige Energieübertragungsleitung 70, welche durch die Relais- ) anordnung geschützt werden soll. Es ist ein Leitungsschalter 11 vorgesehen, der bei Erregung einer Aus- lösespule 72 geöffnet wird. Zur Erregung dieser Spule 72 ist eine Batterie 7. 3 vorgesehen. Die Strompfade der Relais werden durch drei in Stern geschaltete Stromwandler 74 gespeist. Die von diesen Stromwandlern ausgehenden Leitungen sind bei den Erdschlussrelais zu den Anschlussklemmen geführt. Die Verbindungs- klemme 1 dieser Erdschlussrelais ist mit den Anschlussklemmen 4 der drei Kurzschlussrelais verbunden.
An die Anschlussklemmen 7 der Erdschlussrelais ist ferner je eine Kunstschaltung zur Aussiebung der
Erdschlussstromkomponente vorgesehen, wodurch die mitläufigen und gegenläufigen symmetrischen
Komponenten des Leitungsstromes von den Erdschlussrelaisanordnungen ferngehalten werden. Die verwendete Kunstschaltung besitzt einen Sternpunkt 75. welcher mit dem Sternpunkt der Stromwandler-
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) des in der Phase nacheilenden Erdschlussrelais verbunden. Dadurch entspricht der Strom in den Leitung- schutzrelais der geometrischen Differenz je zweier Phasenströme, d. h. also dem verketteten Strom.
Die Relaisspannungen werden den in Stern geschalteten Spannungswandlern 80 entnommen. Im übrigen geht die Schaltungsweise aus Fig. 7 ohne weiteres hervor.
Die Feineinstellung der Schutzrelais wird mittels Anzapfungen an den Stromwandlern 70 erreicht.
Für die Grobeinstellung sind ausserhalb der Relais veränderliche Induktivitäten vorgesehen, die mit den
Spannungsspulen in den einzelnen Relais in Reihe liegen.
Die in Fig. 6 dargestellte Relaisanordnung verwendet in beiden Widerstandselementen Relais, deren Charakteristik durch die Kurve 33 in Fig. 4 wiedergegeben ist. Zu diesen Relais ist ferner ein Neben- schluss vorgesehen, dessen Aufgabe es ist, der Gleichstromkomponente im Leitungsstrom, welche bei ) Schaltvorgängen auftreten kann, den Einfluss auf die Relaisanordnung zu nehmen und welche ausserdem eine Voreilung des Stromes in den Stromspulen um etwa 30 zur Folge hat.
Die Folge davon ist natürlich, dass der Strom in den Hilfsspannungsspulen 20 gewissermassen um 110 -30 = 80 hinter der Spannung zurückbleibt. Wie eingangs erörtert wurde, ist es an sich überhaupt nicht notwendig, dass das Widerstands- relais die Eigenschaft hat, dass es nicht die reine Leitungsimpedanz oder die reine Leitungsreaktanz über- ) wach. Beim ersten Widerstandselement und wenn ein drittes Widerstandselement vorgesehen ist, wie dies häufig geschieht, ist ein Relais, welches die eine vom Scheinwiderstand abweichende Widerstands- grösse überwacht, überhaupt nicht notwendig.
Infolgedessen ist es häufig auch nicht erforderlich, zu der
Verfeinerung zu greifen und zum Nebenschluss für die vorübergehend auftretende Gleichstromkomponente zu greifen, und es ist sogar vorteilhaft, diesen Anschluss zu vermeiden, wenn es möglich ist, auch aus dem 0 Grunde, weil dadurch die Belastung der Stromwandler verkleinert werden kann.
Eine derartige Anordnung zeigt beispielsweise Fig. 9. Die Einrichtung, die in dieser Figur dar- gestellt ist. ist also in manchen Fällen besonders zweckmässig, weil es sich um den Schutz kurzer Leitung-
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strecken handelt. Bei der Anordnung in Fig. 9 ist nur beim zweiten Widerstandselement eine Anordnung verwendet, welche eine passend gewählte Komponente des Scheinwiderstandes überwacht, u. zw. ist eine Phasenverschiebung von 1100 Nacheilung hinter der Spannung (El) oder eine Phasenvoreilung von 70 vor der Spannung (E) angewendet, welche in der Weise gewonnen wird, dass eine Kapazität 30 mit der Hilfsspannungsspule 20 in Reihe liegt. Diese Schaltung ist in Fig. 8 schematisch wiedergegeben.
Die Relaisanordnung in Fig. 9 unterscheidet sich von der Anordnung in Fig. 6 ferner dadurch, dass noch ein drittes Widerstandselement vorgesehen ist und dass das erste und das dritte Widerstandselement beide reine Reaktanzrelais sind, d. h. Relais, deren Charakeristik in Fig. 4 durch die Linie 32 wiedergegeben ist. Das zweite Widerstandselement dagegen überwacht eine Widerstandskomponente des Scheinwiderstandes, besitzt also beispielsweise eine Charakteristik gemäss der Kurve 33 in Fig. 4. Auch die Art und Weise der Erregung der beiden Spulen 16 a und 16 b der Hauptspannungsspulen weicht von der Anordnung in Fig. 6 ab. Der Unterschied besteht darin, dass eine Kapazität 90 mit dem Spulenteil 16 b in Reihe geschaltet ist.
Die Hauptspannungsspulen des zweiten und dritten Widerstandselementes sind in Reihe geschaltet, was möglich ist. da diese Relais bestimmt sind, bei grösseren Fehlerentfernungen in Tätigkeit zu treten, d. h. also in solchen Fällen, in denen die Spannung am Relaisort nicht ganz zusammenbricht.
Das eine Element 92 besitzt ein paar Kontakte 93, welche zuerst geschlossen werden, und ein paar Kontakte 94, welche zuletzt geschlossen werden. Im übrigen ist die Wirkungsweise der Relaisanordnungen in Fig. 9 aus der Figur heraus ohne weiteres verständlich. Wenn ein Fehler in solcher Entfernung vom Relaisort (beispielsweise weniger als 80 % der Länge des Leitungsabschnittes) entsteht, sprechen alle drei Widerstandselemente gleichzeitig an, weil dann ferner die Kontakte 44 des Energierichtungsrelais geschlossen sind, und ebenfalls wie die Kontakte 13, 14 des ersten Widerstandselementes wird der Leitungsschalter geöffnet, noch bevor das Zeitrelais 92 einen Teil seines Weges zurückgelegt hat.
Wenn ein Fehler in der grösseren Entfernungszone auftritt, kann das erste Widerstandsrelais nicht ansprechen, da seine Spannungsspulen im Verhältnis zur Stromspule zu stark erregt sind. Das zweite und dritte Widerstandsrelais dagegen sprechen sofort an. Das dritte Relais öffnet ein Kontaktpaar 95, welches normalerweise geschlossen ist, und schliesst gleichzeitig ein Kontaktpaar 96, das normalerweise offen ist.
Die Öffnung der Kontakte 95 beseitigt einen Kurzschluss der Klemmen des Zeitrelais 92, so dass dieses Relais anlaufen kann. Sobald das Zeitrelais das erste Kontaktpaar 93 schliesst, kommt ein Stromkreis für die Auslösespule des Leitungsschalters zustande, welcher über die geschlossenen Kontakte 9'1 des zweiten Zeitrelais geführt ist sowie über den Kontakt 44 des Richtungsrelais.
Wenn ein Fehler in noch grösserer Entfernung entsteht, nämlich im Schutzbereich allein des dritten Wideistandsrelais, und wenn dieser Fehler nicht durch Öffnung eines andern Leitungsschalters beseitigt ist, wird nur das dritte Widerstandsrelais in Tätigkeit treten. Wenn das Zeitrelais 92 das erste Kontaktpaar 93 erreicht, wird der Leitungsschalter noch nicht ausgelöst, da der Kontakt 97 des zweiten Impedanzrelais offen ist. Das Zeitrelais setzt seinen Weg fort und wird schliesslich das Kontaktpaar 94 schliessen.
Dadurch wird dann über den geschlossenen Kontakt 96 des dritten Impedanzrelais und den geschlossenen Kontakt 44 des Energierichtungsrelais der Stromkreis für die Auslösespule vollendet. Nach Abschaltung des Fehlers kommen alle Relais sofort in ihre normale Lage zurück.
Die äussere Schaltung der in Fig. 9 verwendeten Widerstandsrelais kann so oder ähnlich beschaffen sein, wie Fig. 7 zeigt, wobei dann lediglich der Nebenschlusswiderstand 64 zur Unschädlicl1machung der Gleichstromkomponente wegfallen kann. Um den verketteten Strom zu gewinnen, welcher für die Erregung der Kurzschlussrelais notwendig ist, und gleichzeitig auch mit den Phasenströme arbeiten zu können, die für die Stromspule der Richtungsrelais und des Zeitrelais benötigt werden, kann man die in Fig. 10 schematisch angegebene Schaltung verwenden.
In Fig. 10 wird der Strom der in Stern geschalteten Stromwandler 100 unmittelbar über die Stromspule des entsprechenden Energierichtungsrelais bzw. Zeitrelais 101 der drei Kurzschlussrelais geleitet und von dort zurück zum Sternpunkt der Stromwandler-Sternschaltung. Der verkettete Strom wird in der Weise gewonnen, dass drei für die Einstellung der Relais vorgesehene Hilfswandler 102 plimärseitig von je einem Strom der drei Stromwandler 100 erregt werden, deren Sekundärwicklungen in Dreieck geschaltet sind. Die Stromspulen der drei Widerstandsrelais 105 werden dann an diese Dreieckschaltung angeschlossen. Die Stromspulen der Widerstandsrelais selbst sind dabei in Stern geschaltet.
Als Anwendungsgebiet für das neue Relais kommen hauptsächlich kürzere Leitungsstrecken in Frage, weil bei diesen der Lichtbogenwiderstand im Verhältnis zum Leitungswiderstand recht erheblich wird. Eine obere Grenze für die Leitungslängen, bei denen das Impedanzrelais gemäss der Erfindung angewendet werden kann, ist dadurch gegeben, dass bei diesem neuen Relais die Möglichkeit besteht, dass das Relais durch Belastungsströme zum Ansprechen gebracht wird. Je länger nun die Leitung ist, um so eher ist mit dieser Möglichkeit zu rechnen. Für die in Fig. 4 wiedergegebene Relaiseinstellung, zu welcher die Charakteristik 33 gehört, liegt diese Grenze ungefähr dort, wo der Leitungswiderstand auf der Sekundärseite der Wandler zwei Ohm und mehr beträgt.
Bei andern Charakteristiken, welche zwischen der des reinen Impedanzrelais und der des reinen Reaktanzrelais liegen, ergeben sich andere Werte für die grösste Leitungslänge, bei denen man das Relais nach der Erfindung ohne besondere Vorsichtsmass- nahmen anwenden kann.
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Die Erfindung erweist sieh vor allem deshalb als wertvoll, weil man bei ihrer Anwendung eine äusserst grosse Anpassungsfähigkeit der Widerstandscharakteristik des Relais erhält. Sie kann angewendet werden bei irgendeinem oder bei allen drei Widerstandsrelais, und sie ergibt die Möglichkeit, in der gewünschten Weise irgendeine zweckmässig erkannte Relaischarakteristik zu erzielen.
PATENT-ANSPRÜCHE : l. Leitungssehutzanordnung mit einem oder mehreren auf eine bestimmte Fehlerentfernung eingestellten Widerstandskipprelais, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Widerstandskipprelais die Leitungsimpedanz unter Bevorzugung der Blindkomponente des Leitungswiderstandes überwachen.
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Instantaneous resistance protection relay.
The invention relates to a new form of an impedance or reactance relay, which offers advantages in some fault cases in single-phase or multi-phase lines; in particular, the invention deals with those embodiments which are intended to be used for so-called maximum protection for three-phase line systems with a grounded star point. The new relay can be used both to protect single lines and to protect parallel lines.
In the past, Ferraris relays were generally used to shut down a diseased line section, be it a short circuit or an earth fault. However, these relays work slowly with a time delay that depends on the distance to the fault, so that there is a time difference depending on whether the fault occurred close by or at a great distance. These Ferraris relays are not significantly influenced by a resistance at the fault location itself, even if such a resistance is noticeable through a certain increase in the relay running time.
With the introduction of high-speed protection, one was forced to use resistance relays in which it depends on the size of the measured resistance whether the relay responds or not, in which the length of the running time no longer depends on the resistance. With these relays it can happen that in a line protected by an instantaneous impedance relay, the resistance in the event of a fault is so great that the relay does not respond. This case often occurs with earth faults, in which cases the resistance of the fault circuit can assume such a value that the apparent resistance becomes considerably greater.
To overcome this difficulty, it would be desirable to have a relay which responds when a fault occurs and the reactance measured by the relay is below a certain limit. Such a reactance relay would depend on the random size of the resistance in the fault location, but would generally have the disadvantage that it responds under normal operating conditions if there is no fault, even if the power factor is almost unity. In such cases, even with a healthy line, the line reactance is zero, i.e. less than it can be in any case of error, if the error occurs close to the relay location.
The relay according to the invention should therefore have the property that it responds to no proper load, but that it remains as unaffected as possible by the ohmic resistance of the error circuit in the event of a fault. For this purpose, according to the invention, a combination of a reactance relay and impedance relay is proposed, or a relay which has a dual purpose. Characteristic.
In particular, according to the invention, an instantaneous impedance relay is suitably equipped with one or more additional voltage coils on the current element of the relay, as a result of which the desirable relay property is achieved.
If the term impedance relay or reactance relay is used in the following, this should not exclude the possibility that the relay monitors the conductance of the protected system part instead of the resistance, whereby the relay contacts are then arranged in such a way that they are normally closed.
Such a relay which monitors the conductance (susceptance) and has suitable characteristics is capable
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The relay according to the invention can be designed as a balance beam relay with one of one
Retraction force caused by the tension coil, which is triggered by two tension coils through which phase-shifted excitation currents flow to achieve a uniform force effect, so that the tensile force of the tension coil does not disappear with each passage of the voltage through zero.
In the relay according to the invention there are coils through which current flows, u. between those from
Line current and others through which the difference between two line currents flows. At the same time, an arrangement can be provided with the aid of which the relative strength of the forces exerted by the currents can be changed, whereby one has the simple means of setting the relay to a certain error distance.
The main field of application of the relay according to the invention are short lines, for example those of about 3 km, because with such short lines the arc resistance in relation to
Line reactance has a considerable size, so that instantaneous impedance relays are not permitted. In the case of long cables, the arc resistance does not play such a significant role, so that any
Shifting the end point of the protection area of the relay does not force you to be guarded by the
To go off impedance.
The relay according to the invention can advantageously also be used to protect long line sections and then for example result in the first time stage. Experiments in the laboratory and in
The outdoors have shown that the resistance of an arc is very small in the beginning and also remains small within a certain number of periods. If the arc is not interrupted immediately, it can flutter and the resistance of the arc increases after a certain time
Multiple of the initial value. However, this results in a certain time, roughly on the order of half a second.
From these considerations it follows that in the first time zone, for example within 80% of the line section to be protected, if the line switches are triggered immediately after the occurrence of the case, i.e. within one period or less of the operating voltage
Incorrect measurement of the fault distance is hardly increased by the arc resistance, so that as a result the impedance relay operating without delay is able to work properly. In the next following time zone of the protection arrangement, in which the disconnection of the line is delayed by a certain amount of time, the arc resistance can already assume such values that an impedance relay is no longer able to work properly, and then the use of the relay according to the invention is necessary .
In the third time zone, the distances are already greater, so that the
Relay setting is already sufficient for selective shutdown, so that impedance relays can be used.
Embodiments of the invention are shown schematically in the figures.
The relay shown schematically in FIG. 1 has a double-armed lever 11 which is rotatably mounted at 12. At its right end it carries a movable contact member 13, which
Contact with a mating contact 14 closes the circuit 15 for triggering the switch. At the left end of the double-armed lever pulls the force of a coil 16, which has a plunger 17 and normally pulls the left end of the lever 11 against a stop 18, so that the contacts 13,
14 are then open. At the right end of the lever arm 11 two coils 19 and 20 are provided which act on a common plunger 21 and the contacts 13 and 14 strive to close. The coil 19 is excited by the line current J.
The coils 16 and 20 are connected to the mains voltage.
In the exemplary embodiment, these coils are connected in series, so of course they can also be connected in parallel.
The main voltage coil 16 acts in the sense of opening the contacts 13 and 14, that is, in the opposite direction to the current coil 19. In the following, the coil 16 is therefore referred to as a counterforce voltage coil. The other voltage coil 20 acts at the same lever end as the current coil 19 and is therefore referred to in the following as the auxiliary voltage coil.
The two voltage coils mouth 20 are in the secondary circuit of a voltage converter, not shown. You can receive this voltage directly or be connected to the alternating current resistor in order to obtain a different phase position for the excitation currents of the coils 16 and 20. The
Current coil 19 is fed by a current transformer, also not shown; parallel to it is a shunt which keeps the direct current component that can occur during switching operations away from the current coil 19.
In order to make the effectiveness of the relay understandable, the basic equations that describe the behavior of the relay are discussed below. First, the simplest case is considered in which the shunt to the current coil for keeping out the direct current component is not available and in which the mutual inductive influence of the coils 19 and 20 is considered to be negligible because the voltages generated by the mutual inductance and ) The resulting currents compared to the total voltage and the total excitation current of the
Relays are small. All of these initially neglected effects can be taken into account for the individual application of the invention.
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In FIG. 2 it is assumed that the current J lags behind the line voltage E by 0 angular degrees and that the current Je in the auxiliary voltage coil 20 lags behind the negative terminal voltage (-E) by a angular degrees. Furthermore, the number of turns of the current coil 19 is set equal to one and, accordingly, the number of turns of the coils 20 and 16 in relation to the number of turns of the current coil is set equal to '+' m.
The force Pu acting in the sense of a contact closure, which occurs at the right end of the lever, is proportional to the square of the magnetization of the magnetic core 21, i.e. H. thus proportional to the square of the field strength He, which forms one side of a triangle, the other two sides of which are formed by J + n Je in the vector diagram of FIG. The angle between these two sides of the triangle J + n Je is? - <"). The value of the resulting magnetic field strength He can be determined from the two triangle sizes J + n Je according to the cosine law. The tensile force at the right end of the lever is H proportional.
The equation applies to this force:
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The opposing force, which keeps the contacts 13 and 14 apart (Pu) and which acts on the left end of the lever, is proportional to the square of the ampere turns of the coil 16. The field strength Ho occurring here is equal to mJ. If the magnet systems at the right and left ends of the lever 11, apart from the number of turns and the excitation currents, are the same, then the force acting on the left end can be described by the following equation to compare the forces acting on the lever ends.
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Since the forces acting on both sides of the lever 11 are mechanically balanced against each other, there is no vector relationship between these two forces and the behavior of the relay. As a result, the two forces can be set equal, and it can also be set for cos (a-0): cos a cos # + sin a sin # and it can be taken into account that Je and J are proportional
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is equal to the line reactance X. This then results in:
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The equation represents a circle in which the ohmic resistance R and the line reactance X represent the coordinates.
The equation can be converted to form 4.
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The center of the circle is then included
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and is the radius of the circle
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The circle given by equations 3-7 represents the width of the line resistance R and the line reactance X at which the two torques are in equilibrium in the relay. For all value pairs of R and X, which belong to a point within the circle, the torque which closes the contacts 13, 14 predominates. The relay remains idle for all value pairs that belong to points outside the circle.
If the auxiliary voltage coil 20 is omitted, the relay represents an impedance breaker relay, as it is already known and which responds when the line impedance falls below a very specific value.
A special embodiment of the invention consists in that the voltage coil 16 and 20 have the same number of turns and that the phase angle α is 180 or 0. depending on whether the voltage in the auxiliary voltage coil 20 is in phase agreement or in phase opposition to the mains voltage. The relay then becomes a toggle relay which monitors the ohmic component of the line resistance, but is completely independent of the line reactance.
With the same number of turns of the coils 16 and 20, however, the angle a can also be made exactly equal to 900.
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Such an arrangement is indicated in FIG. 3, for example.
A capacitance 24 is located parallel to the coil 20. The two voltage coils 16 and 20 are balanced by an individual device (not shown) so that they always produce the same ampere-turns. In the embodiment shown in FIG. 3, in which the coil 20 is bridged by a negative reactance, whereby its current is increased, more turns are required in the coil 16 than in the coil 20 so that the magnetic forces are equally strong.
The relay described above is a reactance toggle relay, which can also fail in normal network conditions if the power factor is very high. An impedance relay instead of the reactance toggle relay requires, if a change of current lighting is possible, an addition of an energy direction relay to interlock the switch triggering.
In a relay according to the invention, which is shown in FIGS. 1 and 2, the ratio of the number of turns of the coils 20 and 16 or the phase angle a can be selected differently than was assumed in the relay designs described up to now. It is advisable to use a relay arrangement that responds neither solely to the line reactance nor solely to the line impedance, so that, for example, the relay is primarily influenced by the line reactance or is also less dependent on the ohmic resistance of the line than the pure impedance relays. With such a relay, however, it is advantageous that no special starting relay is required, as is also the case with pure impedance relays.
To a certain extent, the relay represents the union of a relay that leaves fault removal free with a start relay. In a sense, it is its own start relay. In the case of three-phase lines, the idea of the invention can easily be implemented because between the greatest line impedance that occurs in the event of a fault and the smallest
There is a considerable difference in operating impedance, apart from particularly long lines, where, on the other hand, the use of impedance relays does not cause any difficulties.
In order to discuss the operating conditions of the relay in more detail, it is advisable to examine the locus curves according to equations 3-7 for certain conditions.
The largest value of the line reactance X at which the relay just comes into response is obtained from the diagram in FIG. 4 when the radius points parallel to the X axis in the positive direction. It is then :
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If this greatest distance of the line reactance is selected as the unit for the coordinate system, the coordinates for the center of the circle are:
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The radius will
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It goes without saying that the radius of the circle can assume all values between 0 and oo, that the center of the ice can also be at any point in the coordinate system, depending on how the constants n, r and a are chosen.
Four characteristic circles are shown in FIG. 4, in which the highest value of the line reactance (100%) is selected as the unit for the scale of both X and R. This representation simplifies the overview of the behavior of the relay. But you have to keep in mind that all values are plotted as a percentage, but that the actual size of X '. y from
Case by case is a different one.
In diagram 4 reactive resistances are plotted on the ordinate and active resistances on the abscissa, u. to make the overview easier, the same scale has been used in both cases and the numbers 25, 50, etc. represent hundredths of an imaginary upper limit value, which is by - away from point 0.
100
The curve 31 does not ultimately intersect the abscissa on which the ohmic resistances are plotted, i.e. H. for a relay whose behavior is shown by curve 31, the ohmic line resistance is completely irrelevant. Rather, the relay has the property of always responding when the line reactance is less than the assumed value of 100%. The curve 31 therefore shows the behavior of a minimum reactance relay, which is set so that the relay in
Peace remains as long as the reactance is greater. than corresponds to the drawn value 100%, and which closes its contact with all lower values of the line reactance.
In contrast, the
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Characteristic of a relay which is only influenced by the ohmic resistance of the line, parallel to the ordinate, and the like. between run at a distance that corresponds to the top resistance value of the line at which the relay just responds. The curve 81 in FIG. 4 corresponds to a circle with an infinitely large radius. This circle intersects the ordinate at a distance X = 100% from the abscissa.
The center of this circle lies at the ordinates Ro = 0 and X "== - oo. For the pure reactance relay it applies with respect to FIGS. 1 and 3 that r = 1 and a = 900.
The pure impedance characteristic is represented by curve 32. This represents a circle with a radius of size X. The center of this circle has the coordinates R ″ = 0 and X = 0. With regard to the relay designs in FIGS. 1 and 3, the constants are n = 0, r = oo.) '? = M. The circles in Fig. 4 lying between circles 31 and 32 apply to those conditions in which the relay is neither a pure reactance relay nor a pure impedance relay.
It is desirable that the relay has such properties that it can be used without a starting relay, and the circular locus in Fig. 4 of a relay must be such that the diagram points corresponding to all normal operating cases lie outside the circle. It is also desirable that for a given limit value for the line reactance, the highest possible ohmic line resistance is permissible. The curve, for example, provides an advantageous relay characteristic. 38 in Fig. 4, which a
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divided by equation 9, the value for a is then 110.
So you have to provide funds. so that the current in the auxiliary voltage coil 20 before the current of the coil 19 is purely ohmic
Load on the network is ahead by 700. From this it then follows, taking into account equation H, that I'1.410. The greatest value of the line reactance at which the relay still responds then results from equation 8. Using a ratio) '== 1.41 thus results in an expedient mode of operation of the relay.
The phase shift of 1100 can. as shown in FIG. 3, for example. can be obtained by an artificial circuit in which a main voltage coil and an auxiliary voltage coil are used and the main voltage coil has a higher ratio between ohmic and inductive resistance than the auxiliary voltage coil. Instead of this, the circuit shown in FIG. 5 can also be used with two auxiliary voltage coils 20a and 20b instead of just one coil SO. when one of these sub-coils is connected in the opposite direction than the other and is in series with a capacitor 28.
Instead, you can also use a shunt to the coil 19, which is also the
Keeps DC components away from the relay coil during switching operations and a
Phase lead of 30 results in a normal voltage coil in a circuit that has an impedance with a lag angle of 800 compared to the negative mains voltage
Brings application, as will be explained in more detail later with reference to FIGS. 6 and 7. Another possibility for achieving the required phase shift is that the
Coils 16 and 20 are not connected in series but in parallel and that a capacitance is in series with the coil 20, as a result of which the current in this coil is 70 ahead of the positive mains voltage.
Devices of this type are used in Figs.
With regard to the modified reactance curves 33 of FIG. 4, it should also be pointed out that insofar as they run through the third and fourth quadrants, the behavior of the relay in the event of an overcurrent returns. The triggering of the switch can be locked here by an energy direction relay. Although the
Locus also intersects the second quadrant, on the other hand the value pairs of reactance and ohmic resistance lying in these quadrants are only theoretically conceivable, but not practically possible. In any case, these complex line resistances do not occur in any case of error, so that no relay actuation can occur in this area.
With the chosen arrangement, the impedance, which is added to the line resistance, can assume a considerable value before it can have an effect. that the tripping of a line switch does not take place in the event of a fault. For example, if the frequency value of the relay protection area is set to 90% of the reactance of the line to be protected, a
The faulty switch tripping does not occur until the impedance has reached 147% of the set response value of the reactance. If, however, the protection zone of the relay is set to the reactance of only half the line section, the impedance can assume almost 240% of the reactance of the entire line section.
For this reason, a relay can be provided which is essentially independent of the arc resistance if this is a certain one
Size exceeds.
The diagram for the effectiveness of the relay arrangement of the proposed combined impedance and reactance relay can be designed differently in many ways. For example, the impedance relay characteristic according to curve 32 in Fig. 4 would be significantly improved if, provided that the circle diameter remains constant, the center point of the circle is shifted to the right parallel to the resistance axis in Fig. 4, for example up to the point Ro = 25% Xw /. c. This circle is in FIG. 4
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executed and labeled 34. Since the line can be practically free of ohmic resistance, no fault can arise in which the impedance to be measured by the relay does not contain a purely ohmic resistance part.
This can be taken into account by increasing the response value of the impedance by approximately the size of the ohmic resistance that is contained in the resistance of the short-circuit loop in the event of a short circuit. This ensures that the limit value of the ohmic resistance, which is sufficient to prevent the relay from responding in the event of a fault, is increased by a corresponding amount.
Mathematically, the following documents result for curve 34 in FIG. 4: == 25. X and Xo = 0 are the center point coordinates. These values are to be inserted in the earlier mentioned equations 9 and 10. It then results that Xlsslat is not an absolute value, but
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will.
Fig. 6 gives an overview of the entire circuit of a relay. This circuit is chosen as an example to explain the invention. In this arrangement, a first resistance element 40 and a second resistance element 41 can be seen, which are both relays that operate without a delay. The first relay is intended for a protection area of up to 80% of the line to be protected. The protection zone of the second relay extends up to a distance of 150% of the length of the route to be protected or, if the line sections are of the same length, into the middle of the next route.
The relay is provided with ten connection terminals 1-10 for the production of the external relay circuit. The battery for actuating the release coil of the cable holder is via the terminals? and 9 connected. Inside the relay, connecting lines lead from contacts 7 and 9 to the normally open contacts 13 and 14 of the first resistance relay 40. In series therewith are the normally open contacts 44 of an instantaneously operating directional relay 45, which is built so that it has its contacts in the extreme operated for a short time. Furthermore, the tripping circuit contains the coil 46 of a contactor 47, which is controlled by the circuit which is conducted via the contacts 13 and 14 and 44. A signaling device 49 is also provided.
The contactor 47 also has a contact which is connected via the connecting line 50 to the terminal 10 of a relay. so that further control or signaling devices can be connected to the contactor at the same time.
The current coils 19 of the two resistance relays 40 and 41 are connected together to terminals 1 and 2. The main voltage coils of the resistance relays are each split into two parts, which carry currents which differ in phase from one another. These are the parts 16a and 16b, which are connected in parallel to each other, with the parts 16a an ohmic resistor 52 and with the
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activity 54. The voltage coils of the resistance relays are connected to terminals 5 and 8.
The resistance relays are also shown, as is known per se. This relay construction is almost very simple, since it consists only of a rotatably mounted balance beam 11 a, the two free ends of which attack different magnets with their tensile forces. In contrast to the drawing, the two magnets that carry the coils 16a and 16b are not arranged one behind the other in the longitudinal direction of the balance beam, but rather next to one another at the same distance from the pivot point of the balance beam. These two voltage coils connected in parallel are provided in order to suppress the vibration of the armature and to prevent the relay armature from deflecting when the periodically changing force of the voltage system passes through the value zero.
This provision is necessary because the relay system is designed so that it works extremely quickly.
In the mathematical discussion of the basis of a new relay, coil 16 is assumed to be a single coil.
The development of this coil into two parallel coils does not change the correctness of the considerations, because with the relay only the effective value of the effective force is important, which depends solely on the height.
The energy direction relay 45 has a current coil 55, which is connected to terminals 2 and 4, and a voltage coil 56 which is connected to the terminals. 3 and 5 connected. In series with the current coil 55, the primary winding of a current transformer 57 is connected, its secondary winding
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is connected to the excitation winding of a synchronous motor. which is so set. that it closes its contacts 59 after 15 periods of the network frequency, for example. This time is selected so that the resistance toggle relay 40, which is set to a smaller error distance, switches off the sick
Line can have caused, provided the fault is in the protection area of this relay. The contacts 59 of the synchronous time relay 59 bridge the contacts 13, 14 and 44 and thereby also the contacts 7 and 9 at the same time.
The excitation winding of the synchronous time relay is normally short-circuited by a contact 61 of the second resistance flip-flop relay and normally also short-circuited contacts 62 of the energy direction relay 45. As a result, the synchronous time relay only starts when the resistance flip-flop relay, which is set to the greater error distance, responds, and then only if a certain current direction arises.
The current to excite the current coils within the relay is fed to the relay via terminals 1 and 4. The current coils 19 of each resistance latching relay are in series with the
Current coil of the energy direction relay and with the drive circuit of the synchronous time relay.
In the embodiment of FIG. 6, a resistor 64 is also placed in parallel with the current coils 19, the purpose of which is. to suppress a disruptive effect of the direct current component, which occurs during switching operations and also when faults occur suddenly in the line current and which generally disappears within one period of the mains frequency. This shunt resistor contains an ohmic resistor 65, which is in series with the current coil 19, and an impedance 66, which is parallel to the current coils 19 including the series resistor 65 and has the same phase angle as the line to be protected. The effect of the shunt is that the current in the current coil 19 leads by about 30 in phase.
Fig. 7 shows an arrangement with six relays according to the invention. With the help of this relay arrangement, complete protection against earth faults and short circuits is achieved. The in Fig. 6 can be seen in detail
Relay arrangement is indicated in Fig. 7 by a square, which has terminals 1-10. The outer relay connections are shown in full.
The three earth fault relays are excited by phase currents and phase voltages. The three short-circuit relays are fed by linked currents and linked voltages.
In detail, FIG. 7 shows a three-phase power transmission line 70 which is to be protected by the relay) arrangement. A line switch 11 is provided which is opened when a trip coil 72 is excited. A battery 7. 3 is provided to excite this coil 72. The current paths of the relays are fed by three current transformers 74 connected in star. The lines from these current transformers are routed to the connection terminals of the earth fault relays. The connection terminal 1 of this earth-fault relay is connected to the connection terminals 4 of the three short-circuit relays.
On the connection terminals 7 of the earth fault relay there is also an artificial circuit for filtering out the
Earth fault current component provided, whereby the rotating and opposing symmetrical
Components of the line current are kept away from the earth fault relay arrangements. The artificial circuit used has a star point 75. which is connected to the star point of the current transformer
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) of the ground fault relay that is lagging in the phase. As a result, the current in the line protection relay corresponds to the geometric difference between two phase currents, i.e. H. so the chained stream.
The relay voltages are taken from the voltage converters 80 connected in star. Otherwise, the circuit is readily apparent from FIG. 7.
The fine adjustment of the protective relays is achieved by means of taps on the current transformers 70.
For the coarse setting, variable inductances are provided outside the relay, which are linked to the
Voltage coils in the individual relays are in series.
The relay arrangement shown in FIG. 6 uses relays in both resistance elements, the characteristics of which are shown by curve 33 in FIG. A shunt is also provided for these relays, the task of which is to influence the relay arrangement from the direct current component in the line current, which can occur during switching operations, and which also leads the current in the current coils to lead by about 30% Has.
The consequence of this is, of course, that the current in the auxiliary voltage coils 20 remains to a certain extent 110 -30 = 80 behind the voltage. As discussed at the beginning, it is not at all necessary that the resistance relay has the property that it does not monitor the pure line impedance or the pure line reactance. In the case of the first resistance element and if a third resistance element is provided, as is often the case, a relay that monitors the resistance variable that deviates from the impedance is not necessary at all.
As a result, it is often not necessary to
Refinement and use the shunt for the temporarily occurring DC component, and it is even advantageous to avoid this connection if possible, also for the reason that it can reduce the load on the current transformer.
Such an arrangement is shown, for example, in FIG. 9. The device which is shown in this figure. is therefore particularly useful in some cases because it is about protecting short cable
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stretch acts. In the arrangement in FIG. 9, an arrangement is used only in the case of the second resistance element which monitors a suitably selected component of the impedance, u. A phase shift of 1100 lag behind the voltage (El) or a phase lead of 70 in front of the voltage (E) is used, which is obtained in such a way that a capacitance 30 is in series with the auxiliary voltage coil 20. This circuit is shown schematically in FIG.
The relay arrangement in FIG. 9 further differs from the arrangement in FIG. 6 in that a third resistance element is also provided and that the first and the third resistance element are both pure reactance relays, i.e. H. Relays, the characteristics of which are shown in FIG. 4 by the line 32. The second resistance element, on the other hand, monitors a resistance component of the impedance, so it has, for example, a characteristic according to curve 33 in FIG. 4. The manner in which the two coils 16 a and 16 b of the main voltage coils are excited also differs from the arrangement in FIG . The difference is that a capacitance 90 is connected in series with the coil part 16b.
The main voltage coils of the second and third resistance elements are connected in series, which is possible. since these relays are designed to come into operation in the event of greater error distances, d. H. so in those cases in which the voltage at the relay location does not completely collapse.
One element 92 has a pair of contacts 93 which are closed first and a pair of contacts 94 which are closed last. Moreover, the mode of operation of the relay arrangements in FIG. 9 is readily understandable from the figure. If a fault occurs at such a distance from the relay location (for example, less than 80% of the length of the line section), all three resistance elements respond at the same time, because the contacts 44 of the energy direction relay are then also closed, and also like the contacts 13, 14 of the first resistance element the line switch is opened before the timing relay 92 has covered part of its way.
If a fault occurs in the larger distance zone, the first resistance relay cannot respond because its voltage coils are too strongly excited in relation to the current coil. The second and third resistance relays respond immediately. The third relay opens a contact pair 95, which is normally closed, and at the same time closes a contact pair 96, which is normally open.
The opening of the contacts 95 eliminates a short circuit in the terminals of the timing relay 92 so that this relay can start. As soon as the timing relay closes the first pair of contacts 93, a circuit for the tripping coil of the line switch is established, which is routed via the closed contacts 9'1 of the second timing relay and via contact 44 of the directional relay.
If a fault arises in an even greater distance, namely in the protected area of the third wide-resistance relay alone, and if this fault has not been eliminated by opening another line switch, only the third resistance relay will be activated. When the timing relay 92 reaches the first pair of contacts 93, the line switch is not yet triggered, since the contact 97 of the second impedance relay is open. The time relay continues on its way and will finally close the pair of contacts 94.
As a result, the circuit for the trip coil is then completed via the closed contact 96 of the third impedance relay and the closed contact 44 of the energy direction relay. After the fault has been switched off, all relays immediately return to their normal position.
The external circuit of the resistance relays used in FIG. 9 can be designed as or similarly, as FIG. 7 shows, in which case only the shunt resistor 64 for rendering the direct current component harmless can be omitted. The circuit shown schematically in FIG. 10 can be used in order to obtain the linked current which is necessary for the excitation of the short-circuit relays and at the same time to be able to work with the phase currents which are required for the current coil of the direction relay and the timing relay.
In FIG. 10, the current of the star-connected current transformer 100 is passed directly via the current coil of the corresponding energy direction relay or time relay 101 of the three short-circuit relays and from there back to the star point of the current transformer star connection. The chained current is obtained in such a way that three auxiliary converters 102 provided for setting the relays are excited on the primary side by one current each from the three current converters 100, the secondary windings of which are connected in delta. The current coils of the three resistance relays 105 are then connected to this delta connection. The current coils of the resistance relays themselves are connected in star.
The main areas of application for the new relay are shorter line lengths, because with these the arc resistance is quite considerable in relation to the line resistance. An upper limit for the line lengths in which the impedance relay according to the invention can be used is given by the fact that with this new relay there is the possibility that the relay is made to respond by load currents. The longer the line, the sooner this possibility can be expected. For the relay setting shown in FIG. 4, to which characteristic 33 belongs, this limit is approximately where the line resistance on the secondary side of the transducer is two ohms and more.
In the case of other characteristics, which lie between that of the pure impedance relay and that of the pure reactance relay, other values result for the greatest line length, for which the relay according to the invention can be used without special precautionary measures.
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The invention proves to be particularly valuable because, when it is used, the resistance characteristics of the relay are extremely adaptable. It can be applied to any or all three resistance relays, and it gives the possibility of achieving any expediently recognized relay characteristic in the desired manner.
PATENT CLAIMS: l. Protective line arrangement with one or more resistance flip-flop relays set to a certain error distance, characterized in that the resistance flip-flop relays used monitor the line impedance with preference for the reactive component of the line resistance.