DE1956527A1 - Differentialschutzeinrichtung - Google Patents

Description

Mit einer Differentialschutzeinrichtung lassen sich elektrische Geräte und Leitungen schützen, wenn an die elektrischen Ausgänge dieser Geräte und Leitungen Stromwandler angeschlossen sind. In der Differentialschutzeinrichtung wird ausgehend von den Sekundärströmen der Stromwandler geprüft, ob die Stromsumme der in das zu schützende System hineinfliessenden Ströme entsprechend der Kirchhoffsehen Regel Hull ist. Theoretisch trifft diese Voraussetzung im fehlerfreien Zustand aber nur dann zu, wenn die Eigenkapasität des zu schützenden Systems vernachlässigbar ist und wenn die verwendeten Stromwandler den im Primärkreis fliessenden Strom nach Größe und Phasenlage richtig übersetzen.

Da dxRce Bedingungen in der Praxis nicht erfüllt sind, besitzen bekannte Differentialschutzeinriciibungen - um Fehlauslösungen zu vermeiden - eine sogenannte Stabilisienrngsschaltung. Bei einer zweipoligen Differentialschutzeinrichtung erzeugt die ''. tab L L in Lerung£;sühaltimg einen Strom» eier in entgegengesetzt ar RL'jhhunfr zum Auslosestrom auf das .Differsn&ialsiihutsreüaiss einwirkt. Dieser 'ihabili^ierimgastrom irit box uv/axpoiigen Dif fereri- t,Uli':?·;OA ts'ieinrichtungen ciom dag ζη,ι schütasnöa r'ystüßi durch- :"i 1'.·-,:.!ίτΗκη iJtrom proportional. "Die IiIffareiitiaXaGhuba-iieVfif-h'-

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und einander entgegengesetzt auf ein Differentialschutzrelais bzw. einen kontaktlos arbeitenden Indikator einwirken, ist es zur Gewährleistung der richtigen Messung des Fehlerortes nötig, den· Mittelwert aus den einander entgegengerichteten gleichgerichteten Ctrömen zu bilden. Damit ist der Verringerung der Auslösezeit eine nicht überwindbare G-renze gesetzt. .Man kann zwar durch Verwendung schneller kontaktloser Indikatoren erreichen, daß die Differentialschutzeinrichtung auf den Augenblickswert des Auslöse- und Sperrstromes anspricht. Bei vorhandenen Wandlerfehlern - z.B. infolge Sättigung - ist es aber durchaus, möglich, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt der Augenblickswert des Sperrstromes gerade klein und der Augenblickswert des Auslösestromes gerade relativ groß ist, so daß ein der Vergleichsschaltung nachgeschalteter kontaktloser Indikator ansprechen würde, obgleich sich der Fehler außerhalb des Schutsbereiches befindet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Differentialschutzeinrichtung zu schaffen, bei der eine Messung abhängig von den Augenblickswerten des in der Differentialschutzeinrichtung gebildeten Sum~ menstromes - und ggfs. des Sperrstromes - möglich ist.

Die Erfindung "betrifft damit eine Differentialschutzeinrichtung mit an den Ausgängen eines zu schützenden Systems ('Leitung, Maschine, Transformator, Sammelschiene) angeschlossenen Stromwandlern und einer Pummierungsschaltung, welche mit den Sekundärwicklungen der Stromwandler in Verbindung steht, die geometrische Summe der in das zu schützende System hinoinfliessenden Ströme bildet und eine aus dieser Summe abgeleitete elektrische G-röße an einen nachgeschalteten Indikator (Grenzwert; a tufe, Ralaiswiaiclung) gibt-, dessen Avisgang auf die Leistungsschalter zur Abschaltung ds;i ku schützenden Systems einwirkt, "Das Heu« besbeht erfindungsgemäß darin, daß dom Indikator eise Schaltvorrichtung iKiohgesoiialfcet ist, die über eins ^iif.'der"™-Verknüpfung mit den Ausgängen- von G-renzwertstufen '.^rbunden ist, die eingangssaitig über je eine Schaltipig zur Erfassung der Wandlersättigung an die Sekundärwicklung eines säu' Ctrumwandlers angeschlossen sind, so daß die dem Indikator nachgeschaltete Schaltvorrichtung öffnet, wenn

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ein Stromwandler in Sättigung geht.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung "beruht also auf der Tatsache, daß auch bei überlasteten Stromwandlern, die im Sättigungsbereich arbeiten» der Fluß zeitweise unter den Sättigungspunkt absinkt. Insbesondere wurde die Tatsache ausgenutzt, daß vor Beginn des Fehlers alle Wandler ungesättigt sind und so richtig übersetzen. Wenn also bei der erfindungsgemäßen Anordnung außer dem Auslösestrom noch, wie bei bekannten Differentialschutzeinrichtungen, ein Sperrstrom auf den Indikator einwirkt, so kann der Einfluß des Sperrstromes gegenüber bisherigen Differentialschutzeinriahtungen sehr viel geringer gemacht werden. Die Differentialschutzeinrichtung ist also selbst bei vorhandenem, dem Auslösestrom entgegengerichteten Sperrstrom wesentlich empfindlicher" als eine Differentialschutzeinrichtung, die ihre Entscheidung durch Integration der Augenblickswerte des Auslöse- und Sperrstroms über mehrere Perioden trifft. ^;

Als Schaltung zur Erfassung der Wandlersättigung kann beispielsweise in den Sekundärkreis eines Stromwandlers ein Oberwellenfilter eingeschaltet sein. Wenn man diesem Oberwellenfilter eine Grenzwertstufe nachschaltet, die anspricht, wenn die in der Sekundärwicklung des Stromwandlers erzeugten Oberwellen ein bestimmtes Maß überschritten haben, so kann man den mit Beginn der Wandlersättigung auftretenden hohen Oberwellengehalt im Sekundärkreis des Wandlers ausnutzen, um den Zeitpunkt des Beginns der Wandlersättigung zu erfassen*

Ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltung zur Erfassung der Wandlersättigung, die bereits vor Beginn der WandlersMttigung ein Ausgangs.?ignal abgeben kami_s ist in'Pig. I dargestellt. Diese Schaltung besteht auf? einer Grenswertetufe mit einer vorgeschalteten Integriersolialtimg, Hierzu ist an din Sekundärwicklung, eines Stromwandler8 H in Reihe mit den übiireii Ver- .'. brauchern N ein Naohl>ildungB.wid*?retand. Ί änger-chloRScn, Dieser Nachbildungswiderfftand Z miß proportional zn ßbm f. & ragten, die Pürde des Stromwandler^ Wi bildender- 7/i df-r'.-■:.■ and !'ein«. In diesem F^?! ^utrtpht an den» ^echbj Tn"ungi:v;:;<lerr"inK<5 ;.-* eine

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Spannung, die proportional der Spannung an der Sekundärwicklung · des Stromwandlers WI ist.· Parallel zu dem Nachbildungswiderstand Z liegt dann die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes R1 und eines Kondensators C1. Über einen Gleichrichter ',' G1 in Graetzsehaltung wird der an dem Kondensator C1 anstehen-• de und dem Integral der Spannung an der Sekundärwicklung des Wandlers W1. proportionale Spannungsabfall gleichgerichtet. Parallel zu den Gleichstromanschlüssen des Gleichrichters GM liegt eine Grenzwertstufe GS1, die in bekannter Weise aus zwei Transistoren T1 , T2 besteht und an ihrer Ausgangsklemme K1 dann eine Spannung anstehen läßt, wenn eine bestimmte .Eingangsspannung überschritten wird.

Die Grenzwertstufe GS1 besitzt am Eingang parallel zu den Gleichstromanschlüssen des Gleichrichters G1 eine Zenerdiode ZD. Die Steuerspannung des Transistors T1 wird von der Zenerdiode ZD abgenommen.

In Fig. 2 ist eine Schaltung dargestellt, die es gestattet, den Beginn eines Kurzschlusses schnell zu erfassen. Hierzu wird die Stromänderungsgeschwindigkeit in einem Stromwandler W2 ausgenutzt. Im Sekundärkreis des Stromwandlers W1 liegt ein Widerstand R3 und parallel dazu sind die Wechselstromklemmen eines Gleichrichters G2 in Reihe zu einem Kondensator G3 geschaltet. Dabei entsteht an den Gleichstromklemmen des Gleichrichters G2 ein dem Differentialquotienten des Stromes im Stromwandler W1 proportionaler Strom, der - bedingt durch den Innenwiderstand der daran angeschlossenen Grenzwertstufe GS2 - für die Grenzwertstufe eine Eingangsspannung ergibt, die bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwertes eine Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme K2 der Grenzwertstufe GS2 zur Folge hat. Zur Glättung von Spannungsspitzen ist an die innerhalb der Grenzwertstufe GS2 angeordnete Zenerdiode ZD ein R-C Glied, bestehend aus einem Widerstand R2 und einem Kondensator C2 angeschlossen. Die Kapazität des Kondensators 02 ist dabei so gering·, daß keine nennenswerten Verzögerungen bei der Weitergabe des Eingangssignals entstehen können. Im übrigen ist die. Grenzwertstufe GS2 genauso aufgebaut wie die Graizwertstufe GG1 in Fig.1. Die Bauelemente der Grenzwertstufe GS2 besitzen daher die gleichen Bezeichnungen wie

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diejenigen der Grenz*?ertBtufe GSl.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Differentialschutzeinrichtung ist in Fig. 3 im Blockschaltbild dargestellt. Die Schaltungen zur Fehlererfassung nach Fig. 2 sind dort als Differenzierglieder mit den Buchstaben D und die Schaltungen zur Erfassung des Spannungsintegrals an den Sekundärwicklungen der Wandler als Integrierschaltungen mit den Buchstaben I bezeichnet. Wie bei bekannten'Differentialschutzeinrichtungen sind an die Sekundärwicklungen der Stromwandler W1, W2, W3 Zwischenwandler ZWl, ZW2 und ZW3 angeschlossen, deren Sekundärwicklungen über Gleichrichter G4, G5 und G6 geschlossen sind. Die Gleichstromanschlüsse der Gleichrichter G4,"-G5 und G6 sind einander parallel und antiparallel zu den Gleichetromanschlüssen eines weiteren Gleichrichte:® G7 geschaltet. Dieser Gleichrichter G7 ist an die Sekundärwicklung eines Zwischenwandlers ZW4 angeschlossen, dessen Primärwicklung in einem Stromkreis liegt, der die Stromsumme der Sekundärströme in den Stromwandlern W1, W2 und W3 führt.

Zwischen die Sekundärwicklungen der Stromwandler WT, W2 und W3 und die Primärwicklungen der Zwischenwandler ZW1, ZW2 und ZW3 sind die Eingänge von Differenzierstufen D1, D2 und D3 geschaltet, die - wie in Fig. 2 dargestellt ist - aus je einer Differenzierschaltung mit nachgeschalteter Grenzwertstufe bestehen. Außerdem liegt in Reihe zu jeder Differenzierstufe . eine Integrierstufe 11, 12 und 13, die - wie" in Fig, 1 dargestellt ist - aus je einer Integrierschaltung mit nachgeschalteter Grenzwertstufe besteht. Die Ausgänge der Differenzierstufen D1 bis D3 und der Integrier stuf en 11 bis 1.3 sind über in Fig. 3 nicht.bezeichnete Dioden zur; Entkopplung einander parallel geschaltet. Die Ausgänge der Differenzierstufen D1 bis D3 wirken dabei auf eine Schaltvorrichtung S2, die an den Ausgang der einander parallel - bzw. antiparallelgeschalteten Gleichrichter G4 bis G7 angeschlossen ist und diesen Ausgang mit einem Indikator ID dann verbindet, wenn mindestens eine der Differenzierstufen D1 bis D3 ein Ausgangssignal abgibt.

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Über weitere nicht näher bezeichnete Dioden in Fig. 3 sind die Ausgänge der Integrierstufen ebenfalls einander parallel geschaltet und an eine Schaltvorrichtung S1 .angeschlossen, die zwischen den Ausgang des Indikators ID und den Eingang einer Kippstufe KS geschaltet ist. Diese Schaltvorrichtung trennt die Verbindung zwischen dem Indikator ID und der bistabilen Kippstufe KS, wenn mindestens eine der Integrierstufen 11 bis 13 ein Ausgangs signal abgibt. Der Ausgang der bistabilen Kippstufe KS ist in nicht näher bezeichneter Weise mit den Leistungsschaltereingängen für die Ausschaltung der Leistungsschalter verbunden, die die Abtrennung des zu schützenden Systems vom übrigen Fetz einleiten.

Die bistabile Kippstufe KS besitzt einen weiteren Eingang, der über eine Zeitstufe t2 mit dem· Ausgang der einander parallelges ehalt et eh Differenzierstufen D1 bis D3 verbunden ist. Die Verzögerungszeit dieser Zeitstufe t2 beträgt etwas mehr als eine Periode der Wechselspannung, so daß nach der Abschaltung eines vorher bestehenden Kurzschlusses - wenn keine der Differenzierstufen D1 bis D3 mehr ein Ausgangs signal abgibt - die bi stabile Kippstufe KS nach Ablauf einer Periode zurückgestellt und die. Differentialschutzeinrichtung damit wieder betriebsbereit wird.

Bei Auftreten eines Kurzschlusses innerhalb oder außerhalb des Schutzbereiches wird also mindestens eine der Differentialstufen D1 bis D3 ein Ausgangssignal abgeben und den Indikator ID an den Ausgang der einander parallelgeschalteten Gleichrichter G4 bis Gr7 legen. Abhängig von den Augenblickswerten des der Parallelschaltung zu entnehmenden Summenstromes wird der Indikator ID ansprechen oder nicht. Im ersten Augenblick nach Eintreten des Fehlers innerhalb oder außerhalb des zu schützenden Systems ist noch keiner der Stromwandler Wl bis W3 gesättigt, d.h. das Spannungsintegral, das in den Integrierschaltungen der Integratorstufen ITWLs 13 gebildet wird, hat noch nicht den zum Ansprechen der darin enthaltenen Grenzwertstufen erforderlichen Wert erreicht. Da keine der Integrationsstufen 11 bis 13 ein Ausgangssignal abgibt, ist die Schaltvorrichtung S1 geschlossen. Liegt der Fehler innerhalb des Schutzbereichs, so wird der Auslösestrom im Gleichrichter G7 überwiegen und den Indikator ansprechen lassen. Das hat zur Folge,

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daß über die geschlossene Schaltvorrichtung S1 die bistabile Kippstufe- KS umgeschaltet wird, die ihrerseits ein Ausgangssignal zum Abschalten der dem zu schützenden System zugeordneten Leistungsschalter abgibt, Sobald einer der drei Stromwandler W1, W2 oder W3 in die Nähe der Sättigungsgrenze kommt, wird die zugehörige Integrationsstufe 11, 12 oder 13 ein Ausgangs- -. signal abgeben, das die Schaltvorrichtung S1 auftrennt, so daß die bistabile Kippstufe KS unabhängig von dem Ausgangssignal des Indikators ID in ihrer eingestellten Lage bleibt*

Das gilt auch für den Fall, daß der Fehler außerhalb des Schutzbereiches liegt. In diesem Fall wird zu Beginn des Fehlers durch die noch nicht gesättigten Stromwandler W1, W2 und W3 der in Auslöserichtung wirkende Strom über den Gleichrichter G7 nahezu den Wert null annehmen. Her Indikator ID kann also kein Ausgangssignal liefern. Sobald einer der drei Stromwandler W1 , W2 oder W3 gesättigt ist, hat die Schaltvorrichtung S1 den Indikator ID von der nachgeschalteten bistabilen Kippstufe KS getrennt und.ein sich infolge der Sättigung eines Stromwandlers ausbildender Summenstrom kann zwar den Indikator ID anregen, nicht aber einen Ausschaltbefehl für die zugeordneten Leistungsschalter zur Folge haben.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn der Indikator ID - bedingt durch die Schaltvorrichtung S2-im Bereich jedes Stromnulldurchganges (= Maximum der Stromänderung) den Indikator an den Ausgang der parallelgeschalteten Gleichrichter G4 bis G7 schaltet. Hierbei beginnt in jeder Periode der Wechselspannung eine neue Meßzeit, so daß ein Fehler im Schutzbereich, der sich erst nach Auftreten eines Fehlers außerhalb des Schutzbereiches einstellt, mit erfaßt werden kann.

Beim Einsatz einer Differentialschutzeinrichtung für !Eransformatoren hat man zur Vermeidung von Fehlauslösungen durch den Einschaltstromstoß in bekannte Differentialschutzeinrichtungen Zeitverzögerungsglieder eingebaut. Diese Maßnahme ist bei dem erfindungsgemäßen schnellen Differentialschutz nicht mehr möglich. Bei Anwendung dieser Differentialschutzeinrichtung für Transformatoren kann man aber so vorgehen, daß man für jede

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• Wicklung des Transformators eine eigene Differentialschutzein-' . richtung vorsieht und an "beide Enden jeder Wicklung des Transformators Stromwandler anschließt, die die Eingangsgrößen für die Differentialschutzeinrichtung liefern.

5 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims (5)

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1.)) Differentialschutzeinrichtung mit an den Ausgängen eines zu schützenden Systems (leitung, Maschine, Transformator, Sammelschiene) angeschlossenen Stromwandlern und einer Summierungsschaltung, welche mit den Sekundärwicklungen der Stromwandler in Verbindung steht, die geometrische Summe der in das zu schützende System hineinfliessenden Ströme Mldet und eine aus dieser Summe abgeleitete elektrische Größe an einen nachgeschalteten Indikator (Grenzwertstufe, Relaiswicklung) gibt, dessen Ausgang auf die leistungsschalter zur Abschaltung des zu schützenden Systems einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Indikator (ID) eine Schaltvorrichtung (S1) nachgeschaltet ist, die über eine "Oder"-Verknüpfung mit den Ausgängen von Grenzwertstufen (GS1) verbunden ist, die ausgangsseitig über je eine Schaltung zur Erfassung der Wandlersättigung an die Sekundärwicklung eines sättigbaren Stromwandlers (W1, W2, W3) angeschlossen sind, so daß die dem Indikator (ID) nachgeschaltete Schaltvorrichtung (S1) öffnet, wenn ein Stromwandler in Sättigung geht.

2.) Differentialschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Grenzwertstufe (GS1) als Teil einer Integrierstufe (11, 12, 13) einer Integrierschaltung nachgeechaltet ist und daß die Integrierstufen (11, 12, 13) an die Sekundärwicklung je eines sättigbaren Stromwandlers (W1, W2, W3) so angeschlossen sind, daß am Eingang jeder Integrierstufe (11, 12, 13) eine der Spannung an der Sekundärwicklung des zugehörigen Stromwandlers (W1, W2, W3) proportionale elektrische Größe anliegt, während der Ansprechwert jeder Grenzwertstufe (GST) abhängig von dem durch Eintritt der Wandlersattigung gegebenen zulässigen Grenzwert des Spannungsintegrals über die Zeit eingestellt ist.

3.) Differentialschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltung zur Erfassung der Wandleraättigung in den Sekundärkreis jedes Stromwandlers

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, W2, W3) ein Filter zur Aussiebung der Oberwellen eingeschaltet ist, dessen Ausgang an den Eingang einer Grenzwertstufe (GSI) angeschlossen ist.

4.) .Differentialschutzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Indikator(iD)eine zweite Schaltvorrichtung (S2) vorgeschaltet ist, die an mindestens eine eingangsseitig über eine Differenziereinrichtung (D1, D2, D3) mit der Sekundärwicklung eines Stromwandlers (W1, W2, W3) verbundene Grenzwertstufe (GS2) angeschlossen ist, so daß die Einschaltung des Indikators(ID) abhängig vom .Differentialquotienten des Stromes ist.

5.) Anwendung der Differentialschutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Schutz eines Transformators, "dadurch gekennzeichnet, daß an beide Seiten jeder Transformatorwicklung Stromwandler angeschlossen sind und daß für jede Transformatorwicklung eine Differentialschutzeinrichtung vorgesehen ist.

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