DE2243481A1

DE2243481A1 - Statisches netzschutzrelais

Info

Publication number: DE2243481A1
Application number: DE2243481A
Authority: DE
Inventors: David Wilmore Little
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-09-10
Filing date: 1972-09-05
Publication date: 1973-03-15
Also published as: BR7206212D0; ES406425A1; US3697811A; GB1374909A; CH552295A; JPS4836644A; SE375887B

Description

Patentanwalt

6 Frankfurt/Main! -¹*· September 1972

Niddastr. 52/ ^Vo/cs

2159-48-PS-00388

GENERAL ELECTRIC COMPANY .

1 River Road Schenectady, N.Y., U.S.A.

Statisches Netzschutzrelais

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Energieverteilungssysteme mit sekundären Wechselstromnetzen und auf einen Netzschutz, der eine primäre Speiseleitung mit.einem derartigen sekundären Netzwerk verbindet. Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte Leistungsrxchtungseinheit dafür. Auf diesem technischen Gebiet sind die in den US-Patentschriften 3 401 307 und 3 532 935 beschriebenen Anordnungen bekannt.

Ein sekundäres Wechselspannungsnetz umfaßt ein Netz miteinander verbundener Kabel, die bei einer geeigneten Spannung gespeist werden, um die Energie auf zahlreiche zivile, industrielle und kommerzielle Verbraucher bzv/. Lasten zu verteilen. Um die Kontinuität in der Energiezuführung in einem städtischen Bereich mit hoher Lastdichte sicherzustellen, wird das Netz an vielen Punkten von Primär- oder Hochspannungs-Speiseleitungen gespeist. Wenn eine Energiequelle öder'Speiseleitung ausfällt, wird die vorher von

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dieser Speiseleitung gespeiste Last von den anderen, verbleibenden Speiseleitungen übernommen. Jede primäre Speiseleitung ist mit dem Netz über wenigstens einen Netztransformator, Netzwerkschutz (Maschenschutzschalter) und einen Sicherungssatz mit dem Netz verbunden.

Ein Schutzrelais, das zu dem Netzwerkschutz und den Sicherungen gehört, ist so aufgebaut, daß es das Netzwerk mit der primären Speiseleitung nur für gewisse, genau festgelegte Betriebsbedingungen in elektrischer Verbindung hält, beispielsweise wenn irgendein Netztransformator, der keine Leistung an das Netz liefert, von diesem abgetrennt werden muß.

In der US-Patentschrift 3 532 935 ist ein statisches Schutzrelais beschrieben, das gegenüber den bekannten elektromechanischen Relais zahlreiche Verbesserungen aufweist. Dieses statische Relais enthält unter anderem eine Leistungsrichtungseinheit zur Steuerung eines Leistungsschalters (der als ein Netzwerkschutz bezeichnet wird), der eine primäre Speiseleitung oder eine Energiequelle eines dreiphasigen Energieverteilungssystems über einen Netztransformator mit einem sekundären Wechselspannungsnetz koppelt. Die Leistungsrichtungseinheit tastet einen umgekehrten Leistungsfluß bzw. Leistungsrückfluß oberhalb eines vorgewählten Schwellwertes von dem Netzwerk zum Netztransformator ab, um eine Auslösespule des Netzwerkschutzes zu erregen. In der Leistungsrichtungseinheit ist eine Spannungsableitungsschaltung, die eine zum Netzstrom proportionale Spannung erzeugt, einen Modulator, der diese Spannung durch eine Spannung moduliert, die der Netzspannung an dem Netzwerkschutz proportional ist, um eine Ausgangsgröße zu erhalten, die dem wahren Leistungsfluß durch den Netzwerkschutz proportional ist, und ein Detektor bzw. Fühler enthalten, der beim Auftreten eines einen umgekehrten Leistungsfluß anzeigenden Signales vom Modulator die Auslösespule erregt. Das den umgekehrten Leistungsfluß anzeigende Signal tritt immer dann auf, wenn der umgekehrte Leistungsfluß als einen vorgewählten Schwellwert über-

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schreitend abgetastet wird, der durch ein festes Vorspannungssignal definiert ist, das in der Leistungsrichtungseinheit erzeugt wird.

Das feste Vorspanriungssignal definiert den minimalen Phasenstrom, der zur Öffnung des Netzwerkschutzes erforderlich ist. Es ist so ausgelegt, daß der Netzwerkschutz mit Sicherheit den Schalter nicht bei einem sehr niedrigen Wert des Leistungsrückflusses öffnet, da eine derartige Erscheinung aus Umständen resultieren könnte, die eine Abschaltung des Netzes: nicht erforderlich macht, wie z.B. beim Auslaufen von Motoren, Störungen, Brummen usw. Weiterhin kann bei sehr niedrigen Stromwerten die Richtung bzw. das Vorzeichen des Phasenwinkels aufgrund des Magnetisierungsstromes in dem Stromtransformator falsch sein, der den Phasenstrom überwacht.

Die Auslösecharakteristiken der Leistungsrichtungseinheit gemäß der US-Patentschrift 3 532 935 nähert sich, wenn sie in Polarkoordinaten aufgetragen sind, im normalen Betriebsbereich im allgemeinen einer geraden Linie, die zur 90° - 270°-Linie parallel läuft, gegenüber dieser aber leicht nach links um einen Betrag verschoben ist, der gleich dem Betrag der festen Vorspannung ist. Die Fläche von dieser Linie nach links definiert den Auslösebereich des Netzwerkschutzes,, und jeder in dieser Fläche endende Phasenstromvektor bewirkt, daß der Netzwerkschutz öffnet.

Es ist festgestellt worden, daß eine Leistungsrichtungseinheit mit einer derartigen Charakteristik in gewissen ungewöhnlichen Fällen einen nicht optimalen Auslösebetrieb liefern kann. Sollte beispielsweise ein Fehler in dem System auftreten, öffnet sich der Leistungsschalter der Speiseleitung. Wenn der Fehler behoben ist, kann, falls der Netzwerkschutz geschlossen ist, das Netz beginnen, eine gewisse Rückleistung in die lange, stark kapazitive Netzleitung zwischen dem Netz und dem Leistungsschalter einzuspeisen, d.h. die Netzleitung aufzuladen. Der Stromvektor, der aus dem Rückleistungsfluß resultiert, kann relativ groß sein (beispielsweise 100 Ampere) und bei einem leicht unter 270 liegenden Phasenwinkel auftreten

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(aufgrund der stark kapazitiven Netzleitung), so daß er vollständig außerhalb des Auslösebereiches der Leistungsrichtungseinheit liegt. Demzufolge löst der Netzwerkschutz nicht aus und die Leitung wird durch die rückfließende Leistung aufgeladen. Eine derartige Erscheinung ist jedoch völlig unerwünscht.

Wenn die Leistungsrichtungseinheit modifiziert werden würde, um eine Auslösecharakteristik aufzuweisen, die nach rechts in die Nähe der 270 -Linie verschoben ist, würde in der oben beschriebenen Situation eine Auslösung erfolgen.

Deshalb ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Netzwerkschutz mit einer Leistungsrichtungseinheit zu schaffen, die gegenüber stark kapazitivem Strom empfindlicher ist als bekannte Einheiten.

Obwohl es wünschenswert ist, die Auslösecharakteristik nach rechts in die Nähe der 270°-Linie zu verschieben, so ist es auch wichtig, daß die Auslösecharakteristik in der unmittelbaren Nähe des Ursprungs unberührt gelassen*wird (d.h. aufgrund der festen Vorspannung leicht nach links verschoben bleibt), um eine fr.Ische Auslösung des Netzverkschutzes zu verhindern.

Demzufolge ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Netzwerkschutz mit einer Leistungsrichtungseinheit zu schaffen, die auf stark kapazitiven Strom empfindlicher ist als bekannte Einheiten und die nicht dazu führt, daß der Netzwerkschutz bei sehr kleinen Strömen unabhängig von ihrer Phasenverschiebung öffnet.

Diese Aufgaben -,erden, kurz gesagt, erfindungsgemäß durch die Verwendung einer Schaltungsanordnung gelöst, die die Leistungsrichrungseinheit eines statischen Schutzrelais zusätzlich zu einer festen Vorspannung mit einer variablen Vorspannung versorgt. Die variable Vorspannung liefert, wenn sie mit einer festen Vorspannung

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zusammen gefaßt wird, eine Richtungseinheit mit einer Auslösecharakteristik, die in der unmittelbaren Nähe des Ursprungs nach links verschoben ist, wie es bei der vorstehend erwähnten US-Patentschrift 3 532 935 der Fall ist, die aber an vom Ursprung etwas entfernten Punkten nach rechts in Richtung auf die 270°~Linie verschoben ist. Zu diesem Zweck weist die Quelle der variablen Vorspannung eine Schaltungsanordnung auf, die ein Vorspannungssignal liefert, das sich sowohl in der Größe bzw. Amplitude als auch in der Phase ändert und eine Funktion des Phasenwinkels des Phasenstromes ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung mit jeweils nur einem Leiter von einem typischen sekundären Wechselspannungs-Netzsystem.

Fig. 2 ist ein funktionelles Blockbild von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leistungsrichtungsexnheit.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung von einem Abschnitt der in Fig. 2 gezeigten Leistungsrichtungsexnheit.

Fig. 4 ist eine Gruppe von Kurvenbildern und zeigt variable Vorspannungssignale für zahlreiche Zustände des Stromphasenwinkels.

Fig. 5 zeigt zahlreiche Kurvenbilder von Wellenformen der Leistungsrichtungseinheit für den Netzbetrieb, in dem der Phasenstrom der Phasenspannung um 30° nacheilt.

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Fig. 6 zeigt zahlreiche Kurvenbilder von Spannungswellen der Leistungsrichtungseinheit für den Netzbetrieb, in dem der Phasenstrom der Phasenspannung um 5)0 nacheilt.

Fig. 7 zeigt zahlreiche Kurvenbilder von Wellenformen der Leistungsrichtungseinheit für den Netzbetrieb, in dem der Phasenstrom der Phasenspannung um 120° nacheilt.

Fig. 8 ist eine verallgemeinerte Ansprechkurve für die Leistungsrichtungseinheit, wie sie in der US-Patentschrift 3 532 gezeigt ist.

Fig. 9 ist eine verallgemeinerte Ansprechkurve für die erfindungsgemäße Leistungsrichtungseinheit.

In Fig. 1 ist ein sekundäres Wechselspannungs-Netzsystem gezeigt. Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand eines dreiphasigen Verteilersystems beschrieben wird, so ist sie selbstverständlich auf jedes mehrphasige System anwendbar, in dem Leistungsrückflüsse auftreten könnten. Es sind eine primäre Spannungsleitung 1 einer Verteilerunterstation und zwei primäre Speiseleitungen 2 und 3 vorgesehen, die mit der Sammelleitung 1 über zwei Leistungsschalter 4 der Station verbunden sind. Das sekundäre Wechselspannungsnetz ist allgemein durch die Bezugszahl 5 dargestellt und umfaßt zahlreiche miteinander verbundene Kabel 6, die an zahlreichen Punkten mit den primären Speiseleitungen 2 und 3 verbunden sind. Jede Verbindung mit den primären Speiseleitungen erfolgt durch einen Netztransformator 7 über einen Netzwerkschutz S und einen Satz Sicherungen 0. Mit dem Kabel 6 des Sekundärnetzes sind zahlreiche Verbraucherversorgungsschaltungen 10 verbunden.

Mit jedem Netzwerkschutz ist ein Schutzrelais verbunden, um diesen Netzwerkschutz gemäß den festgelegten Ausführungsordnungen des Kraftwerkes zu steuern. Die gewünschten Funktionen eines der-

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artigen Relais sind normalerweise wie folgt:

(a) das Relais sollte den Netzwerkschutz beim Auftreten von jedem Leistungsrückfluß oberhalb einer gewissen Größe in seine primäre Speiseleitung öffnen, um nur diese Speiseleitung von dem sekundären Wechselspannungsnetz 5 zu trennen;

(b) das Relais sollte den Netzwerksjphutz beim Auftreten eines Fehlers in dem sekundären Netz 5 nicht öffnen, um die Kontinuität der Leistungszuführung sicherzustellen (diese sekundären Fehler werden entweder dadurch beseitigt^ daß sie sich selbst durch Brennen heilen, durch den S,atz Sicherungen 9, die in Verbindung mit dem Netzwerkschutz 8 verwendet werden, oder durch andere Trennvorrichtungen in den Verbraucherversorgungsschaltungen 10) ;

(c) das Relais sollte empfindlich genug sein, um den Netzwerkschutz 8 beim Magnetisierungsstrom des Transformators 7 zu öffnen, wenn einer der Stationsschalter 4 offen ist.

Um diese Funktionen herbeizuführen, wird erfindungsgemäß ein statisches Schutzrelais geschaffen, das eine Leistungsrichtungseinheit 11 aufweist, die den Netzwerkschutz oder den Leistungsschalter F steuert. Zu diesem Zweck ist die Leistungsrichtungseinheit in der Lage, ein Auslösesignal an den Netzwerkschutz zu liefern, damit dieser geöffnet und dadurch das Netz-10 von seinem Transformator getrennt wird.

\I±e aus Figur 2 ersichtlich ist, umfaßt die Leistungsrichtungseinheit 11 drei Doppelschaltungen. Die Schaltung HA überwacht Strom und Spannung der Phase A. Die Schaltung HB überwacht Strom und Spannung der Phase B und die Schaltung HC überwacht Strom und Spannung der Phase C. Jede der Schaltungen HA, HB und HC liefert ein Ausganrcssignal X., X_n bzw. X_n, das der wahren Leistung durch den Netzwerkschutz P. proportional ist. Die Ableitung des

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Ausgangssignales X. der Schaltung HA wird im folgenden näher erläutert. Selbstverständlich werden die Ausgangssignale von den Schaltungen HB und HC in einer ähnlichen Weise abgeleitet.

Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, umfaßt die Schaltung HA ein Stromkontrollgerät (Monitor) 12, das den Strom der Phase A kontinuierlich überwacht und das mit einem Funktionsgenerator oder Dämpfungsregler 13 verbunden ist. Der Dämpfungsregler liefert zwei Ausgangssignale A und B. Das Ausgangssignal A wird einem Modulator 14 und das Ausgangssignal B wird einem Modulator 15 zugeführt. Der Modulator 15 weist eine zweite Eingangsklemme auf zum Empfang eines Signales C. Das Signal C wird von einem Spannungskontrollgerät (Monitor) 16 abgeleitet, das die Spannung der Phase A kontinuierlich überwacht. Das Ausgangssignal D des Modulators 15 fließt durch ein Tiefpaßfilter 17 und tritt als ein Ausgangssignal X. auf. Die Erzeugung des Ausgangssignales X. für verschiedene Beträge der Phasenstromverschiebung wird am besten verständlich anhand des funktioneilen Blockbildes gemäß Figur 2 und der Kurvenbilder gemäß den Figuren 5, 6 und 7.

Unter der Annahme, daß der Strom in jeder Phase der Spannung um 30° (θ=30°) nacheilt, wie es in Figur 5A gezeigt ist, liefert der Dämpfungsregler 13 ein Spannungssignal B., das eine Funktion des Phasenstromes I. ist. Das Ausgangssignal B. wird dem einen Eingang des Modulators 15 zugeführt. Die Funktion des Modulators 15 besteht darin, eine bipolare Ausgangsspannung zu erzeugen, deren Mittelwert in Richtung und Größe der wahren Leistung in ihrer zugehörigen Phase (d.h. Phase A) proportional ist. Um dieses Ergebnis herbeizuführen, wird der Modulator mit zwei symmetrischen Modulierungsspannungen +C und -C gespeist. Die modulierenden Spannungen werden von der Phasenspannung V. abgeleitet und sind mit dieser gleichphasig. Im Grunde arbeitet der Modulator als ein Schalter, der immer dann das Vorhandensein des Eingangssignales B an seinem Ausgang gestattet, wenn die modulierende Spannung C positiv ist. Wie in der eingangs genannten US-Patentschrift 3 532

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analytisch gezeigt ist, stellt das Ausgangssignal B die Größe KI cos O dar, worin K die Konstante, I der Phasenstrom und O der Winkel zwischen dem Strom I und der Spannung V ist. Wenn die Phasenspannung ziemlich konstant ist, nähert sich Kl/O stark an den wahren Leistungsfluß (VI cos O) an. Die Ausgangsgröße des Modulators 15 wird durch ein Tiefpaßfilter 17 gefiltert, um ein Ausgangssignal X. zu liefern, das der Durchschnittswert der Modulatorausgangsgröße D. ist.

In einer ähnlichen Weise liefert die Schaltung HB ein Ausgangssignal Xg, das der Durchschnittswert des Ausgangssignals Dg seines nicht gezeigten Modulators ist, und die Schaltung HC sorgt für ein Ausgangssignal X^, das der Mittelwert des Ausgangssignales D„ seines nicht gezeigten Modulators ist.

Die Signale X., X„ und X_c werden als Eingangsgröße in eine Addierschaltung 20 eingespeist. Die Addierschaltung kombiniert algebraisch alle Eingangssignale, um ein Ausgangssignal 0 zu erzeugen, das gleich der algebraischen Summe der Eingangssignale ist.

Ein festes Vorspannungssignal Y mit. leicht positiver Polarität wird als weitere Eingangsgröße an die Addierschaltung 20 geliefert. Das feste Vorspannungssignal wird dazu benutzt, die Leistungsrichtungseinheit unempfindlich zu machen, so daß die Auslösung bei einem äußerst niedrigen Wert des Leistungsrückflusses nicht auftritt.

Der Addierschaltung 20 werden noch weitere Eingangssignale Z., Zg und Z_c zugeführt, die aber zunächst unberücksichtigt bleiben können, da ihre Wirkung auf die Leistungsrichtungseinheiten später beschrieben wird.

Mit der Addierschaltung 20 ist ein Polaritätsdetektor 21 verbunden. Der Polaritätsdetektor ist so gestaltet, daß er immer dann ein Auslösesignal liefert, wenn das Ausgangssignal 0 von der Addierschaltung negativ ist.

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Wenn die Summe der Eingangsgrößen in die Addierschaltung neben der festen Vorspannung negativer ist als die Größe des festen Vorspannungssignales, ist die Ausgangsgröße des Addierers negativ und es wird ein Auslösesignal abgegeben.

Wenn der Winkel O gleich 30° ist, sind die Signale X_A, X_ß und X_Q alle positiv, und deshalb ist ihre Summe, die mit X_TOT bezeichnet und in Figur 5D gezeigt ist, ebenfalls positiv. Der positive Zustand ist eine Anzeige für einen wahren Leistungsfluß durch den Netzwerkschutz, und da die Summe aller Eingangsgrößen in die Leistungsrichtungseinheit positiv ist, erfolgt keine Auslösung.

Figur 6 zeigt zahlreiche Wellenformen, die die Signale in der Leistungsrichtungseinheit 11 darstellen, wenn der Phasenstrom der Spannung um 90° nacheilt. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, ist der Mittelwert der Ausgangsspannungen D^, Dg und D« null. Demzufolge ist auch der Wert X_TOT null. Dieser Zustand zeigt an, daß eine Blindleistung durch den Netzwerkschutz fließt. In diesem Zustand ist die Summe aller Eingangsgrößen in den Addierer 20 leicht positiv (aufgrund des positiven festen Vorspannungssignales) und es erfolgt keine Auslösung.

Figur 7 zeigt zahlreiche Wellenformen, die die Signale in der Leistungsrichtungseinheit 11 darstellt, wenn der Phasenstrom der Spannung um 120° nacheilt. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist der Mittelwert von jeder der Ausgangsspannungen D., D„ und D^ negativ und demzufolge ist auch die Größe X_T0T negativ. Dieser Zustand zeigt an, daß eine Leistung rückwärts in den Netzwerkschutz fließt. In dieser Situation ist die Summe aller Eingangsspannungen in den Addierer negativ, ungeachtet der leicht positiven Vorspannung, die von der festen Vorspannung Y geliefert wird, und somit wird von dem Polaritätsdetektor 21 das Auslösesignal abgegeben.

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Die Auslösecharakteristik der Leistungsrichtungseinheit gemäß der US-Patentschrift 3 532 035 ist in Figur 8 gezeigt. Wie hieraus hervorgeht, wird die Auslöselinie von dem Ursprung leicht nach links verschoben, und zwar um den Betrag, der gleich der festen Vorspannung ist (die von dem Potentiometer 43 zugeführt wird). Jeder vom Ursprung aus eingetragene Stromvektor, der in der Fläche links von der Auslöselinie endet, führt gemäß der bekannten Leistungsrichtungseinheit zur Erzeugung eines Auslösesignales.

Es sei darauf hingewiesen, daß in Situationen, wo der durch den Netzwerkschutz fließende Strom stark kapazitiv ist, d.h. nahe bei aber etwas unter 270 liegt, die bekannte Leistungsrichtungseinheit kein Auslösesignal liefern kann.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung v/ird in der Leistungsrichtungseinheit eine variable Vorspannung zusammen mit einer festen Vorspannung erzeugt, um die Einheit mit einer Auslösecharakteristik zu versehen, die eine größere Empfindlichkeit gegenüber stark kapazitiven Phasenströmen aufweist, als sie anderenfalls bei Verwendung einer festen Vorspannung allein bestehen würde.

Die variable Vorspannung verändert sich in Größe bzw. Amplitude und Phase und ist eine Funktion des Phasenwinkels des Stromes. Wenn sie mit einem festen Vorspannungssignal Y zusammengefaßt wird, versorgt sie die Leistungsrichtungseinheit mit einer Auslösecharakteristik, wie sie in Figur 9 gezeigt ist.

Die variablen Vorspannungssignale werden jeder Phase durch einen Teil der entsprechenden Schaltungen HA, HB und HC zugeführt.

Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, wird die Spannung V. der Phase A von einem Spannungskontrollgerät (Monitor) 16 überwacht. Ein Funktionsgenerator oder Phasenschieber 18 liefert ein Signal E., das die gleiche Frequenz aufweist wie die Spannung V., das aber mit

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90 Voreilung phasenverschoben ist. Das Signal E. dient als ein Modulierungssignal für den Modulator 14. Die Ausgangsgröße A des Dämpfungsreglers 13 ist eine Funktion des Phasenstromes I^ und dient als das Eingangssignal in den Modulator 14.

Der Modulator 14 arbeitet im Grunde als ein Schalter, der gestattet, daß die Eingangsspannung V. immer dann an seinem Ausgang anliegt, wenn das Modulierungssignal negativ ist, d.h. wenn die Phasenspannung zwischen 90° und 270° liegt.

Die Ausgangsgröße F. des Modulators 14 wird durch ein Tiefpaßfilter 19 geleitet, um ein Ausgangssignal Z. zu liefern, das der Mittelwert des Ausgangssignales E. ist.

Auf diese Art und Weise ist das Ausgangssignal F. des Modulators 14 immer dann null, wenn der Phasenstrom mit der Spannung gleichphasig ist oder um 180° nacheilt. Wenn der Phasenstrom der Phasenspannung um 90° nacheilt, ist der Mittelwert der Ausgangsgröße positiv, und wenn der Phasenstrom der Phasenspannung um 270° nacheilt, ist der Mittelwert der Ausgangsgröße negativ.

Figur 4 zeigt zahlreiche Wellenverläufe, die in demjenigen Teil der Leistungsrichtungseinheit erzeugt werden, der die variable Vorspannung für vier mögliche Phasenstromzustände liefert. Beispielsweise zeigt Fig. 4B den Zustand, in dem der Strom I. mit der Spannung V. gleichphasig ist, d.h. der Winkel 0 ist 0°.

Wie aus den Fig. 2 und 4A ersichtlich ist, wird die Spannung V_A in den Funktionsgenerator IP eingegeben, der ein Signal E. liefert, das in Bezug auf die Spannung V. um 90° voreilend verschoben ist. Dieses Signal arbeitet als das Modulierungssignal für den Modulator 14. Das Eingangssignal in den Modulator 14 besteht aus einem Signal A., das eine Funktion des Stromes I. ist. Das Signal A_A kann immer dann durch den Modulator 14 fließen, wenn das Modulierungssignal E_A negativ ist. Demgemäß hat das Ausgangs-

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signal E. die Form, die in Fig. 4B gezeigt ist. Dieses Ausgangssignal wird durch das Tiefpaßfilter 19 geleitet, um ein Signal Z^ zu·liefern, das der Mittelwert von E_A ist. Wie aus der Figur hervorgeht, ist für G = O auch Z. = O. Die Schaltungen HB und HC arbeiten in der gleichen Weise und demzufolge sind Z_D und Z-, gleich null, wenn I_ß mit Vg und I_ mit V_c in Phase sind.

Da die Signale Z. , Z_R und Zp zusammen mit dem festen Vorspannungssignal Y und den Signalen X^, X_ß und Xp als Eingangssignale in den Addierer 20 gegeben werden, sei darauf hingewiesen, daß, wenn O=O ist, die einzigen Eingangsgrößen in den Addierer Y und X^, X_ß und Χ-, sind, da die variablen Vorspannungssignale null sind. Bei O = 0° ist demzufolge die Auslösecharakteristik der erfindungsgemäßen Leistungsrichtungseinheit die gleiche wie bei der bekannten Einheit. In ähnlicher Weise ist bei O = 180° das variable Vorspannungssignal null und die Auslösecharakteristik ist ebenfalls die gleiche wie bei der bekannten Einheit.

Wenn der Strom in jeder Phase der Spannung in der gleichen Phase um 90 nacheilt, wird ein positives, variables Vorspannungssignal erzeugt und dem Addierer 20 zugeführt. Wie aus Fig. 4C ersichtlich ist, ist beispielsweise das Signal A., das eine Funktion des Stromes I. ist, zwischen 90° und 270° positiv und negativ zwischen 0° und 90°, sowie zwischen 270° und 360°. Demzufolge hat, da das Signal A^ nur durch den Modulator 14 geleitet wird, wenn die Spannung V_A zwischen 90° und 270° liegt, das Ausgangssignal F^ die in Fig. 4C dargestellte Form, d.h. es ist positiv zwischen 90° und 270° und zu allen anderen Zeiten etwa gleich null, und der Durchschnittswert Z, davon ist positiv. In ähnlicher Weise ist der Mittelwert der Ausgangssignale von den Schaltungen HB und HC ebenfalls positiv und somit ist die gesamte variable Vorspannung, die in den Addierer 20 eingegeben wird, positiv.

Die positive variable Vorspannung in Zusammenwirkung mit der positiven festen Vorspannung Y in dem Addierer dient zur Verschiebung

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der Auslösecharakteristik der Leistungsrichtungseinheit weiter nach links von der O0°-Linie als dies bei der bekannten Anordnung der Fall sein würde. Dies wird deutlich, wenn man sich vergegenwärtigt, daß für den erfindungsgemäßen Polaritätsdetektor, damit dieser ein Auslösesignal liefert, die Surone eier Signale X., X„ uaü X^,, die ein Maß des Leistungsflusses sind, negativer sein muß als die Summe der positiven festen und variablen Vorspannungssignale.

\ie η η der Strom in jeder Phase der Phasenspannung um 270 nacheilt, wird ein negatives variables Vorspannungssignal erzeugt, und dem Addierer 20 zugeführt. Wie beispielsweise aus Fig. 4E ersichtlich ist, ist das Signal A., das eine Funktion des Stromes I. ist, positiv zwischen 0 und ^Γ)0 sowie zwischen 270 und 360 und negativ zwischen °0° und 270°. Da das Signal A. nur dann durch den Modulator 14 gelassen wird, wenn die Spannung V. zwischen Π0° und 270 liegt, hat das Ausgangssignal F. demzufolge die in Fig. 4E gezeigte Form, d.h. negativ zwischen ^O und 270 und zu allen anderen Zeiten etwa null, und der Mittelwert Z. davon ist negativ. In einer ähnlichen V/eise ist der Mittelwert der Ausgangssignale von den Schaltungen HB und HC ebenfalls negativ und somit ist die gesamte variable Vorspannung, die dem Addierer 20 zugeführt wird, negativ.

Die negative variable Vorspannung, die dem Addierer zugeführt wird, hat die Neigung, die positive feste Vorspannung zu verschieben und somit dazu zu dienen, daß die Auslösecharakteristik der erfindungsgemäßen Leistungsrichtungseinheit nach rechts von der 270°-Linie verschoben wird. Demzufolge ist die Leistungsdichtungseinheit in der Lage, ein Auslösesignal zu liefern, wenn der Phasenstrom stark kapazitiv ist. Der in Fig. 9 gezeigte Stromvektor

I. ist eine Darstellung für diesen Zustand. Es sei darauf hinge-

wiesen, daß ohne die variable Vorspannung, wie sie erfindungsgemäß geschaffen wird, der Vektor I_A vollständig außerhalb der

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Auslösecharakteristik liegen würde, wie sie durch die bekannte Anordnung gemäß der US-Patentschrift 3 532 935 definiert wird.

Wie aus Fig. 0 ersichtlich ist, ist die Auslösecharakteristik der erfindungsgemäßen Leistungsrichtungseinheit in der unmittelbaren Nähe des Ursprungs ähnlich wie in der bekannten Anordnung. Auf die se Weise ist die Gefahr einer falschen Auslösung auf ein Minimum herabgesetzt, wenn nicht sogar ausgeschlossen. Um diesen Zweck zu erreichen, sind die variablen Vorspannungssignale, die erzeugt werden, immer dann äußerst klein, wenn sich der Phasenstrom auf niedrigen Werten befindet, unabhängig von dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung, und sie werden von dem festen Vorspannungssignal überschattet. Eine detaillierte Erläuterung dieses Merkmales der erfindungsgemäßen Leistungsdichtungseinheit erfolgt später.

Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild und zeigt einige Bauteile, die in dem funktionellen Blockbild gemäß Fig. 2 gezeigt sind. Wie hieraus hervorgeht, weist das Spannungskontrollgerät einen Spannungstransformator PT mit zwei Sekundärwicklungen PTl und PT2 auf. Die Enden der Sekundärwicklung PTl liefern die positiven und negativen Modul ierungssignale (+C, -C) für den Modulator 15. Das Eingangssignal B. für den Modulator wird von dem Stromkontrollgerät 12 und dem Dämpfungsregler 13 geliefert.

Das Stromkontrollgerät 12 weist einen Stromtransformator CT mit einer einzigen Sekundärwicklung CTl auf. Der Dämpfungsregler ist den Ausgangsklemmen der Sekundärwicklung CTl parallel geschaltet und weist ein Spannungsüberschlagselement oder Thyrit T auf, das der Reihenschaltung aus einem Widerstand Rl und der parallelen Anordnung von einem Widerstand R2 und zwei umgekehrt gepolten Dioden Dl und D2 parallel geschaltet ist. Das über dieser Reihenschaltung auftretende Spannungssignal ist sinusförmig und mit B. bezeichnet. Es dient als das Eingangssignal in dem Modulator 15.

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Das über dem Widerstand R2 auftretende Spannungssignal ist mit A. bezeichnet und ist entweder sinusförmig oder eine abgekappte Sinusform. Es dient als das Eingangssignal in den Modulator 14. Der Thyrit ist dafür vorgesehen, den Modulator vor einer Beschädigung durch Spannungsstöße zu schützen. Zu diesem Zweck ist er so ausgelegt, daß er bei Vorhandensein eines derartigen Spannungsstoßes überschlägt oder leitend wird.

Der Dämpfungsregler 13 liefert bei kleinen Werten des Phasenstromes eine hohe Verstärkung und bei großem Wert des Phasenstromes eine niedrige Verstärkung. Beispielsweise erscheinen für niedrige Werte von I., wenn beispielsweise ein Magnetisierungsstrom von dem Netzwerk in den Netztransformator fließt, die Dioden Dl und D2 als offene Zweige und demzufolge erscheint das Signal B^ über der Reihenschaltung der Widerstände Rl und R2. Wenn der Phasenstrom I groß ist, leiten die Dioden Dl und D2, woraufhin das Signal B nur über de;n Widerstand Rl auftritt. Vorzugsweise ist der Widerstand R2 mehrere Male größer als der Widerstand Rl, wobei er jedoch trotzdem ein kleiner Widerstand ist (beispielsweise 75 Ohm), so daß die Reihenschaltung'der Widerstände Rl und R2 keine große Belastung für die Sekundärwicklung CTl darstellt. Bekanntlich kann eine starke Belastung oder Bürde für die Sekundärwicklung des

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Stromtransformators aufgrund der Wirkung'des Magnetisierungsstromes zu Fehlern führen.

Als eine Eingangsgröße in den Modulator 15 ist ein sinusförmiges Spannungssignal B. vorgesehen. Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, weist der Modulator 15 vier Dioden D4, D5, D6 und D7 auf, die in einer Brückenschaltung verbunden sind. Das Signal B. wird demjenigen Schenkel der Brückenschaltung zugeführt, der die Dioden D4 und D5 aufweist, und die Ausgangsgröße D. wird von den Schenkeln D6 und D7 abgenommen. Die Modulierungsspannungen +C und -C sind über Widerstände R6 bzw. R7 mit den Schenkeln verbunden, die die Dioden D4 und D6 sowie die Dioden D5 und D7 enthalten.

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Wenn +C positiv ist, sind alle Dioden in Durchlaßrichtung vorgespannt. Infolgedessen kann das Eingangssignal B. durch einen der zwei Zweige fließen; über die Dioden D4 und D6 oder über die Dioden D5 und D7. Im Effekt ist der Modulator kurzgeschlossen und das Eingangssignal B. erscheint als Ausgangsgröße D.. Wenn +C negativ wird, sind alle Dioden in Sperrichtung vorgespannt und am Ausgang ist kein Eingangssignal B. vorhanden, so daß D. gleich null ist.

Der Modulator weist ferner eine Diode D8 auf, die mit einer entgegengesetzt gepolten Zenerdiode ZD2 in Reihe geschaltet und den Dioden D4-D5 sowie D6-D7 parallel geschaltet ist. Die Funktion der Diode Df und der Zenerdiode ZD2 besteht darin, die an die Mo-* dulatordioden angelegte Sperr- bzw. Rückwärtsspannung zu begrenzen.

Das Ausgangssignal D^, das eine Anzeige bzw. ein Maß des Leistungsflusses durch den Netzwerkschutz ist, wird durch ein Tiefpaßfilter 17 geleitet, um ein Ausgangssignal X» zu liefern, das der Mittelwert des Signales D. ist.

Die Filterschaltung 17 enthält Widerstände R8, RO und RIO sowie Kondensatoren C3 und C4. Selbstverständlich können auch anders aufgebaute Filter verwendet werden, vorausgesetzt, daß ihre Dämpfung bei der Netzfrequenz von 60 (50) Hz ausreicht, um sicherzustellen, daß nur das Mittelwertsignal B. an die Addierschaltung 20 geliefert wird.

Das Ausgangssignal A. von dem Dämpfungsregler wird über dem Widerstand R2 gebildet und besteht normalerweise aus einem abgekappten sinusförmigen Signal, ähnlich wie das in Fig. 4B bis 4E gezeigte. Dies geschieht in der folgenden Weise: Wenn die Größe des durch die Phase A fließenden Wechselstromes einen gewissen Wert annimmt (d.h. den Wert, an dem die Diode Dl ode? D2 zu leiten beginnt), bewirkt das über dem Widerstand R2 auftretende transformierte Signal, daß entweder die Diode Dl oder D2 zu leiten beginnt,

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woraufhin das transformierte Signal abgekappt wird, um ein Ausgangssignal A zu bilden. In Fällen, wo der Phasenstrom äußerst klein ist, leiten die Dioden Dl und D2 nicht und das Signal|A_A nimmt eine sinusförmige Form an, deren Amplitude jedoch recht klein ist.

In jedem Fall wird das Signal A. als Eingangsgröße zum Modulator geliefert. Das Modulierungssignal für diesen Modulator wird über die Sekundärwicklung PT2 des Spannungstransformators und den Funktionsgenerator oder Phasenschieber lft zugeführt. Es ist ersichtlich, daß der Funktionsgenerator 18 einen Kondensator Cl aufweist. Demzufolge wird der Strom von der Sekundärwicklung PT2, der durch den Kondensator Cl zum Modulator 14 fließt, in bezug auf die Phasenspannung um 00 voreilend phasenverschoben. Das Stromsignal E. wird der Basis eines Transistors Ql in dem Modulator 14 zugefü->rt. Der Transistor Ql ist so angeordnet, daß er immer dann leitend gemacht wird, wenn der Basisstrom E^ positiv ist. Zu diesem Zweck wird das Eingangssignal A. über einen Strombegrenzungswiderstand R3 zum Emitter des Transistors Ql zugeführt, dessen Kollektor mit Masse bzw. Erde in Verbindung steht. Somit wird deutlich, daß immer dann, wenn der Transistor Ql durch den Basisstrom E. leitend gemacht ist (d.h. wenn die Phasenspannung V. zwischen O und 90° sowie zwischen 270 und 360 liegt), das Signal A. nach Masse abgeleitet wird und das Ausgangssignal F. des Modulators etwa null Volt beträgt. Während des Intervalles, in dem der Strom E. negativ ist (d.h. wenn die Phasenspannung V. zwischen 90 und 270° liegt), gestattet der Modulator den Durchfluß des Signales E^, damit dieses als ein Ausgangssignal F. erscheint.

Zwischen die Basis und den Kollektor des Transistors Ql ist eine Rücken-an-Rücken-ReihenschaTtung von einer Diode D3 und einer Zenerdiode ZD eingeschaltet. Diese Reihenschaltung stellt sicher, daß die Basis des Transistors Ql so negativ werden kann, wie der maximale negative Ausschlag des Signales A..

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Das Ausgangssignal F -wird durch ein Tiefpaßfilter 19 geleitet, das aus einem Widerstand R4 und einem Kondensator C2 besteht, um ein Signal Z^ zu liefern, das der Mittelwert des Ausgangssignales F/ist.

Das Mittelwertsignal Z^ wird als ein Eingangssignal an die Addierschaltung 20 geliefert, in ähnlicher Weise werden das Mittelwertsignal Z₁,, das durch die Schaltung HB erzeugt wird, und das Mittelwertsigna] Z^,, das durch die Schaltung HC erzeugt wird, als Eingangssignale an den Addierer geliefert. Wie vorstehend erläutert wurde, sind die Mittelwertsignale Z^, Z_ß und Z_c die variablen Vorspannungssignale der erfindungsgemäßen Leistungsrichtungseinheit. Die Signale X., X_ß und Xp. die von der Leistungsrichtungseinheit geliefert werden und die eine Anzeige für den Leistungsfluß durch den Netzwerkschutz sind, und das feste Vorspannungssignal Y werden ebenfalls als Eingangsgrößen in die Addierschaltung 20 eingegeben.

Vt'ie aus Fig. 3 hervorgeht, weist die Addierschaltung 20 sieben Widerstäide auf, nämlich die Widerstände RH, R12, R13, R14, RlP und R16, die in einer Kirchhoff'sehen Addierschaltung angeordnet sind. Demzufolge ist das Ausgangssignal 0 des Addierers die algebraische Summe seiner Eingangssignale.

Das Ausgangssignal wird dem Polaritätsdetektor 21 als Eingangsgröße zugeführt . Der Polaritätsdetektor ist, wie bereits erwähnt wurde, so gestaltet, daß er 'immer dann ein Auslösesignal liefert, wenn das Eingangssignal 0 negativ ist. Zu diesem Zweck weist der Polaritätsdetektor einen Operationsverstärker OA mit zwei Eingängen auf, von denen der eine Eingang das Signal 0 erhält und der andere Eingang mit Erde bzw. Masse verbunden ist. Ein Widerstand R 17 ist dem Verstärker parallel geschaltet und legt dessen Verstärkung fest. Ein Kondensator CP ist dem Widerstand R17 parallel geschaltet, um ,jeden Welligkeits- oder Brummstrom zu

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eliminieren. Um eine Sättigung des Verstärkers zu verhindern, sind diesem weiterhin ein paar Rücken-an-Rücken geschalteter Zenerdioden ZD3 und ZD4 parallel geschaltet.

Das von dem Verstärker erzeugte Auslösesignal dient zur Betätigung der Auslösespule des Netzwerkschutzes, woraufhin dessen Hauptkontakte geöffnet werden, um den Netztransformator vom Netz zu trennen.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist es wünschenswert, in der unmittelbaren Nähe des Ursprunges, d.h. für kleine Werte des Phasenstromes I, eine ähnliche Auslösecharakteristik wie in der bekannten Anordnung gemäß der US-Patentschrift 3 532 935 zu haben, damit der Netzwerkschutz nicht bei gewissen falschen Zuständen öffnet, d.h. aufgrund von Rauschen oder einem leichten Generatorbetrieb von Motoren usw. auslöst. Dies wird durch die erfindungsgemäße Leistungsrichtungse^nheit in der folgenden Weise erreicht: Wenn die Größe bzw. Amplitude des Phasenstromes äußerst klein ist, ist das sinusförmige Signal A., das von dem Funktionsgenerator 13 erzeugt wird, von einer derart kleinen Amplitude im Vergleich zur Amplitude des festen Vorspannungssignales, daß, selbst wenn es als ein variables Vorspannungseingangssignal durch den Modulator 14 fließen könnte, es nicht die Wirkung haben wird, die Auslösecharakteristik zu verändern, die durch die feste Vorspannung definiert ist. Demzufolge ist der Abschnitt Pl der in Fig. 0 gezeigten erfindungsgemäßen Auslösecharakteristik (dieser Abschnitt zeigt äußerst niedrige Phasenstromwerte an) der gleiche, wie in der Charakteristik der bekannten Anordnung.

Wenn die Amplitude des Phasenstromes ansteigt, so steigt auch die Amplitude des sinusförmigen Signales A. an, bis es durch eine der beiden Dioden Dl oder D2 abgekappt wird. Wenn deshalb die Spitzenamplitude des Signales A. etwas kleiner als der Wert ist, bei dem die Abkappung auftritt, bewirkt derjenige Abschnitt des Signales Α., der durch den Modulator fließen kann, eine gewisse Veränderung der Auslösecharakteristik, der durch die feste Vor-

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Spannung festgelegt ist, d.h. es tritt eine gewisse Verschiebung der Auslösecharakteristik auf. Demzufolge beginnt der Abschnitt P2 der erfindungsgemäßen Auslösecharakteristik, der Phasenstromwerte zwischen dem Punkt anzeigt, an dem die Dioden Dl und D2 zu leiten beginnen, von der Charakteristik der bekannten Anordnung abzuweichen. Der Grund hierfür ist der beginnende Einfluß der variablen Vorspannung. Wenn der Phasenstromwert die Größe erreicht, an dem die Dioden Dl und D2 leiten, erreicht das variable Vorspannungssignal seine maximale Größe als eine Funktion der Phasennacheilung zwischen dem Phasenstrom und der Phasenspannung. Demzufolge zeigt der Abschnitt P3 der erfindungsgemäßen Auslösecharakteristik, der Phasenstromwerte oberhalb desjenigen Punktes anzeigt, an dem die Dioden Dl und D2 zu leiten beginnen, einen festen Abweichungsbetrag, der gleich dem Betrag der variablen Vorspannung an diesem Wert von 0 von der Charakteristik der bekannten Anordnung ist.

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Claims

Pa tentansprüche

Statisches Relais, das auf die Richtung des elektrischen Leistungsflusses in einem Wechselspannungsnetz anspricht, gekennzeichnet durch eine erste Anordnung (12, 13) zur Ableitung eines ersten und zweiten Wechselspannungssignales (A, B) von dem Netz, die dem Stromfluß im Netz proportional sind, eine zweite Anordnung (15, 17) zur Modulierung des ersten Wechselspannungssignales (B) gemäß der Polarität eines dritten Wechselspannungssignales (C), das der zugehörigen Netzspannung proportional ist, wobei die Modulierungsanordnung (15, 17) ein erstes Ausgangssignal (X) erzeugt, dessen Mittelwert der Größe und dem Vorzeichen o^r wahren, im Netz fließenden Leistung proportional ist, eine Anordnung (14, 10) zur Erzeugung eines variablen Vorspannungssignales (Z), dessen Größe und Polarität eine Funktion des Phasenwinkels zwischen der Netzspannung und dem Netzstrom sind, und eine auf das erste Ausgangssignal (X) ansprechende Anordnung (20, 21) zur Lieferung eines Auslösesignales, wenn der Mittelwert des ersten Ausgangssignales (X) einen festgelegten Wert erreicht, der eine Funktion des Mittelwertes des variablen Vorspannungssignales (Z) ist.

2. Statisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Anordnung zur Erzeugung eines festen Vorspannungssignales (Y) vorgesehen ist, wobei der festgelegte Wert eine Funktion des Mittelwertes des variablen Vorspannungssignales (Z) und dem Wert des festen Vorspannungssignales (Y) ist.

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3. Statisches Relais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß dann ein maximales variables Vorspannungssignal (Z) erzeugbar ist, wenn der Netzstrom in bezug auf die Netzspannung einen Winkel von 270° aufweist

Statisches Relais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das variable Vorspannungssignal (Z) erzeugende Anordnung eine dritte Anordnung (18) zur Ableitung eines vierten Wechselspannungssxgnales (E)_; das der Netzspannung um etwa 90° voreilt, und eine vierte Anordnung (14) aufweist zur Modulierung des zweiten Wechselspannungssignales (B) gemäß der Polarität des vierten Wechselspannungssxgnales (E), wodurch das variable Vorspannungssignal (Z) erzeugbar ist.

5. Statisches Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Anordnung eine Brückenschaltung mit Dioden (D4-D7) aufweist, die das erste Wechselspannungssignal (B)' zum Ausgang leiten, wenn das dritte Wechselspannungssignal (C) eine vorbestimmte Polarität besitzt.

6. Statisches Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die vierte Anordnung (14) einen Schalter (QI.) aufweist, der bei Durchgang verhindert, daß das zweite Wechselspannungssignal (A) durch die Anordnung (14) fließt, wobei der Schalter eine Steueranordnung aufweist, der das vierte Wechselspannungssignal (E) zugeführt ist.

Statisches Relais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die das variable Vorspannungssignal (X) erzeugende Anordnung zusätzlich ein Filter (19)

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aufweist zur Filterung des variablen Vorspannungssignales, so daß ein Signal (Z) erzeugbar ist, das der Mittelwert des variablen Vorspannungssignales (X) ist.

Statisches Relais nach Anspruch 4, dadurch g c I G η η ζ e i c h η e t . daß zusätzlich eine die Signale (X, Y, Z) zusammenfassende Anordnung (20) zur Lieferung eines zweiten Ausgangssignales (O), das die algebraische Summe in Vorzeichen und Größe des Mittelwertes des ersten Ausgangssignales (X), des Mittelwertes des variablen Vorspannungssignales (Z) und des V/ertes des festen Vorspannungssignales (Y) ist, und eine Anordnung (21) zur Lieferung eines Auslösesignales vorgesehen ist, wenn das zweite Ausgangssignal (O) eine vorbestimmte Polarität besitzt.

Statisches Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Anordnung (12) ein Stromkontrollgerät aufweist, das mit einem Funktionsgenerator (13) verbunden ist, der einen ersten Widerstand (Rl) aufweist, der mit einer Parallelschaltung aus einem zweiten Widerstand (R2) und einem Paar antiparallel geschalteter Dioden (Dl, D2) in Reihe geschaltet ist, wobei das erste Wechselspannungssignal (B) über der Reihenschaltung aus dem ersten Widerstand (Rl) und dem zweiten Widerstand (R2) und das zweite Wechselspannungssignal (A) über dem zweiten Widerstand (Rl) geliefert wird.

10. Statisches Relais nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Widerstand (R2) einen größeren Widerstandswert besitzt als der erste Widerstand (Rl).

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Statisches Relais nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Stromkontrollgerät (12) ein Stromtransformator ist.

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