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Vorrichtung zur 1VIessung des Wirk- oder Blindwiderstandes eines Stromkreises,
insbesondere für Leitungsschutzzwecke Es sind Meßgeräte und insbesondere auch Leitungsschutzrelais
bekannt, bei welchen sich ein Zeiger oder Kontaktarm-entsprechend der Größe des
Verhältnisses je einer Funktion der Spannung und der Stromstärke dieses Stromkreises
einstellt. Da diese Geräte einen größeren Meßbereich beherrschen sollen, ist ihre
Genauigkeit in der Nähe der Nullstellung, d. h. im Falle eines Kurzschlusses, nicht
sehr hoch. Wenn ein solches Relais bei einem bestimmten Wert des Widerstandes einen
Kontakt schließen soll, muß man auf genaues - Arbeiten vollends verzichten, weil
das System bei genauer Einstellung keine Kraft zum Schließen eines Kontaktes aufbringen
kann. Man hat auch Meßverfahren vorgeschlagen, bei denen eine Hilfsspannung benutzt
wird und bei denen die Induktivität oder Kapazität einer Leitungsstrecke durch einstellbare
Blindwiderstände derart ergänzt wird, daß ein wattmetrisches Gerät das Verschwinden
der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung in der Leitungsstrecke anzeigt.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß außer einer Stromquelle für die Hilfsspannung,
je nachdem, ob, wie nicht vorauszusehen ist, der Blindwiderstand der Leitung überwiegend
induktiv ist, z. B. bei Kurzschluß, oder kapazitiv, z. B. bei Leiterbruch, kapazitive
oder induktive Ergänzungswiderstände in abgestuften Größen vorhanden sein müssen.
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Die im folgenden beschriebene Anordnung zur Messung des Wirk- oder
Blindwiderstandes eins Stromkreises besitzt nahezu die Empfindlichkeit einer Nullmethode
und ist trotzdem in der Lage, vermittels einer Hilfskraft Arbeitsstromkreise mit
gutem Kontaktdruck zu schließen; sie ist dabei einfach zu handhaben, weil nur ein
einziger beweglicher Teil zu verstellen ist. Diese Einstellung kann von Hand oder
selbständig erfolgen. Die Anordnung kann im letzten Falle auch als Schutzrelais
verwendet werden. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung besitzt ein dynamometrisches
Gerät, in dem ein Stromfeld in Phasengleichheit mit dem Strom des Stromkreises und
ein Spannungsfeld zusammenwirken, das von der Differenz zweier Spannungen erregt
wird, von denen die eine die Phase des Stromes hat und die andere bei Messung -des
Wirkwiderstandes mit der Phase der Spannung übereinstimmt bzw. bei Messung des Blindwiderstandes
um 9o° gegen diese versetzt ist. Bei Ausführung der Messung wird der Ausschlag des
dynamometrischen
Gerätes auf den Wert Null eingeregelt. Beide Felder
des dynamometrischen Gerätes bleiben dabei erregt, so daß das Meßgerät dann anzeigt,
daß zwischen den zwei Feldern eine Phasenverschiebung von 9o° herrscht.
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Die Stromspule des dynamometrischen Gerätes, z. B. eines Wattmeters,
kann von dein im Stromkreis fließenden Strom unmittelbar oder über einen Wandler
oder auf eine sonstige beliebige Art derart erregt «-erden, daß sie ein mit dem
Strom gleichphasiges Feld hervorruft. Das Spannungsfeld wird von der Differenz zweier
Spannungen erregt. Diese Differenz erhält man am einfachsten durch Gegeneinanderschalten
der beiden Spannungen; man kann aber auch einen Zwischenwandler oder ein Meßgerät
mit zwei voneinandergetrennten Spannungsspulen benutzen, Wenn der Wirkwiderstand
des Stromkreises gemessen werden soll, wird die Spannungsspule von der Differenz
zwischen einem mit dem Strom und einem mit der Spannung gleichphasigen Spannungsvektor
erregt. Wenn dagegen der Blindwiderstand gesucht wird, so tritt an Stelle des mit
der Spannung gleichphasigen Vektors einer, der dagegen um 9o° verdreht ist. Die
Phasenlage der die Spannungsspule des Wattmeters erregenden Differenzspannung wird
durch einen regelbaren Widerstand beeinflußt, durch dessen Verstellung die Größe
einer der beiden voneinander zu subtrahierenden Spannungen so lange geändert wird,
bis die Differenzspannung senkrecht zur Phase des Stromes gerichtet ist.
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Als Beispiel für die Anwendung des Erfindungsgedankens zeigt die Abb.
i ein Leitungsschutzrelais, dessen Abschaltzeit dem Blindwiderstand des geschützten
Stromkreises proportional ist. Dieser Stromkreis ist durch die Leitung S und T angedeutet.
Der Strom I und die Spannung E werden über die Wandler i und 2 der Relaisanordnung
zilgeleitet. Aus der Sekundärwicklung des Stromwandlers i fließt der Strom durch
eine Stromspule 3 eines Wattmeters und einen Ohmschen Widerstand :I, in dem er einen
phasengleichen Spannungsabfall hervorruft. Im Sekundärkreis des Spannungswandlers
z liegt die Primärwicklung eines Kopplungstransformators 5, ein Kondensator 6 und
eine Drosselspule 7. Die Sekundärspannung des Kopplungstransformators 5 ist gegen
die Netzspannung um 9o° verdreht. Die in der Sekundärwicklung des Kopplungstransformators
5 entstehende Spannung ist die eine von den zwei Spannungen, die geometrisch voneinander
subtrahiert, das Spannungsfeld des Wattmeters hervorrufen. Die andere Spannung ist
ein Teil des vom Strom im Widerstand q. hervorgerufenen Spannungsabfalles. Das eine
Ende der Sekundärwicklung des Kopplungstransformators 5 ist mit einem Punkt io des
Widerstandes 4 leitend verbunden und an das andere Ende dieser Span-' nungsspule
8 angeschlossen. Das andere Ende dieser Spannungsspule 8 ist über einen Schiebekontakt
9 an der Ohmschen Widerstand d. angeschlossen. Dadurch sind im Erregerkreis der
Spannungsspule 8 die Sekundärspannung des Kopplungstransformators und der in dem
Widerstandsteil y zwischen dem Punkt io und dem Schiebekontakt 9 entstehende Spannungsabfall
I # r derart hintereinandergeschaltet, daß in der Spannungsspule 8 ihre Differenz
zur Wirkung kommt. Der Schiebekontakt 9 kann mittels einer von einem Motor ii angetriebenen
Gewindespindel 12 und einer Wandermutter 13 verstellt werden, und es läßt sich zeigen,
daß die Größe r dein Blindwiderstand des Stromkreises dann proportional ist, wenn
die Erregungen der Wattmeter spulen 3 und 8 gegeneinander um 9o° verschoben sind.
Dies wird später mit Hilfe der Abb.2 erläutert werden. Das bewegliche System des
Wattmeters besitzt einen Kontaktarm mit einem Kontakt 1q., der, solange die Phasenverschiebung
zwischen den beiden Spulenfeldern nicht genau 9o° beträgt, einen Kontakt 15 oder
16 schließt. Über diese Kontakte kann der Motor i i derart an eine Spannungsquelle
17 angeschlossen werden, daß er den Schiebekontakt 9 in die richtige Stellung bringt.
Sobald der richtige Betrag r eingestellt ist, unterbricht der Kontaktarm 14 dann
den Motorstromkreis am Kontakt 15 oder 16. Die Stellung des Schiebekontaktes 9 ist
eindeutig der Größe des induktiven oder kapazitiven Widerstandes des Stromkreises
zugeordnet, und dieser Wert kann daher auf einer Skala angezeigt werden. Je nachdem,
ob der Blindwiderstand induktiv oder kapazitiv ist, stellt sich der Schiebekontakt
links oder rechts vom Punkt io des Widerstandes .4 ein. Wenn der Widerstand einer
Leitung nur einmal oder nur von. Zeit zu Zeit gemessen werden soll, kann die Verstellung
des Schiebekontaktes 9 anstatt durch den Motor i i auch von Hand erfolgen. Wenn
die Anordnung dagegen als Fehlerortsrelais dienen und bei Kurzschluß die Abschaltung
des Stromkreises herbeiführen soll, so muß die Stellung des Schiebekontaktes in
jedem Augenblick der tatsächlichen Größe des Widerstandes entsprechen, was durch
den Motor i i bewirkt wird. Durch die Wandermutter 13, welche den Schiebekontakt
9 trägt, oder auch, wie- dargestellt, durch eine zweite Wandermutter 18 kann der
Stromkreis eines Auslösemagneten ig für einen Leitungsschalter 2o bei 27 geschlossen
werden,
wenn der dem Blindwiderstand des Stromkreises proportionale Teil r des Ohmscheu
Widerstandes 4. klein genug wird.
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Die Wandermutter 13 trägt noch einen zweiten Schleifkontakt 21, der
auf einer Kontaktschierte 22 schleift. Nur über die Kontaktschierte 22 und den Kontakt
21 kann der Kontakt 16 des Wattmesser, an die Batterie 17 angeschlossen werden.
Der Kontakt 16 sei nun derjenige Kontakt, an welchem das Wattmesser den Motor i
i derart einschaltet, daß die Wandermuttern. 13 und 18 sich nach links bewegen.
Die Wandermuttern können also nur so weit nach links bewegt weiden, als die Berührung
zwischen dem Schleifkontakt 21 und der Kontaktschiene 22 nicht verlorengeht. Zweckmäßig
ist die Kontaktschiene 2
vermittels einer Stellschraube 23 verstellbar angeordnet.
Dadurch läßt sich dann auch der Weg einstellen, den die Wandermutter 18 aus der
Ruhestellung heraus zurücklegen muß, ehe sie den Ausschaltstromkreis schließt. Da
andererseits = die Umlaufgeschwindigkeit des Motors i i konstant ist, kann durch
die Verstellung der Kontaktschiene 22 die Laufzeit des Relais und durch Einstellung
des Abstandes zwischen den beiden Wandermuttern 13 und 18 oder durch Einstellung
der Kontakte 27 des Auslösestromkreises der Grenzwert desjenigen Widerstandes eingestellt
werden, bei dem die Abschaltung des Stromkreises erfolgen soll.
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Man kann das Ansprechen des Relais von dem Entstehen eines anormalen
Betriebszustandes im geschützten Stromkreis abhängig machen, indem man, wie in der
Abb. i beispielsweise dargestellt ist, ein Spannungsabfallrelais 24 derart anordnet,
daß der Motor i i nur dann über den Kontakt 15 eingeschaltet werden kann, um die
Wandermuttern 13 I und 18 nach rechts zu verstellen, wenn durch den Anker 25 des
Spannungsabfallrelais eine Unterbrechung 26 des :Motorstromkreises überbrückt wird.
Relais 2q. braucht natürlich nicht ein Spannungsabfallrelais zu sein; an seine Stelle
kann jedes Überstrom-, Unsymmetrie-, Impedanz- oder Energierichtungsrelais treten.
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Als Beispiel ist auch zu betrachten, daß bei der Einrichtung der vorn
Leitungsstrom durchflossene Widerstand q. geändert wird; auch die Größe der im Kopplungstransformator
erzeugten Spannung kann bei der Einregelung geändert werden, z. B. durch einen Ohmschen
Widerstand auf der Primärseite dieses Transformators.
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Die Schaltung für die Messung des Wirkwiderstandes unterscheidet sich
von der gezeichneten nur dadurch, daß im Spannungskreis der Kondensator 6 und die
Drosselsl-)ule 7 fehlen. Die Wirkungsweise der Schaltung werde mit Hilfe des Vektordiagrammes
in Abb. 2 erläutert. Der Vektor der Spannung E liegt horizontal, und der des Stromes
habe die Richtung von J. Zur Messung des Blindwiderstandes wird eine Spannung e,
senkrecht zur Richtung von E gebildet, und von dem Spannungsabfall, den der Strom
J im Widerstand 4. hervorruft, wird bei der richtigen Einstellung des Schiebekontaktes
9 ein Teil Jr, von solcher Größe abgegriffen, daß die Differenzspannung d, senkrecht
auf der Richtung des Stromes steht. Der Wattmeterausschlag wird dann gleich Null.
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Für -die Messung des Ohmschen Widerstandes wird die Spannung e", welche
phasengleich mit der Spannung E ist, und eine Spannung Jr" von solcher Größe gegeneinandergeschaltet,
daß die Differenzspannung d" wiederum senkrecht auf der Richtung des Stromes J steht.
Es ist. wie aus der Abb. 2 hervorgeht,- ebenfalls möglich, an Stelle des Ohmschen
Widerstandes r - die Größe der Spannungen e, bzw. e" zu regeln, welche den
Kopplungstransformator erregen.
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Da nach der vollzogenen Abstimmung der. Anordnung die Größe der in
den Spulen des wattmetrischen Relais fließenden Ströme belanglos ist, kann es zweckmäßig
sein, der Spannungsspule 8 zum Schutz gegen Überlastung einen mit dem Strom wachsenden
Ohmschen Widerstand, z. B. eine Metalldrahtlarnpe, vorzuschalten; in Abb. i ist
eine solche in der Verbindungsleitung zwischen Punkt io des Ohmschen Widerstandes
q. und der Sekundärspule des Kupplungstransformators 5 bei 30 gestrichelt
dargestellt.