DE519520C - Wattmetrische Richtungsrelaisanordnung fuer den UEberstromschutz von elektrischen Kraftverteilungsanlagen - Google Patents

Description

Für den Selektivschutz von Drehstromanlagen werden vielfach in zwei oder drei Phasen einpolige Rückstromrelais eingebaut, welchen die Aufgabe zukommt, nur dann die Auslösung freizugeben, wenn eine Umkehrung der Energierichtung stattfindet. Es sind aber bei Verwendung von einpoligen Relais sehr viele Störungsfälle möglich, für welche einpolige Relais eine Auslösung bewirken können, trotzdem keine Umkehrung der Energierichtung stattfindet, wodurch die Selektivität des ganzen Leitungsschutzes in Frage gestellt würde.

Störungen verursachen bekanntlich in Drehstromanlagen meistens eine starke Verzerrung des Stromdreiecks und in der Nähe des Kurzschlußortes zudem noch eine Verzerrung des Spannungsdreiecks. Es ist in der Wechselstromtheorie allgemein bekannt, Spannungen und Ströme, welche in einem ungeerdeten Drehstromsystem wirken, in ihre Mit- und Gegenkomponenten zu zerlegen, womit man sich in übersichtlicher Weise die Arbeitsweise von Rückstromrelais im Störungsfalle erklären kann.

Damit man das Wesen der vorliegenden Erfindung deutlich erkennen kann, sei für die allgemein bekannte Schaltung Fig. 1 die Arbeitsweise der Rückstromrelais im Störungsfalle näher erläutert. In jeder der drei Phasen des Generators G sind einpolige Rückstromrelais R₁, R₂, i?₃ eingebaut, deren Drehsysteme unabhängig voneinander auf je eine Kontaktvorrichtung arbeiten. Die Spannungsspulen sind in Stern an die Generatorspan- nung angeschlossen. Die Fig. 2 zeigt für einen unsymmetrischen Belastungsfall die drei Phasenströme J₁, J₂, J₃ der Größe und Phase nach; der Generator ist als unendlich groß angenommen, somit sind die Spannungen E₁, E₂, E₃ gleich groß und 120⁰ unter sich phasenverschoben. Für ein wattmetrisches Relais ist das Drehmoment im allgemeinen proportional b --E · J · cos (φ H- Θ), wobei Θ die innere Phasenverschiebung des Relais bedeutet, welche wir im folgenden gleich Null setzen wollen, so daß sich im gegebenen Betriebsfalle der Fig. 2 die Drehmomente der drei Relais wie folgt anschreiben lassen:

^i = E₁- J₁- cos ψ_χ b₂ = E₂- J., · cos φ₂

3 ~ 3 J 3 T'3'

Zerlegt man die drei Ströme in ihre Mit- und Gegenkomponenten gemäß Fig. 3, in der J₁I die Mit-, Jj die Gegenkomponenten bedeuten, dann kann man, indem man die gleiche

Zerlegung auch auf die Drehmomente ausübt, für jedes Relais das Drehmoment entsprechend der Mit- oder Gegenkomponente bestimmen. Man erhält auf diese Weise für die Drehmomente der Mitkomponenten:

^i₁ = E₁ · Jj₁ ■ cos <jy.

bd, = E_ä · Jd, · cos ψ j

i>4 — E₃ · J_d, · cos qy.

Diese Drehmomente sind sämtliche von derselben Größe, ihre Summe ist proportional der Leistung des Drehstromes, somit ist die Richtung des Drehmomentes jedes einzelnen Relais abhängig von der Energierichtung.

Die Gegenkomponenten bewirken hingegen folgende Drehmomente:

b_is = E₁ - Ji₁ · cos φ_;

hi, — £_a · Jf₂ ■ COS (φ,- -f 120°)

h = E₃ · Ji, · COS (120 — φι).

Diese Beziehungen zeigen, daß das Drehmoment der Gegenkomponente mindestens bei einem oder zwei Relais negativ wird, je nach der Größe des Winkels φ_;. Die Summe der drei Drehmomente ist für die Gegenkomponenten gleich Null,

Überwiegt für irgendeines der drei Relais das Drehmoment der Gegenkomponenten gegenüber der Mitkomponente, dann wird das betreffende Relais im Gegensatz zu den übrigen Relais auslösen, obschon keine Umkehrung der Energierichtung vorliegt. Daraus kann gefolgert werden, daß die Drehmomente der gegenläufigen Stromkomponenten Ursache von Fehlauslösungen sind.

Der Gegenstand vorliegender Erfindung bezweckt nun, diese gegenläufige Stromkomponente für das Rückstromrelais unwirksam zu machen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 4. Das Stromsystem des Rückstromrelais R ist in zwei getrennte, auf dasselbe Magnetsystem wirkende Wicklungen zerlegt, wovon jede mit einem Stromwandler W₁ und W, in Verbindung steht. Dem Stromwandler W_% ist auf der Sekundärseite ein Ohmscher Widerstand von einem solchen Ohmwert parallel geschaltet, 'daß der Strom i in der Relaisspule b um 6o° gegenüber dem Strome i_s nacheilt. Durch geeignete Wahl der Übersetzungsverhältnisse der Stromwandler W₁ und W₂ sowie auch durch zweckmäßige Wahl der Windungszahlen der Relaisspulen α und b wird erreicht, daß die wirksamen Amperewindungen der letzteren gleich groß sind. Die Spannungsspule e des Rückstromrelais liegt an der verketteten Spannung zwischen Klemme 1 und 2 des Generators G. In Fig. 5 ist das Vektordiagramm der obigen Schaltung für die Mitkomponenten der drei Phasenströme angegeben. Auf Stromspule α wirkt die Mitkom- ■ ponente des sekundären Stromes i_dl, wäh- \ rend auf die Stromspule b um 6o~ zeitlieh nach rückwärts gedreht die Mitkomponente ij wirkt; somit wird das Feld des Rückstromrelais durch die Summe der Mitkomponenten i_dl -\- i,i erregt. Das auf die Dreh- - spule ausgeübte Drehmoment ist dann proportional E₁₂ (i_dl + i_d) cos φ_ά, somit auch proportional der Gesamtleistung des Drehstromes. Da die Richtung des Drehmomentes nur von der Energierichtung abhängt, werden die Mitkomponenten nur bei Energieumkehr eine Auslösung des Relais bewirken können. In analoger Weise zeigt Fig. 6 das Vektordiagramm für die Gegenkomponenten. Die Stromspule α wird von der gegenläufigen Stromkomponente ^₁ erregt, die Spule b aber durch den Strom i_it welcher gegenüber dem Strom % um 60° nach rückwärts gedreht wird. Da die Windungszahlen der Spulen a und b so gewählt werden, daß die Amperewindungen gleich groß sind, so heben sich diese für die Gegenkomponente vollständig auf. Das Relais spricht somit auf die Gegenkomponente nicht an.

In ähnlicher Weise lassen sich auch noch weitere Schaltungen denken, welche die Aufhebung der Gegenkomponente in bezug auf das Rückstromrelais bezwecken.

In Kraftverteilungsanlagen kann aber auch der Fall eintreten, daß ein Fehler, wie z. B. ein Kurzschluß, zwischen zwei Phasen einer Fernleitung unmittelbar in der Nähe des Rückstromrelais vorkommt; so daß vom Generator bis zum Anschlußorte des Relais mit einem großen Spannungsabfalle zu rechnen ist, was an dieser Stelle eine große Verzerrung des Spannungsdreiecks zur Folge hat. Wenn man ähnlich wie für die Ströme auch die Phasenspannungen in ihre Mit- und Gegenkomponenten zerlegt, dann lassen sich die Drehmomente der drei Relais gemäß Schaltung Fig. ι wie folgt in vier Komponenten trennen:

a) Drehmoment aus Mitkomponente der Spannung und Mitkomponente des Stromes.

b) Drehmoment aus Mitkomponente der Spannung und Gegenkomponente des Stromes.

c) Drehmoment aus Gegenkomponente der Spannung und Mitkomponente des Stromes.

d) Drehmoment aus Gegenkomponente der Spannung und Gegenkomponente des Stromes.

Die Drehmomente, gebildet aus Spannungsund Stromkomponenten, welche gleichsinnig rotieren wie unter Fall a und b, haben für alle drei Relais dieselbe Richtung und Größe. Ihre Richtung ist abhängig von der Energierich-

tung. Dagegen sind dieDrehmomente der drei Relais verschieden, wenn Spannungs- und Stromkomponenten unter sich entgegengesetzte Drehrichtung haben wie im Fall b und c. Diese Drehmomente bewirken gegebenenfalls aus diesem Grunde Fehlauslösungen der Rtickstromrelais.

Dieser Überlegung folgend, kann man somit auf sinngemäße Weise für die Spannungen ebenfalls die Gegenkomponente heraussieben und diese Spannung der Drehspule eines Rückstromrelais aufdrücken. Man erhält auch dann ein Relais, welches nur bei Umkehrung der Energierichtung anspricht.

t5 Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen Schaltung. Die Schaltung des Stromsystems ist genau dieselbe wie in Fig. 4 angegeben. Für das Spannungssystem ist an die verkettete Spannung E₁₃ ein Ohmscher Wi-

ao derstand R in Reihe mit einem induktiven Widerstand L angeschlossen, wobei die Verbindung derselben miteinander an die eine Klemme der Spannungsspule gelegt wird. Der Ohmwert und die Induktivität von R und L werden so gewählt, daß die Spannung am Widerstand gegenüber der Spannung E₁₃ um 6o° nacheilt. Zwischen Leitung 1 und 2 liegt ein kleiner Transformator, welcher von T auf vS* im Verhältnis von 2 : 1 übersetzt und mit der andern Klemme der Spannungsspule verbunden ist. Das Spannungsdiagramm für den Spannungskreis ist in Fig. 8 für die Mitkomponenten und in Fig. 9 für die Gegenkomponenten angegeben. Auf den Spannungskreis wirkt die Spannung E_R — E₃ = E für die gleichsinnig rotierende Spannungskomponente bzw. Mitkomponente. Die Spannung E_R

ist gegeben durch E₁₃ · cos 60 ° = -E₁₃, wäh-

rend die Spannung E₃ durch zweckmäßige Wahl des Transformators auf den Betrag

E_s = ■— gebracht wird. Wie aus dem Vektordiagramm Fig. 8 ersichtlich ist, eilt die resultierende Spannung E der Spannung E₁₂ um 30° nach, was in bezug auf das Rückstromrelais durch Serienschaltung einer Drosselspule D wieder behoben werden kann.
Im Diagramm der Fig. 9 sind die Spannungen E_R und E₈ miteinander in Phase und gleich groß; somit ist die auf dem Spannungskreis wirksame Spannung E — E_R — E₅ = o, d. h. die gegenläufige Spannungskomponente ist in bezug auf das Relais wirkungslos.

Durch sinngemäße Vertauschung der Strom- und Spannungsschlüsse ist es selbstverständlich auch ohne weiteres möglich, die Mitkomponenten der Ströme und Spannungen herauszusieben. Ferner ließen sich auch zwei Rückstromrelai'S anwenden, wovon das eine auf die Mitkomponente und das andere auf die Gegenkomponente reagiert, wobei man die beweglichen Systeme miteinander mechanisch kuppeln könnte. Eine derartige Relaisanordnung würde dann unter allen Spannungsverhältnissen ein Drehmoment entwickeln, welches proportional der Leistung des Drehstromes ist.

In den gezeichneten Vektordiagrammen bedeutet Z die Zeitlinie.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   ι . Wattmetrische Richtungsrelaisanordnung für den Überstromschutz von elekirischen Kraftverteilungsanlagen mit isoliertem Nullpunkt und mit an die verkettete Spannung angeschlossenem Spannungskreis, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Wicklungen des Stromsystems der Relaisanordnung durch zwei getrennte Stromwandler erregt werden, von denen einer sekundärseitig durch einen Ohmschen Widerstand überbrückt ist, so daß für die gegenläufige Stromkomponente das Relaisdrehmoment unterdrückt wird.
2. 2. Wattmetrische Richtungsrelaisanordnung für den Überstromschutz von elektrischen Kraftverteilungsanlagen mit isoliertem Nullpunkt nach Anspruch 1 mit Stromsystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungssystem einerseits zwischen dem Mittelpunkt einer Serienschaltung eines Ohmschen und eines induktiven Widerstandes, anderseits an einem Spannungsteiler angeschlossen ist, so daß für die gegenläufige Stromkomponente die auf das Spannungssystem wirkende EMK aufgehoben wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen