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Einrichtung zum Selektivschutz für parallel an eine gemeinsame Leitung
angeschlossene, mit Nullpunkten versehene Wicklungen Die Erfindung bezieht sich
auf Einrichtungen für selektive Schutzmaßnahmen bei parallel an eine gemeinsame
Leitung angeschlossenen, mit Nullpunkten versehenen Wicklungen beim Auftreten von
Wicklungsschäden und Störungen der Feldsymmetrie. Es ist bereits bekannt, Wechselstromgeneratoren
gegen Wicklungsschluß oder Gestellschluß dadurch zu schützen, daß man den Generatornullpunkt
und das geerdete Generatorgehäuse zu einem Knotenpunkt zusamtnenfaßt und zwischen
diesen und den Nullpunkt einer in Stern geschalteten Drossel, die am selben Netz
wie der Generator liegt, ein Auslöserelais für den Generatorschalter einschaltet.
Tritt z. B. durch Windungsschluß im Generator eine Unsymmetrie auf, so fließt ein
Strom zwischen den Nullpunkten, und das Relais spricht an. Diese Einrichtung wirkt
indessen nicht selektiv, weil bei Anwendung derselben für mehrere Generatoren mit
geerdetem Gehäuse, die auf ein gemeinsames Netz oder Sammelschiene arbeiten, bei
Auftreten einer Unsymmetrie an einem Generator der Ausgleichstrom auch von den übrigen
Drosseln über die zugehörigen Relais nach Erde fließt, so daß stets die Relais sämtlicher
Generatoren ansprechen und alle Generatoren abgeschaltet werden. Die bekannte Einrichtung
würde nur dann selektiv wirken, falls jede aus Generator und Drossel gebildete Gruppe
für sich isoliert aufgestellt wäre. Um die bei Auftreten einer Unsymmetrie an einem
Generator zwischen den Nullpunkten von Generatorwicklung und Drossel fließenden
dritten Harmonischen für das Ansprechen des Relais unwirksam zu machen, ist es bereits
vorgeschlagen, als Relais ein durch Strom und Spannung beeinflußtes wattmetrisches
Relais zu verwenden, dessen Spannungsspule von der verketteten Spannung zweier Wicklungen
des Generators gespeist wird. Diese Spannung besitzt keine Komponente der dritten
Harmonischen, so daß die dritte Harmonische im Strom des wattmetrischen Relais dieses
nicht zum Ansprechen bringt. Da nun aber die vektorielle Richtung des Fehlerstromes
zu der Richtung der gewählten Vergleichspannung nicht in einer gegebenen eindeutigen
Beziehung steht, kann auch in diesem Falle das Ansprechen des Relais nicht von der
Richtung, sondern nur von der Stärke des Fehlerstromes abhängig gemacht werden.
Aus diesem Grunde ist diese Einrichtung trotz Verwendung wattmetrischer Relais zur
Einleitung selektiver Schutzmaßnahmen nicht geeignet.
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Gemäß der Erfindung wird nun eine selektiv wirkende Schutzeinrichtung
für parallel arbeitende Wicklungen, bei denen parallel zu den zu schützenden Wicklungen
eine der Phasenzahl des Netzes entsprechende Zahl von einphasigen Hilfstransformatoren
an die Leitung angeschlossen ist, derart, daß die
einen Enden ihrer
Primärwicklungen zu einem Wicklungsnullpunkt verbunden sind, während die freien
Enden je an einen Phasenleiter des Netzes angeschlossen sind, und bei denen ferner
die Sekundärwicklungen dieser Transformatoren in Reihe, aber so gegeneinandergeschaltet
sind, daß bei Gleichheit der Phasenspannungen in den Primärwicklungen die Spannung
an der Reihe der Sekundärwicklung gleich Null ist, wobei ferner der Primärwicklungsnullpunkt
dieser Hilfstransformatorgruppe mit den Nullpunkten aller parallel am Netz liegenden
Wicklungen zu einem Knotenpunkt verbunden ist, dadurch geschaffen, daß sich in den
Verbindungsleitungen zwischen jedem Wicklungsnullpunkt und dem Knotenpunkt die Stromwicklungen
von wattmetrischen Relais befinden, deren Spannungsspulen von der Sekundärwicklungsreihe
der Hilfstransformatorengruppe gespeist werden, wobei jedes dieser wattmetrischen
Relais in Abhängigkeit von der Richtung des Energiedurchganges in Wirksamkeit tritt
und derjenigen Wicklung zugeordnet ist, in deren Nullpunktsleitung seine Stromspule
liegt.
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In der Zeichnung sind in Abb. i und 2 schematisch zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt, und-zwar zeigt Abb. i die Anwendung des Selektivschutzes
für ein Dreiphasennetz unter Verwendung von drei Einphasenhilfstransformatoren und
Abb. 2 die Verwendung eines Dreiphasentransformators mit viertem Kern.
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In beiden Abbildungen bedeutet a das Netz oder die Sammelschiene,
an die parallel die Generatoren oder Transformatoren b, c, d
usw. angeschlossen
sind. e, f und g sind die den Netzphasen zugeordneten Einphasenhilfstransformatoren,
deren Primärwicklungen zu einem Wicklungsnullpunkt zusammengefaßt sind, der mit
den Nullpunkten der zu schützenden Wicklungen zu einem Knotenpunkt vereinigt ist.
An Stelle der drei Einphasentransformatoren kann auch gemäß Abb. 2 ein Dreiphasentransformator
la verwendet werden, der mindestens einen zusätzlichen Schenkel besitzt, durch den
die Verkettung der Schenkelfelder gelöst wird. Der Nullpunkt der Primärwicklungen
des Hilfstransformatorsunddiejenigen derzu schützenden Wicklungen können sowohl
an eine gemeinsame Nullpunktssammelschiene angeschlossen oder unmittelbar geerdet
sein. Die Nullpunktssammelschiene i kann, wie in Abb.2 gestrichelt angedeutet, ebenfalls
geerdet sein. Soll mit diesem Schutz gleichzeitig der Erdschlußschutz des Netzes
verbunden werden, so kann ohne weiteres zwischen der Nullpunktssammelschiene i und
Erde in an sich bekannter Weise eine Löschspule k eingeschaltet werden (vgl. Abb.
2). Zwischen den Nullpunkten der zu schützenden Wicklungen b, c, d und dem
mit den Primärwicklungen der Hilfstransformatoren e, f,
g bzw. la gemeinsamen
Knotenpunkt liegen die Stromwicklungen der wattmetrischen Relais in, yz und o. Die
Spannungsspulen dieser Relais werden aus der Sekundärwicklungsreihe der Hilfstransformatoren
gespeist, die bei einem Dreiphasennetz zweckmäßig als offene Dreieckwicklung ausgeführt
ist, deren Klemmen durch einen Resonanzkreis p, r für die dritten Harmonischen
überbrückt sind; s, t und u sind die Auslösemagnete für die Hauptschalter
v, w, z.
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Die Wirkung der Selektivschutzeinrichtung ist folgende: Solange die
Phasenspannungen in den Primärwicklungen der Hilfstransformatoren in ihrer Größe
gleich sind, ist die Spannung an der Reihe der Sekundärwicklungen Null. Dies ist
der Fall, wenn die zu schützenden Wicklungen fehlerfrei sind, denn in diesem Falle
ist das Potential der Nullpunktssammelschiene das Nullpotential des Netzes. Da nun
der Verkettungspunkt der genannten Primärwicklungen mit der Nullpunktssammelschiene
verbunden ist, besitzt auch dieser Verkettungspunkt das Nullpotential des Netzes,
und die an den einzelnen Primärwicklungen liegenden Spannungen sind daher die Phasenspannungen
eines symmetrischen Spannungssystems, also untereinander gleich groß. Besitzen die
Hilfstransformatoren gleiche Windungszahlverhältnisse, dann haben auch die gegeneinander-(bzw.
in Dreieck) geschalteten Sekundärwicklungen gleiche Spannung. Im symmetrischen Spannungssystem
besitzen diese Spannungen solche Phasenwinkel gegeneinander, daß in diesem Falle
die resultierende Spannung der Reihe gleich Null ist. Dieser Zustand wird jedoch
sofort geändert, wenn eine der zu schützenden Wicklungen schadhaft wird, z. B. wenn
b einen Windungsschluß aufweist. Der Windungskurzschluß setzt die an den Klemmen
der zugehörigen Phasenwicklungen herrschende Spannung herab, so daß das Potential
ihres Sternpunktes sich dem Potential der Außenklemme der betroffenen Phasenwicklung
nähert. Die mit der schadhaften Wicklung parallel arbeitenden gesunden Wicklungen
würden keine Verlagerung des Spannungsnullpunktes aufweisen, wenn ihr Nullpunkt
nicht mit dem Nullpunkt der schadhaften Wicklung verbunden wäre. Diese Verbindung
verursacht nun aber Ausgleichströme zwischen den Wicklungsnullpunkten der gesunden
Wicklungen einerseits und dem Nullpunkt der kranken Wicklung andererseits. Der Ausgleichstrom
verursacht in den gesunden Wicklungen aber ebenfalls
eine Spannungsverlagerung
des Nullpunktes, und das gleiche tritt im System der Primärwicklungen der Hilfstransformatoren
e, f, g
usw. ein. Die Nullpunktsverlagerung in diesem System ist dadurch erleichtert,
daß die. magnetischen Kreise der Hilfstransformatoren nicht miteinander verkettet
sind. Die Spannungen an den einzelnen Primärwicklungen der Hilfstransformatoren
sind nun nicht mehr gleich, und demgemäß tritt an den gegeneinander- (bzw. in Dreieck)
geschalteten Sekundärwicklungen eine Spannung auf, deren Phasenwinkel durch die
Richtung des Ausgleichstromes bedingt, also abhängig davon ist, in welcher Wicklungsphase
der schadhaften Wicklung sich die Fehlerstelle befindet. Vergleicht man nun die
Ausgleichströme in den Verbindungsleitungen zwischen den Wicklungsnullpunkten und
der Nullputiktssammelschiene, so erkennt man, daß die Richtung der Ströme in den
von den gesunden Wicklungen ausgehenden Verbindungsleitungen die gleiche ist, während
in der Verbindungsleitung der schadhaften Wicklung mit der Nullpunktssammelschiene
die Stromstärke des Ausgleichstromes gleich der Summe der erstgenannten Ausgleichströme
und die Richtung um i8o° gegen die Richtung jener Ströme verschoben ist. Dies gibt
null die Möglichkeit der selektiven Schutztnaßnahnie. Zu diesem Zwecke wird, wie
dargestellt, in jede Verbindungsleitung ein wattmetrisches Relais in., 7v, o gelegt,
dessen Ausschlag, vor allem aber dessen Ausschlagsrichtung davon abhängig ist, ob
sich das Relais in der Verbindungsleitung der schadhaften oder der gesunden Wicklung
befindet. Als Vergleichsspanliung ist die Verlagerungsspannung gewählt, welche durch
die Spannung der Sekundärwicklungsreihe der Hilfstransformatoren gemessen wird.
Ihre Phase stellt jeweils in eindeutiger Beziehung zur Phase des Ausgleichstromes,
und daher ist diese Einrichtung für den Selektivschutz geeignet. Da in den Nullpunktsverbindungen
vielfach starke dritte Harmonische auftreten, ist es zweckmäßig, diese durch einen
die Sekundärklemmen der Hilfstransformatoren überbrückenden, auf die dritten Harmonischen
abgestimmten Resonanzkreis p, r für den Spannungskreis der wattmetrischen
Relais unwirksam zu machen. Diese Relais sprechen also auf die Stromkomponenten
der dritten Harmonischen nicht an. Sollen die Relais Schutzeinrichtungen betätigen,
dann ist es nur nötig, den wattmetrischen Ausschlag nach der Richtung zu sperren,
der sich unter Einfluß der Stromrichtung in den Verbindungsleitungen der gesunden
Wicklungen mit der N ullpunktssammelschiene ergibt, während der Ausschlag für die
andere Richtung freigegeben ist. Es ist leicht einzusehen, daß die beschriebene
Einrichtung auf alle Fehler reagiert, die eine Störung der Phasensymmetrie der Wicklungen
herbeiführen, also auf Windungsschluß, Eisenbrand, Erd- und Kurzschluß und Leitungsbruch
innerhalb der Wicklung selbst. Nicht aber spricht sie auf Fehler im Leitungsnetz
(Erdschluß eines Phasenleiters des Netzes) an. Es genügt, für eine Reihe von Wicklungen
nur einen Spannungstransformator (bzw. einen einzigen aus Einphasentransformatoren
gebildeten Satz von Hilfstransformatoren) zu verwenden, der nicht einer einzelnen
Wicklung zugeordnet ist, sondern die Spannung für alle vorhandenen wattmetrischen
Relais liefert.
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Die in den Abbildungen gezeichneten Strompfeile geben die Stromrichtung
bei geschlossenen Schaltern an. Der Strom in dem Hilfstransformator wird gedrosselt,
und der Spannungsnullpunkt der beschädigten Wicklung wird verlagert. Das Relais
in spricht an, schließt den Auslösestromkreis des Auslösemagneten s, und dieser
öffnet den Schalter v und schaltet die Wicklung h vom Netz ab. Die Wirkung der wattmetrischen
Relais ist somit abhängig von der Richtung des Energiedurchganges, so daß sie selektiv
die zugeordnete Wicklung vom Netz abtrennen.
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Bei der Anordnung nach Abb. 2 ist es ohne weiteres denkbar, den vierten
Schenkel des Hilfstransformators 1a mit einer Wicklung zu versehen, der an Stelle
der auf den Hauptschenkeln liegenden Sekundärwicklungsreihe die Spannung zur Speisung
der Spannungsspulen der w attmetrischeii Relais entnommen wird. Die Stromspulen
der wattmetrischen Relais können sowohl unmittelbar als auch mittelbar durch Shuntung
oder Stromwandler von den Strömen in den Nullpunktsverbindungsleitungen erregt werden.
Die Einrichtung kann auch so getroffen werden, daß bei Ansprechen der wattmetrischen
Relais eine Signaleinrichtung betätigt wird, die die schadhafte Wicklung kenntlich
macht. Es ist ohne weiteres möglich, die Eisengestelle der Wicklungen mit der Nullpunktssammelschiene
oder mit Erde zu verbinden.