DE588076C - Differentialschutzschaltung - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

20 DEC.

AUSGEGEBEN AM
13. NOVEMBER 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE 6850

Patentiert im Deutschen Reiche vom 26. März 1931 ab

Es ist bekannt, zum Schutz von elektrischen Anlageteilen eine Differentialschutzanordnung zu verwenden, welcher einerseits von dem Belastungsstrom, z.B. von der Summe der Ströme zu beiden Seiten des geschützten Anlageteiles, und anderseits von dem Unterschied zwischen dem auf der einen und dem auf der anderen Seite des geschützten Anlageteiles festgestellten Strom beeinflußt -werden.

Erfindungsgemäß wird ein Relais mit einem Kontaktglied verwendet, das unter der Einwirkung zweier im allgemeinen gegeneinandergerichteter Kräfte steht, von denen die eine nach Größe und Vorzeichen dem Produkt der Ströme vor und hinter dem geschützten Anlagenteil und die zweite dem Quadrat der Differenz zwischen den Strömen zu beiden Seiten des geschützten Teiles entspricht. Das Relais schließt seinen Kontakt, wenn der Differenzstrom im Vergleich zum Produkt der Ströme zu beiden Seiten des geschützten Anlagenteiles einen bestimmten Wert überschreitet,

Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Figuren. Fig. 1 zeigt ein Relais ohne Zeitverzögerung. Fig. 2 zeigt ein Relais mit abhängiger .Verzögerungszeit, und Fig. 3 zeigt eine Schaltung zur Überwachung einer Dreiphasenanlage mit einem einzigen Relais nach . der Erfindung. Die Figuren stellen Ausführungsbeispiele dar.

In Fig. ι ist angenommen, daß ein Transformator ι durch eine Differentialschutzeinrichtung zu schützen sei. Zwei Stromwandler 2 und 3 sind vorgesehen, welche von den Strömen zu beiden Seiten des geschützten Anlagenteiles erregt werden. Die Stromwandler 2 und 3 sind in üblicher Schaltung mit ihren Sekundärwicklungen hintereinandergeschaltet. Solange die Ströme auf beiden Seiten des Transformators gleich groß sind, fließt Strom nur über den Weg von der Sekundärwicklung des Wandlers 2 über die Verbindungsleitung 4, die Sekundärwicklung des Wandlers 3, die Verbindungsleitung 5, die drehbare Spule 6 eines wattmetrischen Systems, die festen Spulen 7 und 8 des gleichen wattmetrischen Systems und über die Verbindungsleitung 9 zur Sekundärwicklung des Stromwandlers 2 zurück. In dem wattmetrischen System mit den Spulen 6, 7, 8 entsteht ein Drehmoment, dessen Größe dem Produkt aus dem Strom in der Drehspule 6 und dem Strom in den festen Feldspulen 7 und 8 entspricht. Normalerweise - sind die Sekundärströme der Wandler 2 und 3 gleichgerichtet und gleich groß. Wenn die Ströme aber in der Größe voneinander abweichen oder einander· entgegengesetzte Richtung haben, fließt ein Differenzström über die Verbindungsleitung 10.

Es sei angenommen, daß im Transformator an der mit einem Pfeil gekennzeichneten

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Hermann Neugebauer in Berlin-Spandau.

Stelle ein Fehler entstanden sei. Die durch diesen Fehler bei zweiseitiger Speisung des Transformators hervorgerufenen Ströme in den Sekundärwicklungen der Wandler 2 und 3 sind durch Pfeile angedeutet. Sie sind in ihrer Richtung einander entgegengesetzt. Beide nehmen infolgedessen ihren Weg über die Verbindungsleitung io.

Der Sekundärstrom des Stromwandlers 2 verläuft vom Stromwandler 2 über die Verbindungsleitung 4, Verbindungsleitung io, Feldwicklung 11 eines zweiten wattmetrischen Systems, bewegliche Spule 12 und zweite Feldspule 13 des gleichen wattmetrisehen Systems zum Knotenpunkt 14, von dort über die Feldspulen 7 und 8 des zweiten wattmetrischen Systems und über die Verbindungsleitung 9. Der Strom des Stromwandlers 3 verläuft ebenfalls über ein Stück der Verbindungsleitung 4, die Verbindungsleitung 10, die Systemspulen 11, 12, 13 des einen wattmetrischen Systems und von dort zum Knotenpunkt 14. Von hier aus fließt dieser Strom über die bewegliche Spule 6 des unteren wattmetrischen Systems und von dort über die Verbindungsleitung 5 zurück.

Die Feldspulen 11, 13 und die bewegliche

Spule 12 des oberen wattmetrischen Systems werden also von der geometrischen Differenz der Sekundärströme der Wandler 2 und 3, d. h. von der Differenz der Ströme vor und hinter dem geschützten Anlagenteil durchflossen. Werden diese beiden Ströme init J₂ und J₃ bezeichnet, so ist das Drehmoment, welches von diesem wattmetrischen System entwickelt wird, proportional (Z₂—T₃)².

Das untere wattmetrische System führt in seinen Feldspulen 7 und 8 den Strom J₂ und in seiner beweglichen Spule 6 den Strom J₃.

Das dort entwickelte Drehmoment ist in seiner Größe dem Produkt/₂ · /₃ proportional. Das Vorzeichen dieses Drehmomentes ist negativ, weil die Sekundärströme der Wandler 2 und 3 entgegengesetzte Richtungen haben. Bei gleicher Richtung der Ströme J₂ und J₃ ist das Vorzeichen des im unteren wattmetrischen System entwickelten Drehmomentes positiv.

Die Wirkungsweise des Relais ist folgende:

Die Drehmomente des oberen und des unteren wattmetrischen Systems sind so lange entgegengesetzter Richtung, als die Ströme J₂ und /₃ gleiche Richtung besitzen. Das Drehmoment des unteren Systems wirkt, solange das Vorzeichen des Produktes J₂ · J₃ positiv ist, im Sinne einer Offenhaltung des Kontaktpaares 15. Das Drehmoment des oberen wattmetrisehen Systems dagegen wirkt im Sinne einer Schließung des Kontaktes vermittels des Armes 16 auf der beiden wattmetrischen Systemen gemeinsamen Welle 17.

Auch bei einem äußeren Kurzschluß kann infolge der Ungleichheit der .Wandlercharakteristik ein Differenzstrom zustande kommen. Dieser Differenzstrom führt aber nicht zur Auslösung des Relais, solange seine Starke unterhalb eines vorher festgelegten Prozentsatzes des Belastungsstromes bleibt. Das durch den Differenzstrom hervorgerufene Drehmoment ist dann nämlich kleiner als das von dem Produkt der Ströme J₂ und J₃ hervorgerufene Drehmoment.

Der bei einem Fehler im Transformator auftretende Differenzstrom muß zur Betätigung der Abschalteinrichtungen das vom Produkt der an beiden Seiten des geschützten Apparates herrschenden Ströme hervorgerufene Gegenmoment überwinden. Dieses Gegenmoment kann bei einseitiger Speisung Null werden, wenn nämlich der eine Belastungsstrom durch das Auftreten des Fehlers ganz zum Verschwinden kommt. Aus dem Gegenmoment kann sogar ein Nutzdrehmoment werden, indem bei zweiseitiger Speisung Strom von beiden Seiten in den fehlerhaften Apparat oder in die fehlerhafte Leitungsstrecke hineinfließt.

Das in Fig. 1 dargestellte Relais ist seiner Bauart nach ein Kipprelais. Der Kontaktarm ιό geht aus der Ruhelage, in welcher go er dargestellt ist, in seine Arbeitsstellung über, in welcher er das Kontaktpaar 15 schließt und dadurch eine Auslösespule 18 an eine Stromquelle 19 anschältet, was die Abschaltung des fehlerhaften Anlagenteiles zur Folge hat, sobald der Quotient J₂ · J₃ durch (J₂ — J₃)² einen bestimmten durch die Apparatkonstruktion und Windungszahlen der Spulen festgelegten Wert überschreitet.

Man kann an Stelle des Kipprelais auch ein Zeitrelais nehmen, das einerseits eine Antriebskraft entsprechend der Größe des Differenzstromes und anderseits normalerweise eine Gegenkraft erhält, die dem Produkt der Ströme zu beiden Seiten des geschützten Apparates entspricht und, wie erläutert, gegebenenfalls gleich Null oder sogar zu einem Antriebsmoment werden kann.

Ein Beispiel eines solchen Zeitrelais ist in Fig. 2 angedeutet. Auf einer gemeinsamen no Welle 20 sind zwei Anker 21 und 22 angeordnet. Der Anker 21, beispielsweise eine Ferrarisscheibe, steht unter dem Einfluß der Ströme J₂ und J₃ derart, daß in ihm ein Drehmoment entwickelt wird, welches dem Produkt dieser beiden Ströme gleich ist. Durch einen Pfeil ist die Drehmomentrichtung für richtungsgleiche Ströme J₂ und J₃ eingezeichnet. Auf den zweiten Anker, die Ferrarisscheibe 22, wirkt eine Antriebskraft, welche dem Quadrat der Stromdifferenz J₂ —J₃ entspricht. Das auf den Anker 22 ausgeübte

Drehmoment ist, wie durch einen Pfeil angedeutet ist, der normalen Drehmomentrichtung des Ankers 2i entgegengerichtet. Mit der gemeinsamen Welle 20 ist ein Kontaktarm 24 verbunden, und infolge exzentrischer Anordnung der Ferrarisscheiben 21 und 22 entspricht jeder Winkellage des Kontaktarmes 24 ein bestimmter Wert des Verhältnisses - !J._F. Mit dem Kontakt 25, der auf

dem Kontakt 24 angebracht ist, wirkt ein Kontakt 26 zusammen, der zu einem Zeitwerk 27 gehört. Das Zeitwerk 27 kann den Kontakt 26 mit gleichmäßiger Geschwindigkeit antreiben, bis dieser den Einstellkontakt 25 erreicht. In bekannter Weise wird dann ein Stromkreis zur Auslösung der Schalter des geschützten Anlagenteiles geschlossen. Das Zeitwerk 27 beginnt zu laufen, sobald der Differenzstrom J₂ —J₃ ein Relais 28 zum Ansprechen bringt, das auf eine bestimmte Stromstärke eingestellt ist. Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung ergibt eine abhängige Auslöseverzögerung, wobei der e"ben erwähnte

Quotient -_tj '¹^--'.₃- für die Zeitverzögerung maßgebend ist. Wenn bei dieser Anordnung infolge eines äußeren Fehlers und der bei starken Strömen nicht mehr übereinstimmenden Stromwandlercharakteristiken ein Differenzstrom ausreichender Stärke auftritt, setzt das Zeitwerk 27 den Kontakt 26 in Bewegung. Statt dessen oder auch zugleich damit können sonstige Anregerelais, wie z.B. die geeigneten Überstromanregerelais 30 und 31, vorgesehen sein. Da dann aber das Produkt J₂ ''J₃ sehr groß ist, steht der Kontakt 25 in großer Entfernung vom Laufkontakt 26, so daß die Abschaltverzögerung sehr groß ist. Auf kürzere Zeiten eingestellte Überstromzeitrelais haben dann Zeit, vorher den Fehler abzuschalten. Andernfalls kommt nach größerer Verzögerungszeit die Differentialschutzeinrichtung zur Wirkung, die somit zugleich einen Überstromzeitschutz für den geschützten Anlagenteil darstellt.

Um die Auslöseverzögerung einerseits von der Größe des Produktes des Eingangsstromes und Ausgangsstromes und anderseits von der Differenz dieser Ströme abhängig zu machen, kann auch eine Anordnung benutzt werden, bei welcher die Geschwindigkeit eines Relaissystems, das bis zur Betätigung der Abschaltvorrichtungen einen bestimmten

Weg zurücklegen muß, von diesen Größen abhängig gemacht wird. Zum Beispiel kann ein mit einem Dämpfungsmagneten ausgerüstete Ferrarisscheibe, welche von dem Differenzstrom angetrieben wird, von dem Produkt aus Eingangsstrom und Ausgangsstrom verlangsamt werden; sobald dieses Produkt Null oder gar negativ wird, vollzieht sich die Bewegung des beweglichen Systems des Relais erheblich schneller. Solange aber die von dem Produkt beider Ströme ausgehende Kraft größer ist, als die vom Differenzstrom ausgehende Kraft, bleibt das System in Ruhe.

Die bisherigen Ausführungsbeispiele zeigen der Einfachheit halber nur einphasige Anordnungen. In Fig. 3 ist eine zweckmäßige Schaltung für den Schutz eines Dreiphasenapparates wiedergegeben. Ein dreiphasiger Transformator 50 wird durch einen Differentialschutz gemäß der Erfindung geschützt. Auf der Hochspannungsseite liegen in den Dreiphasenleitungen Stromwandler 51, 52 und 53. Auf der Niederspannungsseite entsprechen diesen die Stromwandler 61, 62 und

63. Die Sekundärwicklungen der drei Stromwandler auf jeder Transformatorseite sind in Stern geschaltet und erregen je eine Wicklung eines Zwischenstromwandlers 54 bzw.

64. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die Sekundärströme der Stromwandler bei gleicher Stärke das Eisen des Zwischenwandlers 54 bzw. 64 verschieden stark magnetisieren. Infolgedessen heben sich die Primäramperewindungen bei den Zwischenstromwandlern normalerweise nicht auf, so daß die Sekundärspulen 55 bzw. 65 normalerweise einen Strom führen. Der Strom der Wicklung 5 5 fließt über die Spule 56 eines wattmetrischen Systems und die Spule 57 eines Differenzsystems. Der Strom der Wicklung 65 fließt über die Spule 66 des bereits erwähnten wattmetrischen Systems und die Spule 6j des ebenfalls schon genannten Differenzsystems. Die Sekundärströme der Zwischenwandler 54 und 64 bilden durch das Spulenpaar 56 und 66 ein Drehmoment, welches dem Produkt aus Eingangsstrom und Ausgangsstrom entspricht. Durch die Spulen 57 und 67 wird eine Kraftwirkung erzeugt, welche der Differenz dieser Ströme entspricht. Die beweglichen Systeme des wattmetrischen Systems und des Differenzsystems sind miteinander gekuppelt. Es lassen sich mit dieser Anordnung Kipprelais 'und Zeitrelais etwa in der beschriebenen Art ausführen.

Die Erfindung eignet sich vor allem für den Schutz von Transformatoren, deren Übersetzungsverhältnis veränderlich ist, und für die Verwendung von Stromwandlern, deren gegenseitiges Übersetzungsverhältnis nicht genau mit dem des geschützten Transformators übereinstimmt.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Differentialschutzschaltung mit einem Relais, dessen bewegliches System unter der Einwirkung zweier gegeneinanderge-

   richteter Kräfte steht, von denen die eine dem Quadrat des Differenzstromes oder der Differenz der Quadrate der Einzelströme entspricht, dadurch gekennzeich-

   '5 net, daß die andere nach Größe und Vorzeichen dem Produkt der Ströme auf der Eingangsseite und Ausgangsseite des geschützten Anlagenteiles entspricht und normalerweise der anderen entgegengerichtet ist.
2. 2. Schutzschaltung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Einrichtung, welche die Abschaltung des geschützten Anlagenteiles nach dem Ansprechen des Relais um ein bestimmtes Zeitmaß vergrößert.
3. 3. Schutzschaltung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch ein Relais, dessen bewegliches System den zur Betätigung der Abschalteinrichtüng des geschützten Anlagenteiles zurückzulegenden Weg um so schneller zurücklegt, je größer die algebraische Differenz der beiden normalerweise entgegenwirkenden Drehmomente ist.
4. 4. Schutzschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Relais, dessen bewegliches System sich nach dem algebraischen Verhältnis der bei'den normalerweise entgegenwirkenden Drehmomente einstellt und dadurch die Verzögerungszeit eines die Abschaltung des geschützten Anlagenteiles herbeiführenden Zeitrelais (27) bestimmt (Fig. 2).
5. 5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das sich einstellende System des Relais der Differentialschutzschaltung mit einem von einem Zeitwerk (27) angetriebenen Laufkontakt (26) zusammenwirkt, der durch den Differenzstrom oder Überstrom zum Anlaufen gebracht wird (Fig. 2).
6. 6. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder folgenden für den Schutz eines dreiphasigen Apparates oder einer dreiphasigen Leitungsstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Phasenströme zu beiden Seiten des geschützten Anlagenteiles je einen Zwischenwandler (54, 64) derart erregen, daß die normalerweise in den Sekundärwicklungen (55, 65) der Zwischenwandler auftretende Ströme auf ein Relais (56, 66, 57, 6y) einwirken, dessen bewegliches System einerseits (56, 66) unter der Einwirkung des Produktes und anderseits (57, 67) unter der Einwirkung des Quadrates der algebraischen Differenz dieser Ströme steht.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen