DE643208C - Relaiseinrichtung, welche anspricht, wenn die Phasenlage zwischen zwei zu vergleichenden periodischen elektrischen Groessen einen bestimmten Grenzwert ueberschreitet - Google Patents

Description

Zu mancherlei Verwendungszwecken werden in der Elektrotechnik Relais verwendet, die ansprechen, wenn zwischen zwei Wechselstromgrößen eine bestimmte Phasenlage herrscht oder wenn die Phasenverschiebung zwischen zwei zeitlich veränderlichen Größen, wie z. B. Wechselstrom und Wechselspannung", innerhalb gewisser Grenzen liegt. Man hat für solche Zwecke bisher außer polarisierten Relais oder wattmetrischen Relais auch Schaltungen "mit Elektronenröhren verwendet, bei denen im Anodenkreis der Elektronenröhre, die nur unter der Voraussetzung stromdurchlässig ist, daß die Phasenlage zwischen Gitterspannung und Anodenspannung gewisse Bedingungen erfüllt, ein elektromagnetisches oder elektrodynamisches Relais angeordnet ist. Das Ansprechen hängt dann davon ab, daß der Anodenstrom diejenige Stärke erreicht, welche das Relais zum Ansprechen braucht. Da aber der Anodenstrom bei Elektronenröhren in Abhängigkeit von der Größe der Phasenverschiebung zwischen Anodenspannung und Gitterspannung jeden Wert zwischen Null und dem. Sättigungswert der Röhre annehmen kann, ist die Genauigkeit des Ansprechens" des Relais bei einer bestimmten Phasenverschiebung zwischen Anodenspannung und Gitterspannung allein davon abhängig, mit welcher Genauigkeit das elektromagnetische Relais auf eine gewünschte Arisprechstromstärke eingestellt werden kann. Diese Genauigkeit wird durch die Verwendung der Röhre keineswegs erhöht.

Erfindungsgemäß wirken bei einer Relaiseinrichtung, welche ansprechen soll, wenn die Phasenlage zwischen zwei zu vergleichenden periodischen elektrischen Größen einen bestimmten Grenzwert überschreitet, die zu vergleichenden Meßgrößen auf den Steueroder Zündkreis oder den Anodenkreis eines Gas- oder Dampfentladungsgefäßes derart ein, daß dieses nur bei Überschreiten des vorher bestimmten Grenzphasenwinkels anspricht.

Die auf das Entladungsgefäß einwirkenden zwei, hinsichtlich ihrer gegenseitigen Phasenlage zu überwachenden, zeitlich sich ändernden Größen können beispielsweise Strom, und Spannung eines Wechselstromkreises sein. An Stelle dieser Größen können aber auch andere treten, z. B. kann an Stelle der Spannung eines Stromkreises, dessen Energierich-

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden:

Or.-Ing. Dr.-Ing. e. Ji. Reinhold Riidenberg in London,

Dr,-Ing. Erich Friedländer in Berlin-Siemensstadt

und Dipl.-Ing. Oskar Schmutz in Berlin-Haselhorst,

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tung durch das Relais kontrolliert werden soll, eine mit dieser Spannung phasengleiche Ersatzspannung genommen werden, z. B. mit richtiger Phasenlage zerhackte Gleichspannuiig. Auch die Spannungen oder Ströme.' zweier verschiedener Stromkreise können das gleiche Entladungsgefäß beeinflussen. Als Entladungsgefäß kann ein Glimmrelais oder ein Ouecksilberdampfrelais mit einer oder ίο mehreren Zündelektroden oder mit einem oder mehreren Steuergittern dienen. Auch kann man mehrere solche Entladungsgefäße hintereinanderschalten, von denen jedes von einer oder auch von mehreren Meßgrößen beeinfhißt wird. Ähnlich wie bei den bekannten Quecksilberdampfgleichrichtern für Mehrphasenwechselstrom können auch die in vorliegender Erfindung verwendeten Gas- oder Dampfentladungsgefäße mit mehreren Anoden ao versehen sein, wobei für jede Anode ein oder mehrere Steuergitter zur Anwendung kommen. Die Verwendung von Gas- oder Dampfentladungsgefäßen hat vor den bis jetzt gebräuchlichen Relaisanordnungen zahlreiche Vorteile. Die genannten Entladungsgefäße sprechen erheblich sicherer auf einen ganz bestimmten Wert der Phasenverschiebung zwischen zwei Betriebsgrößen an. Dabei ist es ohne Schwierigkeiten möglich, den Bereich der Phasenverschiebung, innerhalb dessen ein Ansprechen der Entladungsgefäße erfolgen kann, hinsichtlich der kleinsten und der größten Phasenverschiebung, welche diesen Bereich eingrenzt, einzustellen. Vorteilhaft ausnutzen läßt sich ferner ihre Eigenschaft, erst bei einem ganz bestimmten Schwellenwert der Spannung anzusprechen.

In dem Augenblick, in dem die Vorbedingungen für die Zündung erfüllt sind, beginnt die Relaisanordnung sofort zu arbeiten, und zwar viel schneller als die bekannten Richtungsrelais, welche bewegte Teile besitzen. Durch das \Ollständige Fehlen aller beweglichen Teile und durch die Vermeidung jeder Kontaktstelle treten bei dem Entladungsgefäß alle die Schwierigkeiten nicht auf, welche bei den bekannten Relais durch die Kontakte, die Massenträgheit, die mechanischen Kräfte innerhalb des Systems hervorgerufen werden.

In den Abbildungen sind zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Relaisanordnung schematisch dargestellt.

Fig. ι zeigt eine Anordnung für den selbsttätigen Leitungsschutz einer elektrischen Energieverteilungsanlage. I und II sind zwei Zentralen, welche untereinander durch zwei Leitungen 3 und 4 verbunden sind. Die Leitungen 3 und 4 sind abschaltbar, und zwar bei der Station I durch zwei Schalter 5 und 6. Die Anordnung bei der Station II entspricht genau der Anordnung bei der Station I, so daß nur diese letztere beschrieben zu werden braucht.

v=-:·. Der Strom der Leitung 4 erregt einen »Stromwandler 9, der Strom der Leitung 3 einen Stromwandler 10, deren Sekundärwicklungen untereinander in Reihe geschaltet sind. In der Reihenschaltung liegt ein Stromwandler 12, und in einer Verbindung zwisehen einer Anzapfung an der Mitte der Primärwicklung des Stromwandlers 12 zu der anderen Verbindungsleitung zwischen den Sekundärwicklungen 9 und 10 ist die Primärwicklung eines zweiten Zwischenwandlers 11 angeschlossen. Die Sekundärseite des Zwischenwandlers 11 wird infolge dieser Schaltung durch die Summe der Ströme in den Leitungen 3 und 4 erregt, während die Sekundärseite des Stromwandlers 12 entsprechend der Differenz zwischen den Strömen in den Leitungen 3 und 4 erregt wird. Außerdem sind zwei als Stromrichtungsrelais wirkende Glimmrelais 14 und 15 vorgesehen. Die Spannung zwischen Kathode und Anode entspricht bei beiden Glimmrelais einer von der Stromsumme hervorgerufenen Spannung. Die Spannung zwischen der Zündelektrode und der Kathode wird von dem Zwischenwandler 11 abgenommen. Je nachdem, ob ein Fehler auf der Leitung 3 oder auf der Leitung 4 entsteht, ist auch die Phasenlage der Gitterspannung verschieden. Die Folge davon ist, daß beim Fehler auf der Leitung 4 das Glimmrelais 14, beim Fehler auf der Leitung 3 das Glimmrelais 15 gezündet wird. Beim Ansprechen des Glimmrelais 14 wird ein Relais 24 erregt, welches die Abschaltung der Leitung 4 bewirkt, beim Ansprechen des Glimmrichtungsrelais 15 wird ein Hilfsrelais too 25 erregt und dadurch die Leitung 3 abgeschaltet. Die Glimmrelais 14 und 15 ersetzen also in einer an sich bekannten Schaltung das Energierichtungsrelais. Dabei wird, wie bereits eingangs erwähnt, nicht der Strom und die Spannung, sondern es wird eine von diesen Betriebsgrößen, nämlich die Spannung, durch eine Ersatzgröße, nämlich die Stromsumme vertreten. Die als Energierichtungsrelais wirkenden Entladungsgefäße können, wie bereits eingangs gesagt wurde, auch solche sein, bei denen durch die Zündung ein leitender Dampf, beispielsweise ein Quecksilberdampf, hervorgebracht wird. Die Zündelektroden können durch Steuergitter ersetzt werden. Unter Umständen ist dabei erforderlich, daß man den Steuergittern eine Vorspannung gibt, welche normalerweise den Stromdurchgang durch das Relais verriegelt. Ebensogut wie zur präzisen Einschaltung eines Stromkreises kann man das Relais aber auch zur präzisen Abschaltung eines Strom-

kreises verwenden, indem man beispielsweise den Stromdurchgang durch das Entladungsgefäß in einem willkürlichen Augenblick einleitet und dasselbe im gegebenen Augenblick löscht, was durch Anlegen einer entsprechenden Spannung am Steuergitter oder durch Änderung der Anodenspannung erreicht werden kann.

Fig. 2 zeigt die Anwendung eines Quecksilberdampfrelais in einer Synchronisierschaltung. Die zu kuppelnden Leitungsstrecken sind mit 201 und 202 bezeichnet.

Die Leitungsteile 201 und 202 werden durch einen Schalter 203 miteinander verbunden, wenn ein Einschaltschütz 204 Strom bekommt.

Die in der Zeichnung wiedergegebene Anordnung zeigt nur den zur Erfindung gehörenden Teil aus einer Synchronisierschaltung. Dagegen sind die Einrichtungen, welche die Spannungen der beiden Wechselstromsysteme auf gleiche Höhe bringen und welche die Frequenzen der beiden Wechselstromsysteme einander angleichen, nicht dargestellt. Das Entladungsgefäß 205 soll erst in Tätigkeit kommen, wenn der Schlupf zwischen dem zu kuppelnden Wechselspannungssystem eine bestimmte Kleinheit, beispielsweise 2 Prozent, erreicht hat. Auf im einzelnen nicht dargestellte Art und Weise wird erreicht, daß ein Relais 206 dann einen Schalter 207 schließt. Der Schalter 207 liegt im Zündstromkreis des Quecksilberdampfrelais. Der Lichtbogen zwischen der Zündanode 208 und der Kathode 209 wird aus einer Gleichstrombatterie 210 unterhalten und brennt dauernd, solange der Schalter 207 eingelegt ist. Die Anode des Ouecksilberdampfrelais ist mit 211 bezeichnet. Die Strecke zwischen Kathode2oa und Anode2ii ist unterbrochen von zwei Steuergittern 212 und 213. Ein Stromdurchgang von Anode zur Kathode ist nur dann möglich, wenn die Steuergitter 212 und 213 den Stromdurchgang nicht drosseln, d. h. wenn die Gitter 212 und 213 positive Spannung haben. Die Betriebsspannung für das Relais wird geliefert von einem Transformator 214, der von der verketteten Spannung zwischen den Phasenleitern RT des Wechselstromsystems 202 erregt wird. Die Betriebsspannung an dem Ouecksilberdampfrelais ist also phasengleich dieser Spannung. Die Spannungen zwischen den Steuergittern 212 und 213 einerseits und der Kathode 209 andererseits sind dem Wechselstromsystem 201 über einen Transformator 216 entnommen, und zwar sind es die verketteten Spannungen zwischen den Phasen RS und ST. Zünden kann das Relais nur dann, wenn sowohl die Spannung zwischen den Phasenleitern R und T des Systems 202 als auch die Spannungen zwischen den Phasenleitern R und S und 5" und T gleichzeitig positiv sind. Die Spannungen in den Steuergittern 212 und 213 gehören demselben Drehstromsystem an und sind daher gegeneinander um 120° phasenverschoben. Die Phasenlage der Steuerspannung gegenüber der Anodenspannung ändert sich dauernd, solange die Frequenzen der Systeme 201 und 202 nicht genau übereinstimmen. Durch eine nicht gezeichnete Kunstschaltung wird dafür gesorgt, daß die Spannungen an den Steuergi.-tern2i2 und 213 in der Phase einander ziemlich nahe kommen. Das heißt, die Kunstschaltung bewirkt, daß die Phasenverschiebung von I2o° verkleinert wird. Man kann so weit gehen, daß man die Kurve der beiden Spannungen zur Deckung bringt. Durch passende Dimensionierung des Transformators ist dafür gesorgt, daß die Sekundärspannungen ausgeprägte Spitzen bilden. Zu dem Zweck ist die Anordnung so> getroffen, daß der Transformator 216 bei dem Amplitudenwert der Wechselspannung des Systems sehr stark übersättigt ist. Die Potentiale der Steuergitter 212 und 213 besitzen daher nur für einen ganz kurzen Augenblick die zum Ansprechen des Relais erforderliche gleiche positive Richtung. Diese Spitze muß zu einer Zeit auftreten, wo auch die Anodenspannung positiv ist. Um den Zeitpunkt des einsetzenden Stromdurchganges noch genauer festzulegen, kann auch die Anodenspannung verzerrt werden, so daß sie eine ausgeprägte Spitze besitzt, und die Höhe der Anodenspannung und der Gitterspannung kann so abgestimmt sein, daß nur dann, wenn sich die positive Spitze der Steuerspannung mit der positiven Spitze der Anodenspannung decken oder wenigstens teilweise überlappen, ein Stromdurchgang möglich ist. Das Entladungsgefäß gibt dann die Gewähr, daß der Strom bei einer ganz bestimmten gegenseitigen Phasenverschiebung zwischen den Spannungen der Systeme 201 und 202 entsteht und bei einer anderen Phasenverschiebung wieder erlischt. Es hängt in der Hauptsache von der Form der am Entladungsgefäß liegenden Wechselspannungen ab, ob der Be- nc reich der Phasenverschiebung, innerhalb dessen ein Zünden des Entladungsgefäßes möglich ist, schmal oder breit ist. Mit Hilfe des Entladungsgefäßes kann man erreichen, daß der Strom zur Erregung der Einzelspule 204 in einem ganz bestimmten Voreilwinkelbereich erzeugt wird, so daß wegen der unvermeidlichen Schalterverzögerung die Kupplung der Systeme 201 und 202 möglichst im richtigen Augenblick der vollkommenen Phasengleichheit der Wechselstromsysteme 201 und 202 erfolgt.

Der über das Entladungsgefäß 205 fließende Strom wird, wie bereits gesagt wurde, von einem Transformator 214 geliefert und fließt über einen Widerstand 217. Beim ersten Stromdurchgang durch das Entladungsgefäß 205 wird ein Relais 218 kurzzeitig erregt. Relais 218 hebt seinen Anker 219 und schaltet dadurch ein Relais 220 kurzzeitig an Spannung. Relais 220 zieht seinen Anker 221 an und bereitet dadurch einen Haltestromkreis für sich vor, der aber erst geschlossen wird, nachdem Relais 218 seinen Anker 219 wieder hat fallen lassen. Relais 220 besitzt Abfallverzögerung, so daß der Anker 221 noch angezogen ist, wenn Relais 219 wieder auf seinen unteren Kontakt, zurückfällt. Über den abgefallenen Anker 219 und den angezogenen Anker 221 ist der Haltestromkreis für das Relais 220 geschlossen. Der Haltestromkreis verläuft über einen Hilfskontakt 242 am Kupplungsschalter. Beim Schließen des Kupplungsschalters 203 wird der Haltestromkreis unterbrochen, und Relais 220 kehrt wieder in seine Ruhelage zurück. Die Verzögerung des Relais 220 ist nur gering, da der Erregerstromkreis des Relais 220 nur während des schnell verlaufenden Stellungswechsels des Ankers 219 unterbrochen wird. Relais 220 steuert noch einen zweiten Kontakt 223 im Stromkreis der Auslösespule 204. Wenn Kontakt 223 geschlossen ist und die zweite Zündung des Entladungsgefäßes 205 einsetzt, wird die am Widerstand 217 entstehende Spannung dem Einschaltrelais 204 zugeleitet. Diese zweite Zündung hat die Schließung des Kupplungsschalters 203 zur Folge. Damit die Erregung der Spule 204 auch ausreicht zur Betätigung des Schalters, kann ihr ein Kondensator 224 parallel geschaltet werden. Es empfiehlt sich dann die Einschaltung eines Ventils 225, welches die Aufgabe hat, die Entladung des Kondensators über den Widerstand 217 zu verhindern, so daß also der Kondensator 224 die ganze in ihm' gespeicherte Energie nur über die Einschaltspule 204 entladen kann. Die Relais 218 und 220 sind vorgesehen, damit der Augenblick der Erregung der Spule 204 nicht von dem Augenblick der Schließung des Schalters 207 abhängig ist. Dadurch würde der beabsichtigte Zweck, nämlich die Einschaltvorgänge mit einem ganz bestimmten Phasenvoreilwinkel gegenüber der Spannung einsetzen zu lassen, vereitelt; denn es ist der Fall denkbar, daß der Zündkreis 207, 208, 209, 210 kurz vor Schluß der in jeder Periode des Wechselstromes wiederkehrenden Brenndauer geschlossen wurde. Es würde dann die Erregung der Spule 204 zu spät einsetzen.

Zur Beeinflussung des Phasenbereiches zwischen zwei Spannungen U₁ und U₂, in dem ein Entladungsgefäß stromdurchlässig ist, können nach Fig. 3 und 4 auch Hilfsmittel zur Vergrößerung der Zeitkonstante eines Stromkreises angewandt werden. Die in Reihe geschalteten Glimmrelais 100 und 101 (Fig. 3 und 4) liegen jedes an einer anderen Wechselspannung CZ₁ oder U₂. Bei gleicher Richtung beider Momentanspannungen ist die Reihenschaltung der Röhren stromdurchlässig. In Fig. 3 wird durch den Strom ein Kondensator 102 mit Ableitungswiderstand 107 über einen Widerstand 103 langsam aufgeladen. Hält die Stromdurchlässigkeit der Glimmrelais lange genug an, dann kommt ein Relais 104 zum Ansprechen, wodurch ein Schütz 106 Strom aus der Batterie 105 erhält. In Fig. 4 wird die Zeitverzögerung durch eine Drosselspule 108 erzielt, welche im ersten Augenblick den Strom durch den Widerstand 109 so klein hält, daß am Widerstand 109 keine zur Zündung des Relais 104 ausreichende Spannung entsteht. Die Drosselspule 108 und die Kapazität 102 müssen der Zeitverzögerung angepaßt sein, welche sie hervorrufen sollen.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Relaiseinrichtung, welche anspricht, wenn die Phasenlage zwischen zwei zu vergleichenden periodischen elektrischen Größen einen bestimmten Grenzwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergleichenden Meßgrößen auf den Steuer- oder Zündkreis oder den Anodenkreis eines Gas- oder Dampfentladungsgefäßes derart einwirken, daß dieses nur bei Überschreiten des vorher bestimmten Grenzphasenwinkels der zu überwachenden Größen anspricht.
2. 2. Relaiseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anwendung von Mitteln zu einer solchen Verzerrung der Kurvenform einer oder mehrerer das Entladungsgefäß beeinflussender Spannungen, daß ein wählbarer Phasenwinkel für den Ansprechbereich der Relaiseinrichtung zustande kommt.
3. 3. Relaiseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine von den beiden in ihrer relativen Phasenlage zu überwachenden Spannungen in eine Rechteckkurvenform, die andere in eine Kurve mit je einer hohen Spannungsspitze pro Halbwelle umgeformt ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen