DE68918573T2

DE68918573T2 - Differentialschutzrelais.

Info

Publication number: DE68918573T2
Application number: DE68918573T
Authority: DE
Inventors: Makoto C O Mitsubishi D Terada; Yosuke Mitsubishi De Tsujikura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-01-18
Filing date: 1989-11-23
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: EP0378786A3; US4991052A; AU4479089A; EP0378786A2; EP0378786B1; DE68918573D1; IN172453B; JPH07114532B2; AU616577B2; JPH02193523A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Differentialschutzrelais, mit dem eine mehrfach verzweigte Sammelschiene mit einer Mehrzahl von Anschlüssen differentiell über Stromtransformatoren, die in den einzelnen Leitungen angeordnet sind, geschützt ist.

Beschreibung des Standes der Technik

Fig. 1 zeigt ein Systemverbindungsdiagramm mit einem Differentialschutzrelais. Das Bezugszeichen 0 bezeichnet eine Sammelschiene, die Bezugszeichen 1 bis n bezeichnen mit der Sammelschiene 0 verbundene Anschlüsse, die Bezugszeichen 11 bis 1n stellen Stromtransformatoren (nachfolgend als CT bezeichnet) dar, die an entsprechende Anschlüsse 1 bis n angeschlossen sind. ZD bezeichnet eine Impedanz einer Differentialschaltung 20, der die Sekundärkreise der erwähnten CT 11 bis CT In parallel geschaltet sind.
Im allgemeinen können Differentialschutzrelais in zwei Kategorien eingeteilt werden, nämlich in solche mit hoher Impedanz und in solche mit niedriger Impedanz, wobei für die Impedanz ZD der oben erwähnten Differentialschaltung 20 entweder eine hohe Impedanz oder eine niedrige Impedanz ausgewählt wird.
Wird im ersteren Fall die Differentialschaltung durch eine verhältnismäßig hohe Impedanz ZD überbrückt, so wird von den Stromtransformatoren CT 11 bis CT 1n, die differentiell angeschlossen sind, nur eine verhältnismäßig geringe Energie übertragen. Dies hat zum Ergebnis, daß der in die Differentialschaltung 20 fließende Strom bei einem internen Fehler in gleicher Weise niedrig ist, aber an der Impedanz ZD der Differentialschaltung 20 eine verhältnismäßig hohe Spannung abfällt. Fließt aufgrund eines externen Fehlers der entsprechende Strom durch die CT 11 bis CT 1n, so addieren sich die Spannungsabfälle an den Leitungswiderständen der Sekundärkreise der differentiell angeschlossenen Stromtransformatoren CT 11 bis CT 1n zu der Erregungsimpedanz der Stromtransformatoren am Stromanschluß des externen Fehlers, so daß diese Werte nicht denjenigen Wert überschreiten, der durch den Spannungsabfall gegenüber dem Strom der Erregercharakteristik des Stromtransformators bestimmt wird.
Andererseits wird bei einer Differentialschaltung mit niedriger Impedanz ein großer Anteil des parallel fließenden Stromes von den differentiell angeschlossenen CT 11 bis CT 1n in die Impedanz ZD fließen, so daß ein großer Teil der Energie an die Differentialschaltung übertragen wird.
Dies hat zur Folge, daß die an der Impedanz der Differentialschaltung abfallende Spannung nicht so stark ansteigt wie im Falle eines internen Fehlers.
Während bei einem externen Fehler die Sekundärerregungsimpedanz des CT In am Stromausgang gegenüber der Impedanz ZD der Differentialschaltung etwa den gleichen Wert zeigt, wird im Falle eines niedrigeren Wertes ZD ein größerer Kurzschlußstrom durch die Impedanz ZD der Differentialschaltung fließen, und zwar aufgrund des Spannungsabfalls entlang des Leitungswiderstandes, der mit den CT 11 bis 1n-1 verbunden ist.
Dies kann zu einer Fehlfunktion führen im Falle einer Differentialschaltung mit niedriger Impedanz, wenn ein hoher externer Fehlerstrom fließt.
Wird angenommen, daß der Widerstandswert der Differentialschaltung 20 gleich RD ist und der Gesamtwiderstandswert des Pfades mit dem Leitungswiderstand der Sekundärschaltung des CT mit R&sub2; bezeichnet wird (hier handelt es sich um den Widerstandswert RS der Sekundärwicklung des CT und um den Widerstandswert RL des sekundären Anschlußdrahtes des CT), so ergeben sich für den Strom ID der Differentialschaltung und für die Spannung VD der Differentialschaltung (d. h. eine Spannung über der Impedanz ZD) die folgenden Werte, wenn ein maximaler externer Fehlerstrom IFE max fließt:
Die Spannung der Differentialschaltung überschreitet nicht einen vorbestimmten Wert.
Wird andererseits im Falle eines internen Fehlers, wenn die Spannung VD der Differentialschaltung über der Impedanz ZD durch die eingestellte Empfindlichkeit der zugeführten Spannung VS festgestellt, so ergibt sich ein minimaler interner Fehlerdetektorstrom wie folgt:
Es wird bemerkt, daß Iex(VS) ein sekundärer Erregerstrom gegenüber der zugeführten Spannung ist, während n die Anzahl der an die Sammelschienen angeschlossenen Verbindungsleitungen ist.
Da konventionelle Differentialschutzrelais mit hoher Impedanz in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaut sind und entsprechend arbeiten, tritt bei solchen Differentialschutzrelais mit hoher Impedanz das folgende Problem auf.
Obwohl das Differentialrelais so eingestellt werden kann, daß es beim Auftreten eines externen Fehlers unterhalb des durch die Gleichung (1.3) aufgeführten Wertes keine Fehlfunktion ausführt, so muß der minimale Ansprechstrom bei einem internen Fehler die Gleichung (1.4) erfüllen, wenn das Relais entsprechend dem Wert der Gleichung (1.3) eingestellt ist. Mit anderen Worten, es besteht das Problem, daß wenn die Anzahl der an die Sammelschiene angeschlossenen Anschlüsse zu groß wird und der interne Fehlerstrom kleiner wird, die minimale Ansprechempfindlichkeit sowohl durch die sekundäre Erregercharakteristik Iex-Vex des Stromtransformators und der Anzahl der Leitungen n nachteilig variiert.
US-A-3 992 649 beschreibt ein Differentialschutzrelais, wie es in dem Oberbegriff des Anspruches 1 definiert ist, und bei dem Schaltmittel die Impedanz der Differentialschaltung abhängig von einer Spannung der Differentialschaltung erniedrigen.

Zusammenfassung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Differentialschutzrelais vorzuschlagen, bei dem entweder eine Differentialschaltung mit hoher Impedanz oder eine Differentialschaltung mit niedriger Impedanz automatisch eingeschaltet wird, und wobei die Empfindlichkeit des Differentialschutzrelais dadurch erhöht wird, daß nur die Vorteile der Differentialschaltungen mit hoher oder niedriger Impedanz ausgenutzt werden, auch wenn ein interner Fehlerstrom mit kleinem Wert auftritt. Hierdurch wird ein verbessertes Ansprechverhalten bei der Fehlererkennung erzielt.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe ist das für eine Sammelschiene bestimmte Differentialschutzrelais mit den Merkmalen des Anspruches 1 aufgebaut.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Stromversorgungssystems, an das ein Differentialschutzrelais gemäß der vorliegenden Erfindung angeschlossen ist;
Fig. 2 ist ein Schaltbild zur Erläuterung des Arbeitsprinzips der vorliegenden Erfindung im Falle eines externen Fehlers;
Fig. 3 ist ein Schaltbild zur Erläuterung des Arbeitsprinzips der vorliegenden Erfindung im Falle eines internen Fehlers;
Fig. 4 zeigt die Spannungs-Strom-Beziehungen zur Erläuterung der Grundcharakteristik nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist ein schematisches Blockschaltbild zur Darstellung eines Differentialschutzrelais, bei dem das Prinzip der vorliegenden Erfindung angewandt ist; und
Fig. 6 ist ein Schaltbild einer Verriegelungsschaltung des Differentialschutzrelais gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen

Unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt nun eine detaillierte Beschreibung eines Differentialschutzrelais gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Grundfunktion der vorliegenden Erfindung dargestellt, und zwar für den Fall eines schweren externen Fehlers, der an einem Punkt F des Anschlusses n des Stromversorgungssystems nach Fig. 1 auftritt. Im vorliegenden Fall fließen Ströme I&sub1;, I&sub2;, . . . , In-1 von entsprechenden Anschlüssen I bis n-I durch die Sammelschiene 0 zum Anschluß n, und der oben erwähnte Gesamtstrom In (= IFE) fließt aus diesem Anschluß n heraus.
Da zwischen den Anschlüssen 1 bis n-1 die oben erwähnten CT 11 bis CT 1n-1 Wicklungswiderstände RS und sekundäre Leitungswiderstände RL aufweisen, entstehen über diesen Widerständen entlang der äquivalenten Schaltungen 121, 122, . . . , (n-1, n, 1) (n-1, n, 2) entsprechende Spannungsabfälle, wie in Fig. 2 zu sehen ist.
Wie allgemein bekannt, tritt als Konsequenz über der Impedanz ZD der Differentialschaltung 20 die folgende Differentialschaltungs-Spannung VD auf:
VD ≤ VE =IFE (RS + RL) (2.1)
Hierbei ist VE gleich der Differentialfehlerspannung, IFE ist gleich dem externen Fehlerstrom (der in die Sekundärwicklung des CT transformiert wird), RS ist der Wicklungswiderstand der Sekundärwicklung des am Fehler liegenden CT und RL ist der Leitungswiderstand am Anschluß des am Fehler liegenden CT.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Grundfunktion bei einem internen Minimalfehler, der am Punkt F der Sammelschiene 0 des Stromversorgungssystems nach Fig. 1 auftritt, wobei die Stromverteilung dargestellt ist. Im vorliegenden Fall ist der Detektorstrom minimal, und dieser Minimalwert wird für den Sekundärkreis des CT wie folgt ausgedrückt:
Hierbei ist Iex = fe(VD) eine bekannte Beziehung der CT-Sekundärerregungscharakteristik, IR = gz(VD) ebenfalls eine Beziehung, wie sie als Impedanzcharakteristik des Sammelschienen-Differentialschutzrelais bekannt ist, während n die Anzahl der Sammelleitungsanschlüsse bezeichnet.
Im allgemeinen ist der durch die Beziehungsgleichung Iex = fe (VD) bestimmte Wert in der Anlage nicht so einfach veränderbar, jedoch kann die Impedanzcharakteristik der Impedanz ZD statt dessen verändert werden. Obwohl normalerweise der durch die Beziehungsgleichung IR = gz (VD) bestimmte Wert normalerweise ausreichend klein gemacht werden kann, ist die Erregungscharakteristik der Sekundärseite des CT wegen der Gleichung Iex = fe (VD) nicht vernachlässigbar, so daß in einem solchen Fall eine Differentialschaltungsspannung VD für die Betätigung des Differentialrelais, das an die Differentialschaltung 20 angeschlossen ist, benötigt wird, wenn der interne Fehler etwa den Wert von 100 V überschreitet. Dies hat einen nachteiligen Einfluß auf die minimale Ansprechschwelle des Primärstromes des CT bei einem internen Fehler.
Um einen solchen nachteiligen Einfluß zu vermeiden, ist es notwendig, einen Zustand zu schaffen, bei dem das Differentialrelais auch dann anspricht, wenn die Differentialschaltungsspannung VD deutlich kleiner ist.
Nachfolgend soll nun die Grundcharakteristik des oben erwähnten Differentialschutzes unter Bezug auf Fig. 4 näher erläutert werden. In Fig. 4 zeigt die Ordinate die Differentialschaltungsspannung VD und auch die sekundäre Erregerspannung Vex des CT, während die Abszisse auf der linken Seite den Fehlerstrom IF und auf der rechten Seite den sekundären Erregerstrom Iex des CT zeigt.
Die Arbeitscharakteristik eines Differentialrelais 87 (diese Zahl zeigt gleichzeitig die NEMA-Schalttafelnummer an), das an die Anschlüsse 20-1 und 20-2 der oben erwähnten Differentialschaltung 20 angeschlossen ist, wird durch den Ausdruck VD-IF dargestellt, während die CT-Sekundärerregungscharakteristik durch den Ausdruck Vex-Iex ausgedrückt wird. Die Erregungscharakteristik für den Fall, daß n Teile des CT die gleiche CT-Sekundärerregungscharakteristik haben, wenn sie parallel geschaltet sind, wird mit Vexn-Iex bezeichnet.
Das Funktionsprinzip mit einer solchen Einstellung der Charakteristik für die verschiedenen Fehlerzustände wird nachfolgend beschrieben:

(i) Erkennung eines internen Fehlers

Es soll auf einen Teil eines Gradienten eines Widerstandes RD1 in der Differentialschaltung 20 entlang der Arbeitscharakteristik VD-IF des Differentialrelais 87 entsprechend der linken Hälfte der Fig. 4 hingewiesen werden. Der Widerstandswert des Widerstandes RD der Differentialschaltung 20 wird so ausgewählt, daß er einen verhältnismäßig niedrigen Wert im Bereich von einigen Ohm aufweist. Das Differentialrelais 87 beginnt zu arbeiten, wenn der Fehlerstrom IF hineinfließt und die Spannung einen minimalen Ansprechwert entsprechend der Differentialspannung V&sub1; erreicht. Wird angenommen, daß der Strom zu diesem Zeitpunkt gleich IF1 hat, so wird die Ansprechempfindlichkeit wie folgt ausgedrückt unter der Annahme daß n CT angeschlossen sind, wobei die Differentialspannung einem Satz von Sekundärkreisen des CT zugeführt wird, die parallel zueinander geschaltet sind:
IF min = IF1 + Iexn.1 = IF1 + n Iex1.1 (2.3)
Hierbei entspricht Iexn.1 dem CT-Sekundärerregerstrom bei der minimalen Ansprechspannung V&sub1; in dem Fall, daß n CT parallel zueinander geschaltet sind, während Iex1.1 einem CT-Sekundärerregerstrom bei der minimalen Ansprechdifferentialspannung entspricht, wenn ein CT angeschlossen ist.
Wird die minimale Ansprech-Differentialspannung V auf einen niedrigen Wert festgesetzt, so werden die äquivalenten Ansprechströme des Systems auf der Primärseite, nämlich IF1 und Iexn.1 gegenüber dieser minimalen Ansprech-Differentialspannung V&sub1; genügend klein, so daß sich die Fehleransprechempfindlichkeit aufgrund der CT-Sekundärerregungscharakteristik ebenfalls entsprechend ändert und somit auf einen gewünschten Planwert festgelegt werden kann.
Mit anderen Worten, der Gradient der Arbeitscharakteristik VD-IF des Differentialrelais 87 wird so niedrig ausgewählt, daß die Differentialschaltungsspannung VD im minimalen Ansprechverhalten niedrig gehalten wird. Zur gleichen Zeit wird unter solchen Bedingungen eine höhere Empfindlichkeit erreicht, da der CT-Sekundärerregerstrom gering ist und außerdem der Änderungsbereich der minimalen Ansprechschwelle durch Variation der Anzahl von Anschlüssen, die mit der Sammelschiene 0 verbunden ist, unterhalb eines vorbestimmten Wertes gelegt wird, so daß keine praktischen Probleme auftreten können.

(ii) Verhinderung des Fehlansprechens bei einem maximalen externen Fehler

Sind n Anschlüsse 1 bis n mit der Sammelschiene 0 verbunden und tritt an den Anschluß n nach Fig. 2 ein externer Fehler auf, so wird die an der Impedanz ZD der Differentialschaltung 20 auftretende Differentialkreisspannung VD durch die vorstehende Formel 2.1 ausgedrückt. Ist die Fehlerdifferentialspannung VE nach der Formel 2.1 gleich V&sub2; entsprechend Fig. 4, so wird die Spannung V&sub3; mit einem geeigneten Beziehungsverhältnis gegenüber dieser Fehlerdifferentialspannung V&sub2; ausgedrückt, und das Differentialspannungsdetektorelement das zum Ansprechen bei dieser Spannung V&sub3; eingestellt ist, kann nicht in falscher Weise ansprechen, auch wenn der maximale externe Fehlerstrom durch die Sammelschiene 0 fließt. Es wird bemerkt, daß der interne Fehlerstrom zur Erzeugung der Spannung V&sub3; gleich einem Wert lIF1 ist, und zwar entsprechend einem Punkt P&sub3; nach Fig. 4. Der CT Sekundärerregerstrom variiert zwischen Iex1.3 und Iexn.3. Dies hat zur Folge, daß der minimale Ansprechwert IF des Systems (ausgedrückt als CT-Sekundärstromwert) wie folgt ist:
In anderen Worten, der minimale Ansprechwert des Systems variiert im Bereich von
Somit wird der minimale Ansprechwert deutlich angehoben im Vergleich mit dem Fall des minimalen Ansprechstromes IF1.

(iii) Gesamtfunktion

Da in den vorstehend beschriebenen beiden Fällen zwei verschiedene Werte IF und lIF1 existieren, sollte die folgende Beziehung zwischen beiden erfüllt werden, und außerdem sollte die Charakteristik VD-IF die nachfolgend beschriebene gestrichelte Linie in Fig. 4 mit den beiden Kurvenverläufen RD1, RD2 erfüllen:
Hierbei ist IF1 = VD/RD1.
Dies bedeutet, daß wenn die Differentialkreisspannung VD niedrig ist, ein verhältnismäßig niedriger Widerstandswert wie RD1 der Differentialschaltung 20 durch die Impedanz ZD dargestellt wird. Ist die Differentialschaltungsspannung VD hoch, so wird ein verhältnismäßig hoher Widerstandswert wie RD2 der Differentialschaltung 20 durch die Impedanz ZD dargestellt. Dies hat zur Folge, daß das Differentialschutzrelais 87 gemäß der vorliegenden Erfindung in niedrigeren Strombereichen als Stromdifferential arbeitet, bei höheren Strombereichen jedoch als Spannungsdifferentialrelais.
Das Verfahren zum Einstellen eines Wertes für die Spannung V&sub0; zur Schaltung der Charakteristik VD-IF wird nach folgendem Prinzip durchgeführt. Wenn ein Strom, bei dem die Fehlerdifferentialspannung VE (erzeugt durch Schwankungen in jeder CT-Charakteristik und aufgrund der Sekundärkreiskonstanten) die Minimalansprechdifferentialspannung V&sub1; (die auf hohe Empfindlichkeit eingestellt ist) erreicht, k-mal größer als der minimale Arbeitsstrom IF1 ist, so sind die folgenden Gleichungen erfüllt:
Mit anderen Worten, wenn der Widerstand RD der Differentialschaltung 20 auf einen geeigneten Wert eingestellt wird, so ist der Wert k immer größer als 1, und es ist möglich, k > l zu bestimmen.
Ist ein Fehlerstrom gleich oder niedriger als m IF1, so spricht der Schalter zum Erkennen der Differentialkreisspannung V&sub0; an, bevor das Stromdifferentialelement mit der höheren Empfindlichkeit fälschlicherweise anspricht, so daß die Impedanz ZD der Differentialschaltung 20 auf eine hohe Impedanz geschaltet wird und somit als Spannungsdifferentialelement arbeitet. Somit tritt nicht das Problem auf, daß der Umschaltvorgang entsprechend der gestrichelten Charakteristik verläuft, und die beiden Widerstandswerte RD können festgelegt werden abhängig von der Differentialspannung VD. Die Umschaltspannung V&sub0; mit der doppelten Verlaufscharakteristik VD-IF kann auf V&sub0; eingestellt werden, und zwar unterschiedlich von V&sub1;, wie aus der nachfolgenden Beziehung zwischen V&sub0; und der Fehlerdifferentialspannung Ve hervorgeht:
Unter Bezug auf Fig. 5 wird nun das interne Schaltbild des Differentialrelais 87 beschrieben, das mit der Differentialschaltung 20 verbunden ist. In Fig. 5 bedeuten die Bezugszeichen 20-1 und 20-2 die Anschlüsse der Differentialschaltung 20, während das Bezugszeichen 21 sich auf einen Spannungstransformator zum Transformieren der an diesen Anschlüssen auftretenden Spannung auf einen geeigneten Spannungswert bezieht. Die Bezugszeichen 22-1 und 22-2 zeigen Zündkreise an, die Sekundärspannungen entgegengesetzter Polarität von dem Spannungstransformator 21 erhalten. Diese Zündkreise erzeugen Spannungen geeigneter Amplitude und Form zum Ein- und Ausschalten eines Halbleiterleistungsschalters der nachfolgenden Stufe. Die Bezugszeichen 23-1 und 23-2 beziehen sich auf Halbleiterleistungsschalter, die durch Zündspannungen der vorher beschriebenen Zündkreise 22-1 und 22-2 zünden, um Spannungswellen mit zueinander entgegengesetzter Polarität zu schalten. Das Bezugszeichen 24 bezieht sich auf einen Widerstand, der unbeeinflußt oder durch die Halbleiterleistungsschalter 23-1 und 23-2 kurzgeschlossen werden kann, während die Bezugszeichen 25-1 und 25-2 Widerstände sind, die zu dem Widerstand 24 in Serie geschaltet sind. Das Bezugszeichen 26 bezieht sich auf einen Transformator, dessen Primärwicklung in Serie mit den Widerständen 24, 25-1 und 25-2 geschaltet ist, während das Bezugszeichen 27 einen Spannungstransformator anzeigt, um eine an dem Widerstand 25-2 auftretende Spannung zu transformieren. Die Halbleiterleistungsschalter 29-1 und 29-2 werden nur durch die Zündkreise 28-1 und 28-2, die an die Sekundärwicklung des Spannungstransformators 27 angeschlossen sind, eingeschaltet. Das Bezugszeichen 30 bezieht sich auf ein Spannungsdetektorelement, das an die vierte Wicklung des vorher erwähnten Transformators 21 angeschlossen ist, um die Amplitude einer über den Anschlüssen 20-1 und 20-2 anliegenden Spannung zu messen. Das Bezugszeichen 31 bezieht sich auf ein Spannungsdetektorelement zum Messen der Spannung, die durch den Transformator 26 transformiert wurde, um ein Signal 1 (zum Schließen eines Kontaktes) zu erzeugen, wenn der Primärstrom des Transformators 26 von den Anschlüssen 20-1 und 20-2 einen geeigneten Wert erhält. Das Bezugszeichen 32 bezieht sich auf ein Spannungsdetektorelement zum Messen der vom Transformator 26 transformierten Spannung, um dann ein Signal 1 (zum Schließen eines Kontaktes) zu erzeugen, wenn die vom Transformator 26 transformierte Spannung höher als der äquivalente Wert der Spannung über den Anschlüssen 20-1 und 20-2 ist. Das Bezugszeichen 33 bezieht sich auf ein Spannungs- bzw. Stromdetektorelement zum Messen der Amplitude einer Spannung, die durch den Transformator 27 transformiert wird, und dieses Detektorelement spricht dann an, wenn der Sekundärstrom des CT höher als ein vorbestimmter Wert durch die Anschlüsse 20-1 und 20-2 ist, um einen geeigneten Ausgangskreis bei einem schweren externen Kreis zu bilden.
Es wird bemerkt, daß der Transformator 21, die Zündkreise 22-1 und 22- 2 sowie die Halbleiterleistungsschalter 23-1 und 23-2 eine erste Umschaltvorrichtung 41 bilden zum Umschalten der Impedanz der Differentialschaltung 20. In ähnlicher Weise bilden der Transformator 27, die Zündkreise 28-1 und 28-2 sowie die Halbleiterleistungsschalter 29-1 und 29-2 eine zweite Umschaltvorrichtung 42 zum Umschalten der Impedanz der Differentialschaltung 20. Eine Verriegelungsschaltung 51 zum Auslösen eines Stromkreisunterbrechers wird durch eine Entscheidungslogik dargestellt, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist. Diese wird durch die entsprechenden Kontakte 30-a, 30-b, 31-a, 32-a und 33-a gebildet, die Ausgangsschaltsignale der vorstehend beschriebenen Detektorelemente 30, 31, 32 und 33 bilden.
In Fig. 6 bedeutet das Bezugszeichen 52 eine Auslösewicklung des Trennschalters, während das Bezugszeichen 52-a einen Kontakt dieses Trennschalters 52 bezeichnet.
Nachfolgend soll die Gesamtschaltung des Differentialrelais 87 nach Fig. 5 beschrieben werden.

(a) Leichter interner Fehler:

Ist z. B. eine Spannungsquelle über eine einzige Übertragungsleitung n mit der Sammelschiene 0 verbunden, so kann ein Strom vom CT 1n dieses Anschlusses n zur Differentialschaltung 20 fließen. Da der über der Differentialschaltung 20 auftretende Spannungsabfall (Differentialspannung) niedrig ist, ist die über den Spannungstransformator 21 den Zündkreisen 22-1 und 22-2 zugeführte Spannung ebenfalls niedrig. Dies hat zur Folge, daß die Zündkreise 22-1 und 22-2 nicht zünden, so daß die Halbleiterleistungsschalter 23-1 und 23-2 nicht geschaltet werden, so daß der Widerstand 24 kurzgeschlossen bleibt.
Dies hat zur Folge, daß die Differentialschaltung 20 als Schaltung mit niedriger Impedanz betrieben wird, wobei die Widerstände 25-1 und 25-2 mit niedrigen Werten und die Primärwicklung des Transformators 26 zwischen die Anschlüsse 20-1 und 20-2 geschaltet sind. In diesem Fall arbeitet das Differentialrelais 87 als Stromdifferentialrelais mit niedriger Impedanz.
Es wird bemerkt, daß das Spannungsdetektorelement 30 der Differentialschaltung 20 zurückgestellt ist (der Kontakt 30-b ist geschlossen), so daß hierdurch die Funktion des Spannungsdetektorelements 31 nicht verriegelt ist.

(b) Mittlerer interner Fehler:

In diesem Fehlerfall werden Fehlerströme nicht nur von dem vorher angegebenen CT 1n, sondern auch von einigen der anderen Anschlüsse von Stromquellen dem internen Fehlerpunkt zugeführt. Dies hat zur Folge, daß die an der Differentialschaltung 20, also zwischen den Anschlüssen 220-1 und 20-2 zugeführte Spannung weiter zunimmt gegenüber dem vorher beschriebenen Fall. Dies bewirkt, daß die über den Spannungstransformator 21 den Zündkreisen 22-1 und 22-2 zugeführte Spannung ebenfalls zunimmt. Hierdurch zünden die Zündkreise 22-1 und 22-2 und schalten die Halbleiterleistungsschalter 23-1 und 23-2, so daß ein zwischen Anode und Kathode kurzgeschlossener Pfad nun geöffnet wird. Dies hat zur Folge, daß die zwischen den Anschlüssen 20-1 und 20-2 liegenden Widerstände 24, 25-1 und 25-2 sowie die Primärwicklung des Transformators 26 in Serie liegen, so daß die Differentialschaltung 20 nun eine hohe Impedanz zeigt. Wenn nun ein durch die Primärwicklung des Transformators 26 fließender Strom festgestellt wird und das Spannungsdetektorelement 32 mit einer niedrigeren Empfindlichkeit anspricht und den Kontakt 32-a schließt, so bedeutet dies, daß ein mittlerer interner Fehler festgestellt werden kann.
In einem solchen Fall wird beim Ansprechen des Spannungsdetektorelements 32 das Differentialrelais 87 als Spannungsdifferentialrelais geschaltet. Durch Ansprechen der oben beschriebenen Halbleiterleistungsschalter 23-1 und 23-2 spricht das Spannungsdetektorelement 30 an und führt eine Verriegelung durch (der Kontakt 30-a wird geschlossen und der Kontakt 30-b wird geöffnet).

(c) Schwerer interner Fehler:

Ähnlich wie im vorbeschriebenen Fall eines mittleren Fehlers werden dem Fehlerpunkt F nicht nur Fehlerströme vom CT 1n, sondern auch weitere Fehlerströme von einer Anzahl von Anschlüssen zugeführt. Dies hat zur Folge, daß ein genügend hoher Strom zwischen den Anschlüssen 20-1 und 20-2 fließt. Abhängig von den Widerständen 25-1 und 25-2 und der Impedanz des Primärkreises des Transformators 26 wird zwischen beiden Anschlüssen 20-1 und 20-2 der Differentialschaltung 20 eine Differentialspannung erzeugt, und die Spannung über dem Transformator 21 erreicht ebenfalls einen ausreichenden Wert. Als Konsequenz erhöhen sich auch die über den Transformator 21 den Zündschaltungen 22-1 und 22-2 zugeführten Spannungen. Die Zündschaltungen 22-1 und 22-2 schalten somit die Halbleiterleistungsschalter 23-1 und 23-2 aus dem geschlossenen in den geöffneten Zustand. Somit wird der Kurzschluß über dem Widerstand 24 entfernt, so daß die an den Widerständen 24, 25-1 und 25-2 und der Primärwicklung des Transformators 26 auftretende Differentialspannung ausreichend hoch wird.
Die an dem Widerstand 25-2 auftretende Spannung wird nun durch den Transformator 27 transformiert und dieser betätigt die Zündkreise 28-1 und 28-2, so daß diese die Halbleiterleistungsschalter 29-1 und 29-2 zünden. Dies hat zur Folge, daß die Halbleiterleistungsschalter 29-1 und 29-2 einschalten und Kurzschlüsse bilden, also die Widerstände 24 und 25-1 kurzgeschlossen werden. Als Konsequenz wird die Impedanz ZD der Differentialschaltung 20 ausreichend niedrig, so daß der Wert der Spannung auf einen geeigneten Wert erniedrigt wird.
Da das Spannungsdetektorelement 33 ausgebildet ist, um eine geeignete Überspannung zu erkennen, wird der schwere Fehlerzustand erkannt, und es wird ein externes isoliertes Ausgangssignal zur Steuerung der Auslösekreise des Trennschalters erzeugt.
Die Einstellung dieses Spannungsdetektorelements 33 wird wie folgt bestimmt. Im Falle eines maximalen externen Fehlers (Fehlerstrom IFE max), wird der Fehlerdifferentialstrom IDE wie folgt ausgedrückt:
Dementsprechend erfolgt keine Fehlerauslösung.
Die Differentialspannung VD die aufgrund des Differentialstromes bei einem schweren internen Fehler (Fehlerstrom IF1 max) im Sekundär- (Differential-)Kreis des CT auftritt, geht aus der folgenden Gleichung hervor:
VD= RDID = RDIF1 max
Der Wert der Differenzialspannung wird wie folgt eingestellt, wobei diese ausreichend niedriger als die Isolationsüberschlagsspannung VBILS des CT-Sekundärkreises sein muß:
Hierdurch kann das Spannungsdetektorelement 33 eine einwandfreie Funktion ausüben.

(d) Leichter externer Fehler:

Da die algebraische Summe der Ströme, die durch die CT 11 bis CT 1n der Anschlüsse 1 bis n fließen, gleich 0 wird im Falle eines externen Fehlers, so fließt über die Anschlüsse 20-1 und 20-2 der Differentialschaltung 20 kein Strom, und somit liegt kein ausreichendes Eingangssignal an, um die entsprechenden Detektorelemente 31, 32, 33 zu betätigen. In der Praxis entsteht jedoch ein Differentialstrom aufgrund von Summierfehlern bei der Bildung der algebraischen Summe der Ströme aufgrund von Herstelltoleranzen der CTs. Ein Teil des algebraischen Summenstromes ist direkt proportional einem Teil des durchfließenden Stromes. Da der Wert dieses Stromes klein ist im Falle eines leichten Fehlers, so spricht das Spannungsdetektorelement 31 bei richtiger Einstellung der Spannung nicht an.
Ein Verhältnis k des bei einem externen Fehler fließenden Stromes zu dem internen Fehleransprechstrom gibt die Grenze einer Fehlbetätigung an, und dieser Wert wird wesentlich durch die Impedanz ZD der Differentialschaltung 20, den Sekundärwicklungswiderstandes RS des CT und den Leitungswiderstand RL des Sekundärkreises des CT bestimmt. Befindet sich die Umschaltvorrichtung 41 im zurückgestellten Zustand im Falle eines leichten Fehlers, so bedeutet dies, daß das Spannungsdetektorelement 31 nicht anspricht, so daß kein falsches Ansprechen erfolgt.

(e) Schwerer externer Fehler:

Im Falle eines schweren externen Fehlers fließt ein Strom, bei dem einige Risiken einer Fehlbetätigung des Spannungsdetektorelementes 31 bestehen, wenn der Wert dieses Fehlerstroms hoch wird.
Wird die Ansprechspannung der ersten Umschaltvorrichtung 41 so ausgewählt, daß sie bei einem Differentialstrom anspricht, der niedriger als der vorstehend erwähnte Wert des Fehlerstromes ist, so erfolgt ein Umschaltvorgang bei einem niedrigeren Strom als dem Fehlerstrom, so daß eine Fehlbetätigung des Spannungsdetektorelements 31 erfolgen kann. Hierdurch wird die Differentialschaltung 20 eine Schaltung mit hoher Impedanz, bei der die Widerstände 24, 25-1 und 25-2 sowie die Primärwicklung des Transformators 26 in Serie geschaltet sind.
Ist die Impedanz der Differentialschaltung 20 hoch, so kann in dieser kein ausreichender Differentialstrom zur Betätigung fließen, es sei denn, daß eine Spannung mit einem höheren Wert als einem vorbestimmten Wert zugeführt wird, damit die Differentialschaltung 20 keine Fehlbetätigung durchführt.
Wird die Ansprechspannung des Detektorelementes 32 so eingestellt, daß bei einer Spannung der Differentialschaltung keine Fehlbetätigung auftritt, wenn der maximale externe Fehlstrom durchfließt, so führt das Spannungsdetektorelement 32 auch dann keine Fehlbetätigung durch, wenn der maximale Strom bei einem schweren externen Fehler durch die Sammelschiene fließt. Insgesamt erfolgt also keine Fehlauslösung der Sammelschiene.
Wie schon im vorherigen Fall eines schweren internen Fehlers ausgeführt, wird das Strom- oder Spannungsdetektorelement 33 zum Ansprechen auf einen schweren internen Fehler auf einen ausreichend hohen Stromwert eingestellt, so daß keine Fehlbetätigung bei einem Fehlerdifferentialstrom IDE auftritt, der durch den externen Fehlerstrom in einen mit der Sammelschiene 0 verbundenen Anschluß induziert wird, und außerdem sind Vorkehrungen bezüglich einer Sicherheitsgrenze der CTs getroffen. Aus diesem Grunde führt das Strom- bzw. Spannungsdetektorelement 33 niemals eine Fehlfunktion aus.
Es wird bemerkt, daß die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele zur vorliegenden Erfindung sind. Es ist deshalb klar, daß verschiedene Abweichungen davon möglich sind, ohne sich von dem Inhalt der vorliegenden Erfindung zu entfernen; der Schutzumfang ist durch die Ansprüche definiert.
Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Impedanz der Differentialschaltung abhängig von der Spannung an den Anschlüssen der Differentialschaltung oder der Spannung an einem Teil der Impedanz geschaltet, so daß automatisch ein Differentialrelais mit hoher Impedanz oder mit niedriger Impedanz ausgewählt wird. Die Nachteile, die den entsprechenden Arten von Differentialrelais innewohnen, werden vermieden, und die Empfindlichkeit des Differentialschutzrelais kann erhöht werden, um auf sichere Weise Fehler zu erkennen, und zwar auch bei einem leichten internen Fehlerstrom. Aus diesem Grunde ergeben sich bei Anwendung der vorliegenden Erfindung in einem aktuellen Stromversorgungssystem große Vorteile.

Claims

1. Differentialschutzrelais

mit einer Mehrzahl von Stammleitungen (1, 2, . . . n), die an eine Sammelschiene (0) angeschlossen sind;

mit einem Stromtransformator (11, 12, . . . 1n) in jeder der Stammleitungen, wobei die Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren parallel zueinander geschaltet sind;

mit einer Differentialschaltung (20), die an die Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren angeschlossen ist und eine Impedanz (ZD) aufweist, durch die der Differentialstrom der Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren fließt;

mit Schaltkreisen (41, 42) zum Ändern der Impedanz (ZD) der Differentialschaltung (20);

mit einer Mehrzahl von Spannungsdetektorelementen (30, 31, 32, 33) zum Erfassen der Spannungen der Differentialschaltung (20); und

mit einer Verriegelungsschaltung (51) zum Auslösen eines Trennschalters (52), die durch die Spannungsdetektorelemente (30, 31, 32, 33) betätigte Kontakte (30-a, 30-b; 31-a; 32-a; 33-a) aufweist;

dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Umschaltvorrichtung (41) zum Ändern der Impedanz (ZD) des Differentialrelais (20) von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert abhängig von der Spannung über der Impedanz (ZD) der Differentialschaltung (20) vorgesehen ist;

daß eine zweite Umschaltvorrichtung (42) zum Ändern der Impedanz von dem zweiten Wert auf einen dritten Wert abhängig von dem Wert des Differentialstromes vorgesehen ist; und

daß die Impedanz der Differentialschaltung (20) automatisch durch die erste Umschaltvorrichtung (41) von einem niedrigen, ersten Impedanzwert auf einen hohen, zweiten Impedanzwert und durch die zweite Umschaltvorrichtung (42) von diesem hohen, zweiten Impedanzwert auf einen dritten, niedrigen Impedanzwert geändert wird.

2. Differentialschutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Umschaltvorrichtung (42) einen Spannungstransformator (27) zum Transformieren einer an einem Teil (25-2) von Widerständen (24, 25-1, 25-2) die die Impedanz (ZD) der Differentialschaltung (20) bilden, abfallenden Spannung;

daß Triggerschaltungen (28-1, 28-2) vorgesehen sind, die an eine Sekundärwicklung und eine Tertiärwicklung des Spannungstransformators (27) angeschlossen sind; und

daß Halbleiterleistungsschalter (29-1, 29-2), die durch Ausgangssignale der Triggerschaltungen (28-1, 28-2) angesteuert werden, parallel zueinander geschaltet sind, um einen Teil (24, 25-1) der die Impedanz (ZD) der Differentialschaltung (20) bildenden Widerstände zu überbrücken oder die Überbrückung zu entfernen, damit die Impedanz (ZD) von dem zweiten Wert auf den dritten Wert geändert wird.

3. Differentialschutzrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Spannungsdetektorelementen (30, 31, 32, 33) ein erstes Spannungsdetektorelement (30) enthalten, das mit einer quaternären Wicklung des Spannungstransformators (21) in der ersten Umschaltvorrichtung (41) verbunden ist; und

daß zweite und dritte Spannungsdetektorelemente (31, 32) mit unterschiedlichen Ansprechempfindlichkeiten mit einer Sekundärwicklung eines Spannungstransformators (26) verbunden sind, dessen Primärwicklung in Serie mit den Widerständen (24, 25-1, 25-2) der Differentialschaltung (20) geschaltet ist.

4. Differentialschutzrelais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsschaltung (51) zum Auslösen des Trennschalters (52) so ausgebildet ist, daß jeder der Kontakte (30-a, 30-b), die durch das erste Spannungsdetektorelement (30) betätigt werden, in Serie zu Kontakten (31-a, 32-a) geschaltet sind, die durch die zweiten bzw. dritten Spannungsdetektorelemente (31, 32) betätigt werden; und

daß diese in Serie geschalteten Kontakte (30-a, 31-a; 30-b, 31-b) einem Kontakt (33-a) parallel geschaltet sind, der durch das vierte Spannungsdetektorelement (33) betätigt wird.