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Differentialschutzeinrichtung Es ist bekannt, elektrische Maschinen,
Apparate und Leitungen gegen innere Fehler mit Hilfe eines Differentialschutzes
zu schützen. Dieser beruht auf dem Vergleich des Stromes (der Ströme), der in den
Schützling hineinfließt, mit dem Strom (den Strömen), der aus dem Schützling herausfließt.
Im fehlerfreien Betrieb stehen diese Ströme in einem bestimmten gleichbleibenden
Verhältnis, beispielsweise sind sie bei einem Generator gleich groß. Diese Ströme
werden mit Hilfe von Stromwandlern überwacht. Tritt ein Fehler in dem Schützling
auf, so ändert sich das Verhältnis der Ströme, und es fließt über das Relais ein
Strom. Bei diesen bekannten Differentialschutzeinrichtungen tritt jedoch der Übelstand
auf, daß das Relais auch ansprechen kann, wenn ein Fehler außerhalb des Schutzbereiches
der Differentialschutzeinrichtung liegt. Dieses fehlerhafteAnsprechen kann beieinem
Regeltransformator seine Ursache darin haben, daB die Wandler des Differentialschutzes
bei Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Regeltransformators nicht auch in
ihrem Übersetzungsverhältnis entsprechend geändert werden, sondern, wie es, allgemein
üblich ist, auf ein mittleres Übersetzungsverhältnis fest eingestellt bleiben. Man
kann zwar das Differentialrelais so einstellen, daß der im gesunden Betrieb über
das Relais fließende Differenzstrom dieses nicht zum Ansprechen bringt. Tritt aber
ein außenliegender Kurzschluß auf, so kann der Strom so groß werden, daß das Relais
anspricht.
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Eine weitere wesentliche Ursache für das fehlerhafte Ansprechen liegt
in der Ungleichheit der Wandlercharakteristiken. Würden die Wandler bei allen Strömen
linear übersetzen oder würden sie bei Abweichung von dieser linearen Übersetzung
immer die gleiche Charakteristik aufweisen, so würde im
fehlerfreien
Zustand des Schützlings kein Differenzstrom auftreten. In der Praxis ergeben sich
aber, wenn die Wandler in das Sättigungsgebiet kommen, Unterschiede in der Übersetzung,
bedingt bei gleichen Wandlern durch Unterschiede in der Bürde oder bei gleicher
Bürde dadurch, daß die Wandler bei verschieden hohen Strömen gesättigt werden. hierdurch
können bei großen Kurzschlußströmen, die durch einen Fehler außerhalb des Schützlings
hervorgerufen werden, große Differenzströme auftreten, die das Relais zum Ansprechen
bringen.
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Um diesen Übelstand zu vermeiden, ist es bekannt, cin sogenanntes
Prozentsatzrelais zu verwenden, d. h. ein Relais, bei welchem der Differenzstrom
im auslösenden Sinne, der Durchgangsstrom dagegen im sperrenden Sinne einwirkt.
Dadurch erhält der Schutz eine Ansprechkennlinie (Differenzstrom, bei welchem das
Relais anspricht, in Abhängigkeit vorn Durchgangsstrom), bei welcher die Höhe des
zurr Ansprechen des Relais erforderlichen Differenzstromes mit wachsendem Durchgangsstrom
zunimmt, also die Empfindlichkeit der Differentialschutzeinrichtung abnimmt. Zur
Vermeidung des fehlerhaften Ansprechens des Differentialschutzes bei Regeltransformatoren
läßt sich dieses Prozentsatzrelais gut verwenden. Dagegen muß man, um die Verschiedenheit
der Wandlercharakteristiken auf das Ansprechen des Relais zu vermeiden, die Ansprechkennlinie
des Schutzes sehr steil legen, wodurch die Empfindlichkeit des Schutzes bei inneren
Fehlern leidet.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Differentialschirtzeinrichtung,
welche diese Schwierigkeit verrneidet. Gemäß der Erfindung werden der Differenzstrom
und der Durchgangsstrom gleichgerichtet und im entgegengesetzten Sinne auf das Relais
zur Einwirkung gebracht, und es wird eine Gleichstromquelle vorgesehen, welche dem
Fließen des Durchgangsstromes über das Relais entgegenwirkt. Zu diesem Zweck kann
man beispielsweise in die Verbindungsleitung zwischen der Gleichrichteranordnung,
welche den Durchgangsstrom gleichrichtet, und dem Relais eine Spannung einfügen,
die dem Fließen des gleichgerichteten Durchgangsstromes über das Relais entgegenwirkt,
und in Reihe mit dieser Spannung ein Ventil einschalten, welches verhindert, daß
ein von dieser Spannung herrührender Strom sich über das Relais schließt. Man kann
auch beispielsweise von der Hilfsspannungsquelle einen Hilfsstrom über die Gleichrichter,
welche den Durchgangsstrom gleichrichten, führen. Man erreicht dadurch, daß vom
Durchgangsstrom Null bis zu einem bestimmten Wert des Durchgangsstromes die Ansprechempfindlichkeit
des Schutzes konstant bleibt, daß aber von einer bestimmten Höhe des Durchgangsstromes
ab die Empfindlichkeit des Schutzes abnimmt. Man wird die Bemessung zweckmäßig so
treffen, daß erst bei einem Durchgangsstrom, der gleich dem ein- bis zweifachen
Nennstrom ist, der gleichgerichtete Summenstrom Einfluß auf die Empfindlichkeit
des Schutzes gewinnt. Die Bemessung hängt dabei davon ab, welcher Durchgangsstrom
bei Auftreten eines Fehlers im Schützling noch zu erwarten ist. Die Ansprechkennlinie
bleibt also beispielsweise bis zu einem Durchgangsstrom, der gleich dem i,5fachen
des Nennstromes ist, konstant und steigt dann an. Dadurch kann ein fehlerhaftes
Ansprechen des Relais, hervorgerufen durch Wandlerfehler, verhindert werden, ohne
daß die Empfindlichkeit des Schutzes bei inneren Fehlern herabgesetzt zu werden
braucht.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung für
eine dreiphasige Anlage dargestellt.
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In der Fig. i ist mit i der Schützling, z. B. ein Regeltransformator,
bezeichnet. Die drei Stromwandler auf der Eingangsseite tragen das Bezugszeichen2,
die drei Stromwandler auf der Ausgangsseite das Bezugszeichen 3. Die Sekundärseiten
der beiden Stromwandlergruppen sind hintereinandergeschaltet. Der Unterschied der
Ströme in den Wandlern 2 und 3, also der Differenzstrom bzw. Fehlerstrom, wird durch
die Wandlergruppe 4 erfaßt. Die Ströme der Wandler 4 werden über eine Gleichrichteranordnung
7 gleichgerichtet. Es sind vier Gruppen von Gleichrichtern vorgesehen, um nicht
nur die Phasenströme, sondern auch . einen etwa auftretenden Nullstrom gleichzurichten.'
zur Gleichstromseite der Gleichrichteranordnung 7 liegt die Spule 9 eines Relais,
z. B. die Spule eines Drehspulenrelais. Es ist ferner eine Gleichrichteranordnung
8 vorgesehen, welche vom Durchgangsstrom gespeist wird. Der von der Gleichrichteranordnung
8 gelieferte Strom wirkt auf die Relaisspule 9 im entgegengesetzten Sinne ein wie
der von der Gleichrichtergruppe 7 gelieferte Strom.
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Im Ausführungsbeispiel sind zur Bildung des Durchgangsstromes zwei
Stromwandlergruppen 5 und 6 vorgesehen. Die Sekundärseiten der Wandler sind in jeder
Phase parallel geschaltet. Es wird hierbei also der Durchgangsstrom nicht durch
eine einzige Wandlergruppe erfaßt, sondern die Summe aus den ein- und austretenden
Strömen gebildet, was vorteilhaft ist, wenn die Wandlergruppen 2 und 3 sich in ihrer
Charakteristik stark unterscheiden. Wie bereits erwähnt, wird der Durchgangsstrom
bzw. die Summe der Ein- und Ausgangsströme durch die Gleichrichtergruppe 8 gleichgerichtet
und wirkt im entgegengesetzten Sinne wie der Strom der Gleichrichtergruppe 7 auf
die Relaisspule 9 ein. In der Verbindungsleitung zwischen der Gleichrichteranordnung
8 und der Relaisspule 9 liegt ein Widerstand i i, über welchen eine nur durch ein
Plus- und Minuszeichen dargestellte Gleichspannungsquelle über einen Widerstand
14 einen Hilfsstrom sendet und dadurch an dem Widerstand i1 eine Gleichspannung
erzeugt, die dem Fließen des gleichgerichteten Durchgangsstromes über die Relaisspule
9 bzw. die Wandlergruppe 7 entgegenwirkt. In ]Reihe mit dieser Gegenspannung bzw.
dem Widerstand i i liegt ein Ventil 12, das so geschaltet ist, daß die Spannung
an dem Widerstand i i keinen Strom ülaer die Relaisspule 9 treiben kann. Parallel
zu der Gleichstromseite der Gleichrichteranordnung 8 liegt ein Widerstand io, an
dessen Stelle auch Parallelwiderstände auf der Wechselstromseite der Gleichrichteranordnung
8
vorgesehen sein können. Solange die vom Durchgangsstrom am Widerstand io hervorgerufene
Spanning kleiner ist als die Summe aus der Spannung am Widerstand i i und der Spannung
in der Wicklung 9, Übt der Durchgangsstrom keinen Einfluß auf die Größe des zum
Ansprechen des Relais erforderlichen Differenzstromes aus. Der zum Ansprechen des
IZclais erforderliche Differenzstrom bleibt also lins zu diesem Wert konstant. Übersteigt
aber die Spannung an dem Widerstand io die Summe der Spannungen an dem Widerstand
i i und der Wicklung 9, so bewirkt der Durchgangsstrom eine Verringerung der Ansprechempfindlichkeit
des Schutzes, d. h. eine Erhöhung des zum Ansprechen erforderlichen Differenzstromes,
so (laß von diesem Wert ab dieAnsprechkennlinie des Schutzes ansteigt (Knickpunkt
in der Kennlinie). Der Einfluß des Durchgangsstromes ist dal)ei von der Größe der
Widerstände io und i i und von der Größe des Durchlaßw iderstandes des Ventils 12,
z. B. eines Trockengleichrichters, abhängig. Wie bereits erwähnt, wird man die Gegenspannung
am Widerstand 11 so wählen, daß der Knick in der Kennlinie bei einem Durchgangsstrom,
der ungefähr gleich dem i,5faclien Nennstrom ist, liegt, also von hier ab der zum
Ansprechen erforderliche Differenzstrom ansteigt. Die Neigung der Ansprechkennlinie
rechts vom Knickpunkt kann durch Änderung der Größe der Widerstände io oder ii bzw.
des Widerstandes des Ventils 12 geändert werden.
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Um hei Regeltransformatoren zu erreichen, daß auch in dem Bereich
unterhalb des i,5fachen Nennstromes die Ansprechkennlinie etwas, wenn auch weniger
steil als von einem Durchgangsstrom gleich dem i,5faclieti Neinistroni ab, ansteigt,
ist im Ausführungsbeispiel noch ein Widerstand 13vorgesehen, der parallel zu der
Reihenschaltung aus dem Widerstand ii und dein Ventil i2 geschaltet ist.
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fit der Fig. 2 ist die Größe des zum Ansprechen erforderlichen Differenzstromes
bzw. Fehlerstromes 7,t in Abhängigkeit vorn Durchgangsstrom IL aufgetragen. plan
sieht, daß der Strom Jd zunächst mit wachsendem Durchgangsstrom konstant bleibt,
um dann ])ei eitlem Durchgangsstrom gleich dem 1.5-fachen Nennstrom steil anzusteigen,
wobei malt, wie erwähnt, die Steilheit der Kennlinie durch Wahl der Größen der Widerstände
einstellen kann. Ist noch der Widerstand 13 vorhanden, so erreicht man eine Charakteristik,
die in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet ist, bei welcher der Strom ld unterhalb
des 1,5-fachen N etitistronies ebenfalls ansteigt und sich die Steilheit ändert,
wenn der Durchgangsstrom gleich dem i,5faclien Nennstrom ist.
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Wie bereits erwähnt, kann man auch an Stelle einer Hilfsspannung einen
Hilfsstrom einführen, und zwar über die Gleichrichteranordnung B. Solange der gleichgerichtete
Durchgangsstrom kleiner als dieser Hilfsstrom ist, bleibt er ohne Einfluß auf die
Ansprechcharakteristik, erst wenn der Durchgangsstrom den Hilfsstrom überwiegt,
wird der zum Ansprechen des Relais erforderliche Differenzstrom größer. Es ist dabei
zweckmäßig, die Gleichstromklemmen der Gleichrichteranordnung 8 durch einen Widerstand
zu überbrücken und an eine Anzapfung dieses Widerstandes die Relaisspule anzuschließen;
da durch Veränderung der Anzapfung die Neigung der Ansprechkennlinie eingestellt
werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt die Fig. 3, und zwar ist hierbei
nur die Schaltung auf der Gleichstromseite dargestellt. Bei der Anordnung nach Fig.,3
ist die durch ein Plus- und ein Minuszeiclien dargestellte Gleichstromquelle über
einen Widerstand 15 (der Widerstand 16 ist zunächst fortzudenken) an die Gleichstromklemmen
der Gleichrichteranordnung 8 angeschlossen, die durch einen Widerstand io überbrückt
werden. DieRelaisspule9 ist an eine Anzapfung dieses Widerstandes angeschlossen.
Solange der gleichgerichtete Durchgangsstrom kleiner ist als der Hilfsstrom der
Gleichspannungsquelle; der über den Widerstand 15 fließt, beeinflußt der Summenstrom
die Ansprechcharakteristik nicht. Erst wenn der Summenstrom größer ist als der Hilfsgleichstrom,
wird der zum Ansprechen des Relais erforderliche Differenzstrom erhöht, so daß die
in Fig. 2 dargestellte Charakteristik erreicht wird. Die Einstellung der Steilheit
der Kennlinie rechts vom Knickpunkt erfolgt hierbei durch Veränderung der Anzapfung
am Widerstand io. Im Ausführungsbeispiel ist, ähnlich wie bei der Anordnung nach
Fig. i, noch ein Ventil 12 in die Verbindungsleitung zur Relaisspule eingefügt,
um zu verhindern, daß von der Gleichspannungsquelle ein Strom über dieseRelaisspule
fließen kann. Dieses Ventil könnte in Wegfall kommen, wenn der Durchlaßwiderstand
der Gleichrichteranordnung 8 Null wäre.
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In den Ausführungsbeispielen ist ein Relais mit nur einer einzigen
Spule vorgesehen. Man kann aber auch ein Relais mit zwei Spulen verwenden, die einander
entgegenwirken, von denen die eine von dem gleichgerichteten Differenzstrom durchflossen
wird, während die andere über das Ventil in der gleichen Weise an die Gleichrichteranordnung
8 angeschlossen wird, wie es in den Fig. i und 3 für die Spule 9 dargestellt ist.
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Wird ein Relais mit nur einer Spule verwendet, so hat die Höhe der
beim Ansprechen an der Relaisspule auftretenden Spannung einen Einfluß auf die Lage
des Knickpunktes der Kennlinie. Will man daher den Ansprechwert des Relais einstellbar
machen, ohne den Knickpunkt zu verschieben, so muß die Ansprechspannung des Relais
konstant bleiben. Zu diesem Zweck wird der Ansprechwert des Relais nicht durch Änderung
der Vorspannung der Rückzugfeder des Relais eingestellt, sondern durch einen veränderlichen
Widerstand 14 zur Relaisspule 9, der in den Fig. i und 3 dargestellt ist.
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Bei der Anordnung nach Fig.3 wird bei Änderung der Steilheit der Ansprechcharakteristik
durch Veränderung der Anzapfung am Widerstand io die Lage des Knickpunktes becinflußt,
wenn ein Relais mit nur einer einzigen Spule vorgesehen ist. Um diese Beeinflussung
zu vermeiden, ist im Ausführungsbeispiel ein Widerstand 16 vorgesehen, dessen Größe
so gewählt ist, daß der über diesen fließende Hilfsstrom der Gleichspannungsquelle
an
ihm eine Spannung hervorruft, die gleich der Ansprechspannung
des Relais ist. Man kann dann durch Änderung der Anzapfung die Steilheit der Kennlinie
verändern, ohne die Lage des Knickpunktes der Ansprechkennlinie zu verschieben.