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Einrichtung zum selektiven Erdschlußschutz von Wechselstrom-Generatoren
Selbsttätige Einrichtungen zum Schutz von unmittelbar oder über Sammelschienen auf
ein Netz arbeitenden Wechselstrom-Generatoren gegeninnere Erdschlüsse sollen nur
dann den zu schützenden Generator vom Netz bzw. von den Sammelschienen abschalten,
wenn der Erdschluß im Generator, gegebenenfalls einschließlich eines gewissen Teiles
seiner Verbindungsleitung, liegt, während Erdschlüsse im Netz diese Schutzeinrichtungen
nicht beeinflussen sollen. Zur Erreichung dieser Selektivität pflegt man einen Hilfsstromkreis
vo:-zubereiten, der eine Erdung enthält und normalerweise offen und stromlos ist,
bei eintretendem Erdschluß jedoch sich über Erde schließt. Der ihn durchfließende
Strom betätigt die Schutzapparate. Dieser über Erde sich schließende Hilfsstrom
ist vorzugsweise ein Wattstrom und wird im folgenden künstlicher ErdSChlußstrom
genannt. Meist wird er mittels Stromwandlern in Holmgreenschaltung als Summenstrom
aus den Betriebsströmen hergeleitet. Da aber Stromwandler immer mit gewissen Fehlerströmen
behaftet sind, darf der künstliche Erdschlußstrom eine gewisse Mindestgröße nicht
unterschreiten, damit er sich von jenen Fehlerströmen abhebt. Da dieser Hilfsstromkreis
meist von der Spannung gespeist wird, die zwischen dem Systemnullpunkt und Erde
herrscht und die im folgenden mit Nullpunktspannung bezeichnet wird, wechselt die
Stärke des künstlichen Erdschlußstromes mit der Höhe der Nullpunktspannung, die
ihrerseits von der Lage
def. Erdschlusstes@::i,nexator abhängig
i'st und vom` Nullweit 'bis zütn ''Wert' der vollen PhasenF spannung ansteigen kann.
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Um nun den Meßbereich der Schutzapparate zu verkleinern und ihre Errondlichkeit
zu erhöhen, hat man verschiedene Maßnahmen erdacht, die den künstlichen -- Erdschlußstrom
begrenzen, so daß . erybeit klernmennahen Erdschlüssen im Verhältniskleiner und
bei nullpunktnahen Erdschlüssen im Verhältnis größer ist, als dem Verhältnis der
Nullpunktspannungen in diesen beiden Fällen entspricht.. Beispielsweise hat man
einen je nach der auftrefeüden Nullpunktspannung abgestuften Stromhegrenzungswiderstand
in den Stromkreis des künstlichen Erdschlußstromes eingeschaltet, öder man hat diesen
Stromkreis mit spannungsabhängigen Widerständen, wie Eisen-Wasserstoff-Lampen oder
Kombinationen von Induktivitäteir und .Kapazitäten; ausgerüstet, die bei höherer
Spannung im Verhältnis weniger Strom durchlassen als bei niederer Spannung. Alle
diese Vorkehrungen werden für, die gleiche Einschränkung der Variation des künstlichen
Erdschlußstromes um so umfangreicher: und` sind um so schwieriger zu verwirklichen,
je größer die Bereich des zu erzielenden Schutzes ist. Will man :.beispielsweise
goo/n der Generatorwicklung schützen, dann variiert die Nullpunktspannung zwischen
Klemmenerdschluß und Erdschluß an der Grenze des Schutzbereichs um den Nullpunkt
herum im Verhältnis 1 : to, bei 950,'0' Schutzbereich aber bereits im Verhältnis
1 :2o. Für letzteren Wert ist alxr der Aufwand an Zusatzapparaten schon sehr. erheblich.
Für Erdschlüsse in to bzw. 5% Nullpunktnähe bis zum Nullpunkt -selbst versagen diese
Einrichtungen völlstähdig, es sei denn, daß eine künstliche Verlagerung des Systemnullpunktes
vorgenommen wird. Solche Verlagerungen sind aber meist mit Rücksicht auf 'das angeschlossene
Netz nicht zulässig.
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Gegenstand der Erfindung ist nun eine Einrichtung, bei welcher die
-genannten Nachteile ver(-mieden werden und der für- die Selektivität des Schutzes
benötigte künstliche Erdschlußstrom unabhängig vom gewünschten Bereich der Schutzwirkung
erzeugt wird. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Erzeugung des künstE
liehen Erdschlußstromes, wenigstens bei nullpunktnahen Lagen des Erdschlusses, die
Spannung zwischen der Erdschlußstelle und einem beliebigen Punkt :des zu schützenden
Wicklungssystems verwendet wi%rd,_.der aber nicht der Systemnullpunkt ist.
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In der Zeichnung. ,.sind einige Ausführungsbeispiele für,, die .Erfindung
schematisch dargestellt. In allen diesen Beispielen wird das Eintreten eines Erdschlusses
durch Messung der Spannung zwischen Nullpunkt,ue-d Erde, ;J.h. der Nullpunktspannung,
festgestellt.
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. Gemäß, Fig. i. wird zur Erzeugung des künstlichen Er^dschlußstromes
eine Hilfserdung vorgenommen, indem; ,an die Sammelschienen R, S, T die Primärwicklung
eines Hilfstransformators 12 angeschlossen und dessen Nullpunkt bei 13 geerdet ist.
fer sind zwei Bereiche vorgesehen, denen Spannungsrela_is 2" und 2b verschiedener
Empfindlichkeit zugeordnet sind. Für Erdschlüsse mit kleiner Nullpunktspannung,
also in einem gewissen Bereich um den Nullpunkt des zu schützenden Cencrators.l'herum,
wird der künstliche Erdschlußstrom auf die erfindungsgemälie Art gewonnen, während
er für Erdschlüsse, die auf.Serhalb dieses Bereichs, nach den Generatorklemmen hin
auftreten, auf die bisher bekannte Art rein von der N ullpunktspannung erzeugt wird.
Die drei Phasen der Sekundärwicklung des Transformators 1 2 sind in Reihe geschaltet,
so daß jede Nullpunktverlagerung des Systems im Sekundärkreis desselben eine Spannung
erzeugt. Diese tritt bekanntlich im Erdschlußfall auf, und die erzeugte Spannung
bringt je nach ihrer Größe das empfindliche Relais 2b oder das unempfindlichere
Relais 2" zum Ansprechen. Im Sekundärstromkreis des Transformators 1 2 liegen zwei
Schützschalter 3" und ;,,, von denen der erstere bei Ansprechen der Relais 2", der
letztere bei Ansprechen des Relais 2b erregt wird, und ein Widerstand -.oder eine
Impedanz 4, von welchem ein Teil 4" bei- geschlossenem Schalter 3b beispielsweise
nur in dem von der Phase !Z des Trans= formators 12 gespeisten Stromkreis liegt.
Ein Auslöserelais 5 wird einerseits vom Summenstromwandler 6, anderseits von dem
am Widerstand 4 abgezweigten Spannungswandler 7 gespeist und dient zur Betätigung
der Aiislösespulen des Generatorschalters 1 1 sowie seines Erregerschalters 15.
Weitere
Generatorgruppen könne», wie angedeutet, auf.,die..Sammelschienen R, S, T arbeiten
und werden durch die gleiche Apparatur 2, 3. 4, 7, 12, 23 mit geschützt.
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Bei Eintreten eines Erdschlusses wird den Spannungsrelais 2" und 21,
die im Transformator transformierte Nullpunktspannung zugeführt. Bei größeren Nullpunktspannungen
spricht das Relais =" an, . öffnet den Stromkreis des empfindlicheren und zeitverzögerten
Relais 2b und schließt das Schütz 3", so .daß nunmehr ein durch den Widerstand 4
begrenzter künstlicher Erdschlubstrom fließt. Die am ,Widerstand 4 abgegriffene
Spannung wird vom Wandler 7 der Spannungsspule des Auslöserelais 5 zugeführt und
erzeugt dort bei vorhandenem Summenstrom, der bei Erdschluß im Generator 1 in der
Stromspule des Relais 5 auftritt, ein Drehmoment, durch das sein Kontakt geschlossen
und die Auslösung der Schalter 11 und 15
bewirkt wird. Bei Fehlern außerhalb
des Schutzgebietes jedoch bleibt das Auslöserelais 5 uriwirksam, weil im Wandler
6 praktisch kein Summenstrom auftritt und daher die Stromspule des Relais 5 unerregt
bleibt. Bei mehreren parallel arbeitenden Generatoren mu15 jedem einzelnen Generator
ein eigenes Auslöserelais 5 zugeordnet sein.
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Bei Nullpunktspannungen unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes,
-,venn also -der Erdschluß in der Nähe des Generatorsternpunktes liegt, bleibt das
Relais?, im geölfncten Zustand, und nur das Relais 2b spricht, mit kleiner Zeitverzögerung,
an. Dadurch wird das Schütz 3,, geschlossen, das über den Widerstandsabschnitt 4"
den Stromkreis nur
einer Sekundärphase des T_ansformators 12 schließt.
Für den entstehenden künstlichen Erdschlußstrom ist dann die Spannung zwischen -der
Erdschluß ; stelle und der Klemme derjenigen Phase des Generators wirksam, in @#"elcher
das Schütz 3r, liegt; im Fall des Beispiels ist dies die Phase R. Diesem Sekundärstrom
entspricht auch ein Primärstrom- in der Phase R der Generatorzuleitungen und des
Summenwandlers 6 und überträgt sich somit auf die Stromwicklung des Auslöseeelais
5. - Ferner erzeugt er im Widerstand 4" den Spannungsabfall, der zur Speisung der
Spannungsspule des Auslöserel,ais 5 dient und zusammen mit dem Summenstrom in seiner
Stromspule dieses Relais zum Ansprechen und zur Auslösung der Schalter i t und
15 bringt.
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Die Spannungsverhältnisse sind aus den Ersatzschaltbildern Fig. 2
und 4, in denen die Erde nebst den Widerständen 4 durch die Widerstände w,, w5.,
iv, ersetzt ist, sowie aus den zugehörigen Vektordiägrammen Fig. 3, 5 und 6 ersichtlich.
Ist bei klemmennahen Erdschlüssen das Schütz 3" geschlossen, so wird hier gemäß
Fig.2 und 3 der' künstliche Erdschlu13strom von der Spannung E3 erzeugt, - die hier
mit der Nullpunktspannung l0, d.'h. mit der Spannung zwischen Erdschlußstelle e
und dem Nullpunkt o identisch ist. Tritt dagegen bei einem nullpunktnahen Erdschluß
das Schütz 3b in Tätigkeit, welches ja nur von der Transformatorp'hase R gespeist
wird, ist zu unterscheiden, ob der Erdschluß, entsprechend dem ausgezogenen Pfeil
in Fig. 4, ebenfalls in Phase R (bei ie) oder, entsprechend dem gestrichelten Pfeil,
in einer anderen Phase, z. B. 7' (bei e'), liegt. Im ersten Fall wirkt als Erzeuger
des künstlichen Erdschlußstromes gemäß Fig. 5 die Phasenspannung 6, zwischen Erdschlußstelle
e und Klemme der Gerleratorphase R; im zweiten Fall wirkt- gemäß Fig. 6 die verkettete
Spannung,Er, zwischen der Erdschlußstelle e' und der gleichen Klemme.
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Die Aufteilung der Generatorwicklung wird am günstigsten, wenn dem
SpannLUigsrelais 2" bzw. dem Schütz ;" klemmenseitig 560o, dem Relais 26 bzw. Schütz
3b nullpunktseitig 440;'o der Gesamtwindungen zugeordnet werden; dann variiert der
künstliche E rdschlul3strom im Verhältnis i :2,27. Denn bei -Wandern des Erdschlusses
vom Punkt, 440'o gegen die Klemme hin wächst die N ullpunktspan,-nung U0 von 44%
auf iooo/o, also im Verhältnis 44 : 10o= i : 2,27. Und beim Wandern des Erdschltisses
von der Stelle 44% gegen den Nullpunkt hin wächst die wirksame Phasenspannung E,
von 56% auf i oo o/o bzw. die verkettete Spannung El, von 56% auf 127,50,10; die
Variation ist also maximal 56: i27,5=el>enfalls i :2,27.
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Arbeiten nun die zu schützenden Maschinen auf ein mehr oder weniger
stark kapazitives Netz, mag es eine Löschspule enthalten oder nicht, so überlagert
sich dem künstlichen Erdschlußstrom . ein Lade- bnw. Reststrom, der das Arbeiten
der Auslöserelais 5 st<ireii kann. Der Einfluß dieser Ströme auf das Auslöserelais
5 ist in zwei Vektordiagranimen Fig. 7 und B dargestellt. Fig. 7 zeigt die Vektoren
bei- l:rdsch@@11 in der - der Generatorphase R vorangehenden Phase T, Fig. 8 bei
Erdschlul5 in der der Phase R nachfolgenden Phase S, wenn der Vektordrehsinn entgegen
dem Drehsinn des Uhrzeigers angenommen wird.
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In beiden Diagrammen bedeutet U0 die Richtung der Nullpunktspannung
und- Et,. bzw. ES, die den künstlichen Erdschlußstrom l,. erzeugende Spannung. Das
Auslöserelais 5 sei so gebaut, daß es sein größtes Drehmoment entwickelt, wenn der
Strom in seiner Stromspule die Richtung A- A hat. Im Fall der Fig. 7 liefert
der - kapazitive Ladestrom /" der immer der Nullpunktspannung U0 praktisch um 9o°
voreilt, in die Richtung ADA eine drehmomenterzeugende Komponente, die diejenige
des künstlichen Erdschlußstromes 1e verstärkt; dagegen wirkt im Fall der Fig. 8
diese in die Richtung A-A fallende Komponente des Ladestromes /,. schwächend auf
das vom Strom 1" erzeugte Drehmoment.
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Wäre statt des Ladestromes I, ein induktiver Reststrom vorhanden,
so wäre die Wirkung umgekehrt, eine Drehmomentschwächung im Fall des Erdschlusses
in Phase T, eine Drehmomentverstärkung .im Fall des Erdschlusses in Phase S. Jedenfalls
bewirkt also Strom 1, eine Unsicherheit im Ansprechen des Ausläserelais 5.
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Diese wird vermieden, wenn man in jedem Fall eines Erdschlusses im
Generator die Phase der Spannung zur Erzeugung des künstlichen Erdschlußstromes
selbsttätig wechselt, indem man etwa die verschiedenen Schenkel des Hilfstransformators
12 einzeln nacheinander als Stromquelle benützt. Bei solch zyklischem Wechsel über
alle drei Phasen fällt für jede Lage des Erdschlusses im Generator und für jeden
Netzzustand mindestens einmal jede hemmende Wirkung des Lade- bzw. Reststromes weg.
Die Schutzeinrichtung arbeitet somit vollkommen unabhängig vom Netzzustand zuverlässig.
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Dies sei am Beispiel der Fig.9erläutert. Bei dieser Einrichtung braucht
man für die verschiedenen Erdschlußlagen nicht Relais verschiedener Empfindlichkeit
zu verwenden, da man den künstlichen Erdschlußstrom ohnehin nicht nur mit Hilfe
der .eigenen Phase (entsprechend Fig. 5), sondern auch durch Verkettung mit den
beiden Nachbarphasen (entsprechend Fig.6) bildet. In Fig.9 sind die beiden Relais
2" und 2b dureh andere Relais 8 und 9 und .die einphasigen Schützen 3" und 3b durch
zweipolige 3" 3" 3e ersetzt.
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Mittels -des an der Nullpunktspannung liegenden Relais 8, das sehr
empfindlich sein kann und den ganzen Bereich von der Klemme des Generators fast
bis zu seinem Nullpunkt erfaßt, wird der Erdschluß lediglich festgestellt und durch
sein Ansprechen das dreistufige gestaffelte Zeitrelais 9 eingeschaltet. Dieses schaltet
in der Reih.enfolger, s, t kurzzeitig, z. B. je t oder 2 Sekunden lang, die Erregerspulen
der Schütze 3" 35, 31 ein und gleich wieder aus. Beim Einschalten irgendeines
'dieser drei Phasenschützen genügt trotz gegenwirkender Lade- oder Restströme die
Erregung des Auslöserelais 5 sicherlich, um- ein Drehmoment zur Betätigung seines
Kontaktes -zu erzeugen.
Bei dieser Methode kommt als kleinste zur
Erzeugung des künstlichen Erdschlußstromes dienende Spannung die Phasenspannung
in Betracht, wenn nämlich der Erdschluß im Nullpunkt des Generators liegt, und die
größte gleich der verketteten Spannung dann, wenn der Kurzschluß an der Klemme des
Generators auftritt. Die Variation des künstlichen Erdschlußstromes bei Wandern
des Erdschlusses vom Nullpunkt zur Klemme des Generators beträgt also hier höchstens
1 : 1,73.
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Will man auch Erdschlüsse der abgeschalteten, aber erregten Maschine,
also bei offenem Schalter i i, erfassen, so genügt es, an den Nullpunkt des Generators
i einen anderseits geerdeten Spannungswandler 16 anzuschließen und von ihm aus das
Auslöserelais 5 über Hilfskontakte i o am Schalter 1 1 zu . speisen. Da der Stromwandler
6 stromlos ist, wird der Stromspule des Relais 5 ebenfalls eine Spannung zugeführt,
deren Phasenlage aber zur Erzeugung eines Drehmomentes verschoben werden muß, z.
B. durch Hinzufügen einer Recktanz oder eines Kondensators 14. Das Relais arbeitet
dann als zweispuliges Spannungsrelais, dessen beide Spulen im Erdschlußfall von
der Nullpunktspannung, die am Transformator 16 herrscht, gespeist werden, die eine
direkt, die andere über den Kondensator 14. Durch die Hilfskontakte i o wird bei
offenem Hauptschalter i i der Spannungswandler 16 ein- und der Spannungswandler
7 abgeschaltet.
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Selbstverständlich läßt sich die Erfindung auch bei Einzelmaschinen
anwenden, wobei dann der besondere Erdungstransformator 12 entfallen kann. Statt
dessen wird ein Nullpunkttransformator 17 verwendet, der das AnspreqhreIais 8 bei
Vorliegen eines Erdschlusses mit der Nullpunktspannung speist. Durch kurzzeitiges
Einschalten der drei Schütze 3" 3" 3e wird die gemeinsame Erdleitung
unter Strom gesetzt, die den Widerstand 4 und den Stromwandler 18 enthält. Dieser
ist dem Summenstromwandler 6 entgegengeschaltet, so daß ein beide Wandler 6 und
18 durchfließender künstlicher Erdstrom, wie er bei Netzerdsahlüssen auftritt, auf
das Relais 5 ohne Wirkung bleibt. Bei Wickklungserdsqhluß im Generator i erhält
jedoch nur der Wandler 18 einen Summenstrom. Zugleich speist der Spannungsabfall
im Widerstand 4 direkt oder über den Spannungswandler 7 die Spannungsspule des Auslöserelais
5. Bei Erdsehluß an irgendeiner Stelle der Generatorwieklung reicht der Spannungsabfall
am Widerstand 4 zusammen lriit dem Erdstrom in einer der drei Phasen trotz siörender
Lade- oder Restströme bestimmt aus, das Ansprechen des Relais 5 und damit das Auslösen
der Schalter i i und 15 zu bewirken.
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Bei den in Fig.9 und io dargestellten Beispielen wird der künstliche
Erdschlußstrom von einer Spannung erzeugt, die zwischen der Erdschlußstelle und
einer der Klemmen des Generators liegt. Statt der Klemmen kann aber auch ein beliebiger
anderer Wicklungspunkt. verwendet werden, der zwischen dem Nullpunkt und den Klemmen
liegt; die Meßspannung und der künstliqhe Erdschlußstrom werden dann entsprechend
kleiner.
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Der künstlicihe Erdschlußstrom kann aber auch aus den zwei Spannungen
erzeugt werden, von denen mindestens eine in der beschriebenen Art zwischen Erdschlußstelle
und einer Klemme bzw. beliebigem Wicklungspunkt liegt.
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Die Schaltungen nach Fig. i und ,9 können grundsätzlich dadurch vereinfacht
werden, daß man als Auslöserelais 5 einspulige reine Stromrelais verwendet, so .daß
seine Spannungsspule und der Spannungswandler 7 entfallen könnten. Dann werden aber
die Summenstromwandler 6 unverhältnismäßig groß und die Genauigkeit der Auslösung
geringer. Ferner ist es auch möglich, für die Auslösung ein Gleichstromrelais zu
verwenden, indem man ihm seine Erregerströme über Gleichrinhter zuführt.
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Die Erfassung des Erdschlusses als solcher ist nicht Gegenstand der
Erfindung. In den beschriebenen Beispielen wurde dazu die im Erdschlußfall auftretende
Nullpunktspannung benutzt, die gemäß Fig. i auf die Relais 2" und 2b, gemäß Fig.
9 und i o auf das Relais 8 einwirkt. Dieses Anspreqhrelais 2b bzw. 8 kann leicht
für Ansprechen schon bei sehr kleiner Spannung, beispielsweise bei 2 der Generatorphasenspannung,
bemessen werden. In an sieh unsymmetrischen Netzen muß die kleinste Ansprechspannung
selbstverständlich oberhalb der durch die Netzunsymmetrie bedingten Nullpunktspannung
liegen, damit der Generatorschutz nicht schon ohne Vorliegen eines Erdschlusses
betätigt wird. Für die Erfassung der Erdschlüsse. können selbstverständlich auch
andere Methoden verwendet werden, auch solche, bei denen der Erdschluß sogar im
Nullpunkt selbst erfaßt, z. B. eine Methode, bei der die dritte Harmonische der
Phasenspannung des Generators benutzt wird, oder eine solche, bei der sich ein Kondensator
über die Fehlerstelle entlädt.
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Die hauptsächlichen Vorteile der Schutzeinrichtung nach der Erfindung
sind folgende: Da der künstliche Erdschlußstrom nur in dem kleinen Verhältnis von
1 : 2,27 oder gar nur i : 1,73 schwankt, erhalten die ihn führenden Apparate kleine
Abmessungen und werden verhältnismäßig billig, und es entfallen die zusätzlichen
Einrichtungen, mit denen die Variation des künstlichen Erdschlußstromes verkleinert
wird. Der Umfang des geschützten Teils der Generatorwicklung ist theoretisch unbegrenzt
und praktisch nur durch die Empfindlichkeit des Ansprechrelais 8 begrenzt. Der Schutz
ist unabhängig von der Art des Netzes ausfuhrbar, also unabhängig vom Auftreten
kapazitiver Ladeströme oder induktiver Restströme, unabhängig vom Fehlen oder Vorhandensein
von Löschspulen; er braucht an das Netz nicht besonders angepaßt zu werden.