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Längsdifferentialschutzeinrichtung für Mehrphasen-Wechselstromleitungsanlagen
Es ist bekannt, elektrische Leitungen durch Längsdifferentialschutzeinrichtungen
mit Hilfsleitungen zwischen den Leitungsenden zu schützen. Diese bekannten Schutzeinrichtungen
sind aber mit verschiedenen Mängeln behaftet. Entweder benötigen sie mehr als zwei
Hilfsleitungen für den Vergleich der Leitungsströme an beiden Leitungsenden oder
aber die die Auslösung der Schutzrelais herbeiführenden Relaisströme fließen durch
die Hilfsleitungen, so daß z. B. bereits vorhandene Telefonleitungen nicht ohne
weiteres, als Hilfskanal Anwendung finden können.
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Die vorliegende Erfindung schlägt nun vor, zur Feststellung von Kurz-
und Erdschlüssen in der zu überwachenden Leitung je Leitungsende ein einziges Relais
mit mindestens zwei Erregersystemen zu verwenden, das abhängig von dem Summenstrom
und einer von ihm abgeleiteten und ihm gegenüber vorzugsweise um 9o elektrische
Grade phasenverschobenen elektrischen Größe erregt wind. Die von dem Summenstrom
an jedem Ende der Leitung abgeleiteten elektrischen Größen werden dann über eine
Hilfsleitung miteinander verglichen.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden an Hand eines in der Zeichnung
veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Die Abbildung zeigt die Anwendung der Erfindung für den Schutz einer
Drehstromleitung i i, die
mit den benachbarten Leitungen durch Schalter
13 und 14 verbunden ;sind. Der Einfachheit halber sind in der Zeichnung gleiche
Teile der den beiden Leitungsenden zuggeordneten Relaiseinrichtung in entsprechender
Weise bezeichnet. Im folgenden wird zunächst lediglich der Aufbau der dem linken
Leitungsende zugeordneten Relaiseinrichtung beschrieben. Es bedeuten 15, 1:6 und
17 drei Einphasenstromwandler mit gleichem LTbersetzungsverhältnis in Shmmenstromschaltung,
die den einzelnen Phasenleitern i111, 11b und iic des Leitungssystems zugeordnet
sind. Die freien Enden der .Stromwandler sind nach der Erfindung an Anzapfungen
15a, 16,1 und 17d eines Siummenwamdlers 18 der Spartransformatorbauart derart angeschlossen,
daß bei gleichen Phasenleiterströmen- sich die in dem Wandler 1$ erzeugten Spannungen
um einen kleinen, jedoch bestimmten Wert voneinander abweichen. Der Sternpunkt der
Sekundärwicklungen der Stromwandler ist erfindungsgemäß an eine einstellbare Anzapfung
i9 des 'Summenwandlers i8 derart angeschlossen, daß die Empfindlichkeit der Einrichtungen
gegen Erdschlüsse eingestellt werden kann und die Leistung des Summenwandlers 18
unter keinen Umständen gleich Null ist. Als Summenwandler kann natürlich auch ein
solcher mit Primär- und Sekundärwicklung verwendet werden. Infolge der Verwendung
eines Summenwandlers erhält man eine einzige elektrische Größe, die den Stromverhältnissen
in den einzelnen Phasenleitern des Leitungsabschnittes i i proportional ist. Der
Wandler 1$ wird also an den Klemmen 15a und 2o einen verhältnismäßig kleinen Strom
abgeben.
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Im fehlerfreien Betrieb fließt in dem an die Anzapfungen 15a und 2o
des iSummenwandlers angeschlossenen Stromkreis ein verhältnismäßig kleiner Strom.
Bei einem. Fehler zwischen den Phasenleitern 1i11 und lib wird ein viel größerer
Strom durch den Wicklungsteil zwischen den, Anzapfungen 1511 und r611 des Wandlers
18, fließen als im fehlerfreien Betrieb. Bei einem Fehler zwischen dem anderen Phasenleitern
ergeben sich entsprechende Verhältnisse. Bei einem dreiphasigen Kurzschluß wird
natürlich in dem Wicklungsteil zwischen den Anzapfungen 15a und 1'7a ein verhältnismäßig
großer Strom zustande kommen. Bei einem Erdschluß, z. B. des Phasenleiters i 1b,
führt der entsprechende Wicklungsteil das Wandlers, in dem angenommenen Fehlerfalle
derjenige zwischen den Anzapfungen 1,6a und ig, einen beträchtlich vergrößerten
Strom.
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Die von beiden Summenwandlern i8 und 18' abgegebene Leistung wird
bei dieser Art von Schutzeinrichtungen normalerweise niemals gleichzeitig gleich
Null sein. Es ist jedoch unter Umständen möglich, daß die von den Klemmen eines
der ;Summenwandler abgegebene Leistung gleich Null wird; und zwarsogar dann, wenn
ein Fehler in dem Leitungsabschnitt i i aufgetreten ist. Ein derartiger, allerdings
seltener Fall kann z. B. bei Vorhandensein bestimmter Verbraucher dann eintreten,
wenn der Laststrom eines Erdschlusses dem Rest-Strom entgegenwirkt: ,Mit Hilfe der
einstellbaren Anzapfung ig wird jedoch vermieden, daß die Leistung der beiden .Summenwandler
iß und 18' auch bei Vorhandensein besonderer Verbraucher jemals gleich Null ist.
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Werden für Schutzeinrichtungen mit Hilfsleitungsverbindungen Relais
solcher Bauart verwendet, deren Drehmoment den Wattverlusten in den Relaisspulen
proportional ist, so ist das entwickelte Drehmoment durch die Höchstleistung begrenzt,
die über die Hilfsleitungen übertragen werden kann. Werden als Hilfsleitungen Tfelefonleitungen
verwendet, so sind daher nur sehr empfindliche Relais der vorerwähnten Bauart anwendbar.
Werden jedoch wattmetrische Relais verwendet, so ist das von ihnen :entwickelte
Drehmoment eine Funktion des Produktes der Amperewindungen der Relaisspulen. Bei
Verwendung eines derartigen Relais können einzelne Spulen derselben mit dem Stromkreis
der Hilfsleitungen in Reihe geschaltet werden, die so beschaffen sehn können, daß
sie nur einen sehr kleinen Strom führen. Nichtsdestoweniger kann jedoch einfach
durch Vergrößerung des Stromes, der durch die polarisierenden, nicht in Reihe mit
den Hilfsleitungen liegenden, sondern an den Summenwandler angeschlosisenen Relaisspulen
fließt, ein großes Drehmoment für das Ansprechen des Relais erzielt werden.
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Nach der Erfindung werden daher Differentialrelais 21 der wattmetrischen
Bauart verwendet. Diese Relais sind reit Wicklungen 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28,
29 und einem Kelchanker 30 versehen. Der Ausgangsstromkreis des !Summenwandlers
18 ist an die Relaisspulen 22 bis 25 angeschlossen, die untereinander in Reihe geschaltet
!sind. Da das Drehmoment eines wattmetrischen Relais, dem Produkt aus den Flüssen,
die von den einzelnen Relaisspulen erzeugt werden, multipliziert mit dem Sinus des
Winkels zwischen den Flußvektoren proportional ist, ergibt sich ein Maximaldrehmoment,
wenn die Flüsse um go elektrische Grade gegeneinander verschoben sind.
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Es wird daher nach der Erfindung ein Wandler 31 mit hoher Reaktamz
vorgesehen, dessen Eisenkreis z. B. .einen Luftspalt enthält. Die Primärwicklung
32 dieses Wandlers liegt in dem sekundären Stromkreis des Summenwandlers
18, während die Sekundärwicklung 33 in Reihe mit den Relaisspulen 26, 27 und 28
und der Primärwicklung 34 eines Isoliertransformators 35 liegt. Die Sekundärwicklungen
36 des Isoliertransformators 35 und die Sekundärwicklung 36' des Isoliertransformators
35' sind über zwei Hilfsleitungen 37a und 3!7b in Gegenschaltung zusammengeschaltet;
so daß bei gleichen Ausgangsleistungen der Summenwandler 1.8 und 18' praktisch kein
Strom in denn, Hilfsleitungen 3,7a und 37b fließt. Die Isoliertransformatoren können
gegebenenfalls auch fortgelassen werden.
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Da der Stromkreis der Hilfsleitungen und die Spulen 2!6 bis 28 des
:Relais 2z1 mit Induktivitäten behaftet sind, ist erfindungsgemäß ein KöndensatOr
38 in Reihe mit diesem Stromkreis geschaltet, um die erwähnten Induktivitäten zu
kompensieren
und einen im wesentlichen voreilenden Strom in diesem
Stromkreis zu erzeugen, so daß die die Spulen 22 bis 25 bzw. 2$ bis 28 durchfließenden
Ströme eine Phasenverschiebung gegeneinander von etwa do° erhalten. Durch das Zusammenwirken
der von den Spulen 26bis 28 und 22 bis 25 erzeugten Flüsse wird in dem Relais 21
ein Auslösedrehmoment erzeugt.
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Um zu verhindern, daß das Relais 2i beim Auftreten von sehr großen
Strömen in dem Leitungsabschnitt i i infolge eines außerhalb dieses Abschnitts liegenden
Fehlers anspricht, kann das Relais 21 zweckmäßig so ausgebildet werden, daß es erst
bei einem bestimmten Prozentsatz der Ungleichheit der Leitungsströme an beiden Enden
des Abschnittes i i anspricht.
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Eine derartige Prozentsatzcharakteristik wird bei dem vorgesehenen
wattmetrischen Differentialrelais mit Hilfe einer Wicklung 29 erreicht, die ebenfalls
an die Sekundärwicklung des Wandlers 31, und zwar derart angeschlossen ist, daß
sie ein negatives oder Haltedrehmoment auf den Anker 30 des Relais 21 ausübt, während
die Wicklungen 26, 27 und 2!8 ein positives oder Auslösedrehmoment hervorrufen.
Dieses Haltedrehmoment ist dem Strom proportional, der in den Wicklungen 22 biss
25 des, Relai,si2i fließt. Mittels eines Kondensators 39 kann erreicht werden, daß
der Strom der Wicklung 29 gegenüber dem die Spulen 22 bis 25 durchfließenden Strom
!eine Phasenverschiebung von etwa go elektrische-n Graden aufweist. Zur Einstellung
des Haltedrehmomentes des Relais 21 und 21' und damit der Charakteristik der Relais
sind einstellbare Widerstände4o und 40' vorgesehen, die zweckmäßig so eingestellt
werden, daß die Relais erst dann ansprechen können, wenn die Differenz zwischen
den von dien Summenwandlern 18 und 18' abgegebenen Leistungen gleich 5o % der kleineren
der beiden Leistungen ist. Dadurch wird erreicht, daß bei Fehlern innerhalb des
zu überwachenden Leitungsabschnittes von dem Relais ein auslösendes Drehmoment und
bei außerhalb des Leitungsabschnittes liegenden Fehlern ein hemmendes Drehmoment
erzeugt wird, da in dem letzteren Falle die Ströme in den Haltewicklungen 29 und
29' verhältnismäßig groß sind, während der Strom in den Hilfsleitungen im wesentlichen
gleich Null bleibt.
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Der Auslösestromkreis mit der Auslösungsspule 43 des Leitungsschalters
13 wird durch von dem Relais 2 i betätigte Kontakte 42 gesteuert, die beim Ansprechen
des Relais geschlossen werden. Wie bereits erwähnt, ist es unter gewissen, allerdings
nur selten auftretenden Fehlerverhältnissen infolge der Verwendung von Summenwandlern
möglich, daß die Ausgangsleistung der Summenwandler z. B. sehr klein oder gleich
Null- ist, so daß in dien Differentialrelais kein Auslösedehmoment erzeugt wird,
obwohl in dem zu überwachendenLeitungsabschnitt ein Fehler vorliegt. Die Anzapfungen
ig und i9.' der Summenwandler i8 bzw. 18' sind jedoch so gewählt, daß auch bei einem
derartigen Betrieb die Ausgangsleistung dieser Wandler in allen Fehlerfällen niemals
gleich Null werden kann. Infolge der Richtungen der von den Summenwandlern abgegebenen
Leistung bei gewissen Fehlerfällen ist es möglich, daß das Relais des einen Abschnittsendes
ein hemmendes Drehmoment an Stelle eines Auslösedrehmomentes erzeugt und dadurch
eine gleichzeitige Auslösung beider Leitungsschalter verhindert.
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Um eine beschleunigte Abschaltung des fehlerhaften Leitungsabschnittes
auch dann herbeizuführen, wenn eines der Relais 21 oder 21' ein der Auslösung entgegenwirkendes
Drehmoment ausübt, sind die Relais 21 und 21' nach der Erfindung mit zusätzlichen
Kontakten 44 bzw. 4q.' versehen, durch die die Hilfsleitungen 37a oder
37b beim Ansprechen der Relais 2i bzw. 2 i' kurzgeschlossen werden können.
Sobald die Hilfsleitungen kurzgeschlossen sind, wird das, Relais, welches zunächst
ein hemmendes Drehmoment ausübte, ein auslösendes Drehmoment entwickeln und infolgedessen
die Abschaltung des ihm zugeordneten Leitungsschalters herbeiführen. Die Auslösezeit
wird also auch bei solchen außergewöhnlichen Betriebsverhältnissen lediglich durch
die Ansprechzeit eines Relais erhöht.
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Da die Hilfsleitungen normalerweise stromlos sind, würden bei einer
Unterbrechung eines oder beider Hilfsleiter im Fehlerfalle die Schutzeinrichtungen
nicht ansprechen. Die Abschaltung des fehlerhaften Abschnittes würde daher in solchem
Falle erst durch den in der Zeichnung nicht dargestellten Reserveschutz erfolgen.
Um eine Unterbrechung oder einen Kurzschluß der Hilfsleiber rechtzeitig feststellen
zu können, wird nach der Erfindung dem Hilfskanal ein kleiner Gleichstrom überlagert,
der aus einem Wechselstromnetz 46 nach erfolgter Gleichrichtung mittels einer Gleichrichteranordnung
47 in Vollwegglei.chrichterschaltung entnommen wird. Der Gleichstromkreis ist über
ein Relais 48 und einen Strombegrenzungswiderstand 49 parallel zu einem Kondensator
5o geschaltet, der mit dem Hilfskanal in Reihe geschaltet ist. Die Größe dieses
Gleichstromes wird zweckmäßig @so klein gehaltem, daß durch ihn eine Sättigung der
Isolierwandler 35 und 35' praktisch nicht erfolgen kann. Es isst jedoch trotzdem
zweckmäßig, den Kondensator 5o so zu schalten, daß der Gleichstrom durch die Sekundärwicklung
36 und 36 der Wandler 35 bzw. 35' nicht fließen kann. Am anderen Leitungsende
ist eine ähnliche Einrichtung, bestehend aus einem Kondensator 5o', einem Relais
51 und einem Widerstand 49', vorgesehen. Die Kondensatoren 50 und 50' können
nach Vorteil gleichzeitig dazu benutzt werden, um einen Teil der Induktivität des
Übertragungskanals zu kompensieren. Die Kondensatoren 38 und 38' können dann für
einen kleineren Kapazitätswert ausgelegt werden.
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Das Relais 51 steuert durch seine Kontakte 52 einen Signalstromkreis,
bestehend aus einerSignallampe 53 und einer Batterie 54. Das Relais 48 der anderen
Station steuert in gleicher Weise durch seine Kontakte 56 und 57 einen eine Batterie
59 und eine Signallampe 58 enthaltenden Signalstromkreis. Nach der Erfindung sind
die Relais 48 und 51
so eingestellt, daß der bei normalem Betrieb
über den Hilfskanal fließende Gleichstrom lediglich ausreicht, um die Relais 48
und 51 derart zu erregen, daß ihre Kontakte 56 bzw. 52 geöffnet sind. Die Kontakte
57 bleiben jedoch infolge nicht ausreichender Erregung des Relais 48 noch offen.
Wird z. B. eine der Hilfsleitungen unterbrochen, so wird auch der Gleichstromkreis
unterbrochen und die Relais 48 und 51 entregt; die Signalstromkreise werden daher
geschlossen. Blei einem Kurzschluß der Hilfsleiter wird das Relais 51 wie vorher
entregt und bewirkt wiederum das Schließen des Signalstromkreises. Ferner wird der
durch das Relais 48 fließende Strom infolge der Verkleinerung -des Gesamtwiderstandes
des Gleichstromkreises erhöht, so daß nunmehr die Kontakte 57 geschlossen und dadurch
die Lampe 58 zum Aufleuchten gebracht werden. (An Stelle öder außer der Signallampe
58 bzw. 53 kann in dem (Signalstromkreis ein Relais vorgesehen werden, welches nach
Feststellung eines Fehlers in den Hilfsleitern diese selbsttätig durch andere fehlerfreie
Hilfsleiter ersetzt.
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Bei jeder mit Hilfsleitungen arbeitenden Schutzeinrichtung ist es
wichtig, daß eine Auslösung der Leitungsschalter durch kapazntive Ströme, die bei
außerordentlich hohen Durchgangsströmen in den Hilfsleitungen auftreten können,
verhindert wird. Diese Kapazitätsströme eilen dem normaiena in den Hilfsleitern
fließenden Strom um etwa 9o elektrische Grade vor. Da jedoch bei der beschriebenen
Anordnung der in den Hilfsleitern fließende Strom gegenüber dem die Relaisspulen
22 bis 2,5 durchfließenden ,Strom ebenfalls um 9o elektrische Grade voreilt, sind
die Kapazitätsströme gegenüber den Relai.sspulenströmen um i8o elektrische Grade
:phasenverschoben. Es kann also von dem t"i#uslöserelais 21 oder 21' kein im Sinne
einer Auslösung wirkendes Drehmoment entwickelt werden.
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Nach der Erfindung tragen zwei Faktoren wesentlich dazu bei, die Spannung
zwischen den Hilfsleitern 37a und 37b zu begrenzen. Zunächst einmal sind
die Summenwandler 18 und 18' so ausgelegt, daß sie bei hohen, durch die Leitung
i i fließenden Strömen gesättigt werden, wodurch also auch ihre Ausgangsleistung
und damit auch die Hilfsleiterspannung begrenzt wird. Weiterhin ist der Hilfsleiterstromkreis
mittels der Kondensatoren 38 und 38' auf Resonanz mit der Systemfrequenz abgestimmt.
Beim Auftreten von Harmonische ent-'haltenden Spannungswellen od. dgl. wird der
größte Teil der resultierenden Spannung in den Hilfsleitern an der Induktivität
und daher an den Relaisspulen 26 bis 28 bäw. 26' bis 28' auftreten, welche die höheren
Harmonischen sperren. Die Spannung der Hilfsleitungen wird infolgedessen nicht wesentlich
beeinflußt werden.
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Die Wirkungsweise der Schutzeinrichtung nach der Erfindung ist kurz
folgende; bei normalem Betrieb sind die von den Wandlern 31 und 31' gelieferten
.Spannungen im wesentlichen gleich und entgegengesetzt gerichtet. Durch die im Sinne
einer Auslösung wirkenden Spulender Relais 21 und 21' wird daher kein Strom fließen.
Dagegen werden .die polarisierten Wicklungen 22 bis 25 und 22' bis 25' von einem
von den Summenwandlern i8 bzw. 18' gelieferten Einphasenstrom und die das Haltedrehmoment
erzeugenden Relaisspulen 29 und 29' abhängig von dem in den Hilfsleitern fließenden
Strom erregt. Tritt in dem zu überwachenden Leitungsabschnitt i i ein Fehler auf,
so sind die von den :Summenwandlern 18 und 18' abgegebenen Leistungen nicht mehr
gleich. Es wird daher in den Auslösespulen der Relais 21 und 21' und in den Hilfsleitern
ein Strom fließen, der der Differenz zwischen dem in den Leitungsabschnitt hineinfließenden
und dann auch diesem herausfließenden Strom proportional ist. Der erstere Strom
bewirkt das Ansprechen der Relais 21 und 21' und damit das Abschalten des fehlerhaften
Abschnittes. Falls nur ein einziges dieser Relais in solchem Fehlerfalle ansprechen
sollte, wird das andere Relais sofort infolge Kurzschließens der Hilfsleiter ebenfalls
zum Ansprechen kommen.
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Gegenüber den bekannten Schutzeinrichtungen der gleichen Gattung weist
der Gegenstand der Erfindung verschiedene Vorteile auf. Zum Beispiel ermöglicht
er die Verwendung von Telefonleitungen als Hilfskanal, da die von einer :Station
zur anderen zu übertragenden Ströme bzw. Leistungen verhältnismäßig klein sind und
daher die Länge und der Ohmsche Widerstand der Hilfsleitungen auf .die Empfindlichkeit
der Schutzeinrichtung praktisch ohne Einfluß sind. Ferner benötigt die Erfindung
keine Stromwandler; deren Charakteristiken aufeinander abgestimmt sind, sondern
vielmehr normale Stromwandler. Außerdem beeinträchtigen ,die in .den Hilfsleitern
fließenden Kapazitätsströme die Betriebssicherheit der ,Schutzeinrichtung nach der
Erfindung in keiner Weise, so daß auch bei großen Fehlerströmen, die durch außerhalb
der zu schützenden Leitung liegende Fehler hervorgerufen sind, keine Fehlauslösung
des Schutzes eintritt.
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Die Erfindung ist natürlich nicht auf die Verwendung als Schutz für
elektrische Leitungen beschränkt, sondern kann auch für den Schutz anderer elektrischer
Anlageteile Anwendung finden.