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Einrichtung zur Kompensation des Erdsehlussstromes.
Es ist bereits bekannt, zur Kompensation des ErdseMustromes zwischen das zu schützende Netz und Erde induktive Löscheinrichtungen zu schalten, die auf die Kapazität des Netzes gegen Erde derart abgestimmt sind, dass die Blindkomponente des Erdschlussstromes verschwindet. Auch besondere Vorrichtungen, die als Schwingungskreise zur Kompensation der höheren Harmonischen des Netzes ausgebildet sind, hat man bereits verwendet. Derartige Einrichtungen sind aber wegen der Grösse der aufzubringende induktiven Blindleistung kostspielig : ausserdem tritt bei den durch die Induktivitäten der Einrichtung und die Kapazität des Netzes gebildeten Sehwingungskreisen, namentlich dann. wenn die Dämpfung gering ist, leicht eine unerwünschte Erregung ein.
Durch die Verwendung von Eisen hängt auch die Induktivität der Einrichtung von der Höhe der Erdschlussspannung ab, so dass diese Abstimmung nicht für jeden vorkommenden Erdschluss ihren günstigsten Wert besitzt und bei sattem Erdschluss von der bei Teilerdsehluss verschieden ist.
Um das Potential des erdgesehlossenen Leiters gegen Erde zu Null zu machen und dadurch den Erdsehlusslichtbogen zum Erlöschen zu bringen, hat man auch Anordnungen getroffen, bei denen der fehlerbehaftete Netzleiter durch einen Schalter, einen sogenannten Schutzerder, unmittelbar mit Erde verbunden wird. Da jedoch die ÜberbrÜckung durch den Schalter nur dann einen wirksamen Neben-
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ordnung nur ein unvollkommener Schutz erreicht. Bei einem Erdschluss, der den Wicklungsteil einer Maschine erfasst, bedeutet der Schutzerder durch das Kurzschliessen von Windungen eine Gefahr fiir den gestörten Apparat.
Diese Nachteile der bekannten Einrichtungen werden erfindungsgemäss dadurch beseitigt, dass beim Auftreten eines Erdschlusses zwischen Erde und einem Netzpunkt, dessen Potential gegen den Systemnullpunkt mit dem Potential des erdgeschlossenen Punktes gegen den Systemnullpunkt ganz oder nahezu nach Grösse und Phasenlage übereinstimmt, eine Impedanz und in Reihe mit dieser eine zusätzliche Wechselspannung geschaltet wird, deren Frequenz gleich der Netzfrequenz ist und deren Grösse und Phasenlage so eingestellt ist, dass ein den Erdschlussstrom kompensierender Strom auftritt.
Dazu wird die Spannung des Stromerzeugers so gewählt, dass der Spannungsabfall der in Reihe liegenden Impedanz des Kompensationskreises vorzugsweise der zusätzlichen Impedanz der Einrichtung kompensiert ist.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. An die Netzleiter R8T sind verschiedene Verbraucher und Stromerzeuger 1, 2, 3, 4 geschaltet, die verschiedene Wicklungsanordnungen besitzen. So sind die Wicklungen des Apparates 1 in A geschaltet, die des Apparates 2 in Zickzack, des Apparates 3 in Dreieck und des Apparates 4 in Stern. Nach der Erfindung wird nun an das Netz eine Einrichtung geschaltet, die aus einzelnen, auf Eisenkernen angeordneten Wicklungen besteht, die das Abbild sämtlicher in dem Netz vorkommender Wicklungen darstellen.
Diese Abbildwicklungen 6 bestehen im vorliegenden Falle aus einer Sternwicklung und einer auf besonderem Eisenkern angeordneten Dreieck-
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der Punkt B über eine Impedanz 8 und einen Stromerzeuger 7 mit Erde zu verbinden. Der Stromerzeuger 7 muss dann einen dem an der Stelle A auftretenden Erdschlussstrom J1 entgegengesetzten und gleich grossen Strom J2 liefern, so dass an der Stelle A beide Ströme sich aufheben. Dazu ist es zweckmässig, den Stromerzeuger 7 als Drehregler mit dreiphasiger, an das Netz angeschlossener Primärwicklung und einphasiger Sekundärwicklung auszubilden, die jederzeit eine gleich grosse, aber in ihrer Richtung von der Rotorstellung abhängige Spannung U liefert.
Die Phasenlage kann dabei durch entsprechende an Hand der späteren Abbildungen beschriebene Relaiseinrichtungen ermittelt und zur Verstellung des Rotors herangezogen werden. Die Grösse der Spannung kann durch entsprechende Regeleinrichtungen des Primärkreises eingestellt werden. Diese Verhältnisse sind aus dem dargestellten Spannungsdiagramm abzulesen. Die Spannung, die der Punkt A im Dreieck der verketteten Spannungen RST gegenüber dem Nullpunkt N besitzt, ist mit UE bezeichnet. Mit dieser Spannung gleich gross ist die Spannung U des Punktes B der Abbildwieklung gegen den Systemnullpunkt. Der Stromerzeuger 7 muss daher eine Spannung U liefern, die gleich gross und entgegengesetzt gerichtet der Spannung Uc ist, wobei Ue den Spannungsabfall der Impedanzen des Erdschlusskreises, vorzugsweise den der Impedanz 8 darstellt.
In der Abbildung ist angenommen, dass U und U z in Phase sind mit U" bzw. UE. Dies ist dann der Fall, wenn die Impedanz 8 so gewählt ist, dass ihr Wirkwiderstand zu ihrem Blindwiderstand in demselben Verhältnis steht wie der Wirkwiderstand zu dem Blindwiderstand des Netzes. Da letzterer in der Hauptsache aus einer Kapazität besteht, die im Nullpunkt N der Sternpunktswicklung 4 angeschlossen und zwischen Erde geschaltet angenommen werden kann (, so muss auch die Impedanz 8 vorzugsweise aus einer Kapazität bestehen. Bei einem derart gewählten Verhältnis von Wirk-und Blindwiderstand der Impedanz 8 entsprechend dem Wirk-und Blindwiderstand des Netzes wird auch die
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sationsstrom in demselben Masse ändern.
Die Grösse der Impedanz 8 ist dabei beliebig wählbar. Für die Wahl ihrer Grösse sind folgende Überlegungen massgebend : Wenn die Impedanz und der Stromerzeuger beispielsweise an den Punkt B der Abbildwicklung angeschlossen sind und in diesem Augenblick der Erdschluss bei A wieder gelöscht ist und die Erdschlussstelle volle Isolationsfestigkeit wieder besitzt, aber ein zweiter Erdschluss an einer andern Stelle auftritt, dann wird dadurch ein Überstrom in der Einrichtung der Erfindung hervorgerufen.
Die Grösse dieses Überstromes ist nun von der Grösse der Impedanz 8 abhängig. Zu seiner Begrenzung
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der Stromerzeuger 7 aufzubringen hat, um so grösser, je grösser der Spannungsabfall Uc an der Impedanz ist. Mit Rücksicht auf eine wirtschaftliche Ausführung werden beide Forderungen dadurch in Einklang gebracht, dass man für den bei einem zweiten Erdschluss entstehenden Überstrom eine für die Einrichtungen des Netzes ungefährliche Höhe einsetzt.
Die Wirkung der Anordnung auf den Uberstrom ist demnach dieselbe wie die eines vollkommenen. d. h. an der jeweiligen Erdsehlussstelle angeordneten Schutzerders, ohne dass aber die Nachteile des Sehutzerders, wie z. B. die bei einem zweiten Erdsehluss auftretenden Überströme, sieh einstellen.
Diese Wirkung wird dadurch erreicht, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem erdgeschlossenen Punkt und Erde durch eine zusätzliche Spannung zu Null gemacht wird und dass diese Spannung über derart bemessene Widerstände in den Erdsehlusskreis eingefügt wird, dass keine schädlichen Überströme auf-
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zu betragen brauchen, ist die von dem Stromerzeuger aufzubringende Leistung nur sehr gering und nur ein Bruchteil der Leistung, die eine induktive Löscheinrichtung besitzen müsste. Durch eine entsprechende Dimensionierung des Stromerzeugers und der Abbildwieklung ist es möglich, die Kurve der Spannung, die dem Netz aufgedrückt wird, so zu gestalten, dass sie mit der Spannungskurve des Systemnullpunktes gegen die entsprechenden im Netz vorkommenden Wicklungsteile übereinstimmt.
Dadurch wird nicht nur die Grundwelle des Erdsehlussstromes kompensiert, sondern auch dessen Oberwellen. Ebenso wird durch entsprechende Ausbildung der Impedanzen 8, d. h. in entsprechende Unterteilung von Wirkund Blindwiderständen es ermöglicht, nicht nur die kapazitive, sondern auch die Ohmsche Komponente des Erdsehlussstromes zu kompensieren.
Statt zur Erzeugung der zusätzlichen Spannung einen besonderen Apparat 7 anzuordnen, kann man auch dazu die Abbildwicklung selbst heranziehen. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel hiefiir gezeigt. Der in Stern geschaltete Teil der Abbildwieklung 11 ist dabei um Wicklungsteile vergrössert. so dass den mit dem Netz verbundenen Eckpunkten der Sternwicklung U1, V1 und Wi die Punkte U2, V2, ha entsprechen, deren Spannung bereits um die Spannung Us gegenüber dem Systemnullpunkt erhöht ist. Mit den Punkten Fs, K :, sind die Eckpunkte des andern Teiles der Abbildwicilung verbunden. der eine Dreieck, Zickzack- und A-Wicklung enthält.
Dem erdgeschlossenen Punkt J. entspricht dann der Punkt D der Abbildwicklung, dessen Potential gegen den Systemnullpunkt bereits um die
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(vgl. Vektorbild).
In Fig. 2 ist weiterhin gezeigt, wie der Punkt D der Abbilds icklung ausgewählt wird. Die Abbild- wicklung ist mit zahlreichen Anzapfungen versehen, die an einen Kontaktwähler 15 geführt sind. Über den Kontakten des Wählers 15 bewegt sich ein Hebel 20, dessen Achse 19 über die Impedanz 8 und eine parallelgeschaltete Schutzfunkenstrecke 14 mit Erde verbunden ist und anderseits je nach seiner Stellung die Verbindung mit dem entsprechenden Punkt der Abbildwieklung herstellt. Der Kontakthebel 20 ist dabei so ausgebildet, dass er sowohl rotierende Bewegungen um seine Achse ausführen als auch die Entfernung seines Kontaktstückes von der Achse 19 ändern kann.
Diese Bewegungen werden durch aus der Fernmeldetechnik bekannte Einrichtungen nach den Angaben eines an sich bekannten Asym- meters 16 ausgeführt. Das Asymmeter 16, das über Spannungswandler 18 mit dem Netz RST in Verbindung steht, zeigt dabei in bekannter Weise die Lage des erdgeschlossenen Punktes 22 gegen den
Systemnullpunkt an und steuert den Kontakthebel 20 auf den entsprechenden Kontakt 17.
Um die Abbildwicklung 11 gleichzeitig zur Stromlieferung auszunutzen, ist auf ihren Schenkeln eine Wicklung 12 angeordnet, die zur Speisung von elektrischen Verbrauchern 13 dient.
Soll die Einrichtung lediglich Erdschlüsse von Netzleitungen, d. h. sogenannte Vollerdschlüsse erfassen, dann ist die Anordnung von Abbildwicklungen überflüssig. Statt des Asymmeters werden einfache Erdschlussrelais verwendet, die die erdgeschlossene Phase auswählen und an diese die zusätzliche Impedanz und die Hilfsspannung schalten.
Die Einrichtung vereinfacht sich auch dann, wenn, wie es in vielen Netzen der Fall ist, nur in Stern geschaltete Wicklungen vorkommen. In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für diesen Fall dargestellt. Es ist angenommen, dass zwischen den Sammelschienen zweier Stationen A und B eine Freileitung 23 die Verbindung herstellt. Die Transformatoren 11 im Werke A und 24 im Werk B sind auf der Hochvoltseite in Stern geschaltet, ebenso die übrigen nicht gezeichneten Maschinen des Netzes. Der Transformator 11 ist gleichzeitig als Abbildwicklung der Sternschaltung des Netzes RST ausgebildet und mit einer Regeleinrichtung 28 verbunden, die durch ein Erdschlussrelais 29 gesteuert wird.
Das Relais 29 ist dabei in offenem Dreieck an die Sekundärwicklung eines Spannungswandlers 37
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Abbildwicidung H verbunden, während die Sternwicklung nach einem besonderen Regelapparat, etwa mit der in Fig. 3 beschriebenen, eingestellt wird. Der Kontakthebel 39 wird dabei von einem Motor 45 angetrieben, der mittelbar oder unmittelbar von der Erdschlussspannung in Gang gesetzt wird. Zur
Gewinnung der Erdschlussspannung ist ein Erdschlussrelais 29 vorgesehen, das an einem Spannungswandler 41 liegt. Der Spannungswandler 41 ist parallel zu einer Erdschlussspule 40 und einem Schalter 42 gelegt, die beide in die Erdverbindung des Sternpunktes N2 der Abbildwicklung 11 eingebaut sind.
Zwischen den Kontakthebel 39 und den Sternpunkt N2 ist ein weiterer Spannungswandler 46 gelegt, dessen Sekundärwicklung mit der Sekundärwicklung des Stromwandlers 41 derart verbunden ist, dass in dem Relais 47 die Differenz der Spannungen beider Wandler wirksam wird. Wenn diese Differenz zu Null geworden ist, d. h. wenn die von der Einrichtung erzeugte Spannung mit der Erdsehlussspannung gleich gross und gleichgerichtet ist, dann wird ein Schutzschalter 9 betätigt, der in der Verbindungsleitung zwischen dem Kontakthebel 39 und Erde über der Impedanz 8 liegt. Gleichzeitig werden von dem Schalter 9 die Kontakte 43 betätigt, welche die StromzufÜhrung zu dem : Motor 45 unterbrechen und dadurch den Kontakthebel 39 stillsetzen.
Weiterhin wird mit dem Schalter 9 ein Kontakt 44 geschlossen und dadurch der Sehutzsehalter 42 geöffnet. Die Erdsehlussspule 40, die bis zu diesem Augenblick die Kompensation des Erdschlussstromes übernahm, wird in diesem Augenblick abgeschaltet.
Bei einem Erdschluss, der eine Dreieckwicklung des Netzes etwa an der Stelle A betrifft, erfolgt die Auswahl des entsprechenden Punktes der Abbildwicklung 11 nur durch Betätigung des Kontakt- wählers 38. Wenn aber der Erdschluss in einer Sternwicklung des Netzes liegt, dann muss nach einer erfolglosen Umdrehung des Kontakthebels 39 die Sternwicklung in der an Hand der Fig. 3 beschriebenen Weise einreguliert werden. Der Kontakthebel 39 muss sieh auf den Eckpunkt der Dreieckwicklung einstellen, der mit der erdschlussbehafteten Phase verbunden ist. Die beschriebene Einrichtung bewirkt diese Einstellung automatisch innerhalb der zweiten Umdrehung des Hebels 39. Die Lage der Spannungsvektoren ist aus dem beigezeiehneten Vektordiagramm zu entnehmen.
Um die Sternwicklung der Abbildwicklung 11 regelbar zu machen, kann auch ein Doppeldrehregler den Klemmen U1, U1, W'1 vorgeschaltet werden. Der Anschluss der Dreieckwicklung kann dann
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Relais 29 erfolgen.
In entsprechender Weise wie bei Dreiphasennetzen kann auch die Erfindung in Zweiphasennetzell Anwendung finden. In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel hiefür gezeigt. Die Abbildwieldung besteht aus anzapfbaren Wicklungsteilen, die durch eine besondere Sekundärwicklung 12 magnetisch eng verkettet sind. Ein von der Höhe der Erdschlussspannung, die von dem Relais 29 geliefert wird, beeinflusster Regelapparat 28 stellt den dem erdgeschlossenen Punkt entsprechenden Punkt der Abbildwicklung 11 ein. Zur Auswahl der richtigen Phase ist ein Umschalter 48 vorgesehen, der von einer mit dem Relaissatz 31 betätigten Spule 33 geschaltet wird. Der Relaissatz 31 dient dabei ebenso wie in Fig. 3 dazu, die erdgeschlossene Phase auszuwählen.
Mit der Bewegung des Kontakthebels 30 des Umschalters
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natürlich auch zur Feinregelung die Impedanz 25 herangezogen werden.
Die Einrichtung kann auch mit einer Erdschlussspule 26 vereinigt werden, in der Weise, dass zunächst die Spule 26 eingeschaltet ist und dann in demselben Masse, wie die Einrichtung der Erfindung den Erdschlussstrom kompensiert, die Induktivität zurückgeregelt wird. Die Arbeitsweise beider Einrichtungen kann auch so erfolgen, dass die induktive Löscheinrichtung 26 abgeschaltet wird, wenn der
Schalter 9 die Abbildwicklung 11 mit Erde verbindet.
Zum Schutze der Einrichtung nach der Erfindung kann ausser dem Schutzschalter 9 in allen Fällen noch ein dreipoliger Überstromschalter vorgesehen werden, der in die Verbindungsleitung der Abbildwicklung 11 mit dem Netz eingebaut ist. Wenn dann ein Kurzschlussstrom infolge eines zweiten Erdschlusses auftritt, während noch die Regeleinrichtung eine Stellung einnimmt, die zur Kompensation eines ersten Erdschlusses dient, dann wird dieser Überstromschalter betätigt werden. Zur Begrenzung des Kurzschlussstromes wird man aber vor allem die Impedanz, den Stromerzeuger und die Abbildwicklung oder irgendeinen dieser Apparate mit entsprechend hoher Streuinduktivität ausrüsten.
In vielen Fällen wird es dann auch genügen, wenn der Sehutzschalter 9 mit einer Überstromwicklung versehen wird und dadurch die vor allem beanspruchte Kapazität der Impedanz 8 oder 25 ausschaltet. Wenn das Netz nicht lange in verlagertem Zustand betrieben werden soll, kann auch der Leistungssehalter 9 mit einem Zeitrelais verbunden werden, so dass der Stromkreis der Schutzeinrichtung nach Ablauf einer bestimmten Zeit unterbrochen wird. Vielfach werden einzelne Netzteile über Reaktanzen, wie sie mit 52 in Fig. 6 bezeichnet sind, miteinander verbunden.
Wenn dann die Schutzeinrichtung einen Erdschluss in einem benachbarten Netzteil kompensieren soll, dann muss sie eine höhere Zusatzspannung aufbringen, als das Erdschlussrelais 29 anzeigt, da die Erdschlussspannung, die an der Einbaustelle erscheint, geringer ist als die tatsächlich mit dem Erdschluss behafteten Netzteile j, Ti herrschende. Durch entsprechende an sich bekannte Zusatzeinrichtungen, welche die Lage des Erdschlusspunktes in bezug auf die Reaktanzen 5 erkennen lassen, wird dann die Koppelung des Erdschlussrelais 29 mit der Regeleinrichtung 28 in der Weise beeinflusst, dass die Regeleinrichtung bei einem Erdschluss, der in einem andern Netzteil liegt, entsprechend höher einreguliert ist.
Um zu erkennen, ob ein Erdschluss gelöscht ist, kann man ein Voltmeter 51 (Fig. 6) mit zwei Zeigern anordnen, die beide von der zwischen dem Systemnullpunkt und Erde herrschenden Spannung beeinflusst werden. Der eine Zeiger wird aber noes nährend des Bestehens des Erdschlusses festgehalten. Ist nun der Ausgleichsstrom J2, der von der Einrichtung nach der Erfindung geliefert wird, genau gleich dem Erdschlussstrom J1, dann wird auch nach dem Erlöschen des Erdschlusses nichts geändert. In dem an Hand der Fig. 6 gezeigten Diagramm ist angenommen, dass der Strom J2 zu klein wäre. Nach dem Erlöschen des Erdschlusses müssen jedoch Ji und J2 gleich gross werden, d. h. J1 wird kleiner und J2 grösser, bis ihre Werte übereinstimmen.
Dem kleiner gewordenen Strom J1 entspricht eine ebensolche Erdschlussspannung UE, d. h. die wiederkehrende Spannung beträgt Ul'h-UR, dargestellt durch den Vektor E-T. Der festgehaltene Zeiger des Voltmeters 51 zeigt dementsprechend einen grösseren Ausschlag an als der bewegliche. Es ist demnach leicht zu erkennen, ob der Erdschluss noch weiter besteht oder bereits gelöscht ist.
An Stelle des Voltmeters 51 kann man bei der Ausführung nach Fig. 5 ein dem Relais 47, das auf die Differenz der in den beiden Wandlern 41 und 46 gewonnenen Spannungen anspricht, parallelgeschaltetes Nullvoltmeter anordnen. Wenn dieses auch nach der Löschung des Lichtbogens Null anzeigt, dann war die Regeleinrichtung auf richtige Kompensation eingestellt. Durch Bewegen des Kontakthebels oder Regeln der Impedanz 8 kann man feststellen, ob der Erdschlusslichtbogen bereits gelöscht ist oder nicht. Wenn nämlich nach der Änderung der Regeleinstellung das Nullvoltmeter keinen Ausschlag zeigt, so ist dies ein Beweis dafür, dass die Kompensation richtig getroffen war.
Die im Erdschlusskreis liegenden Impedanzen 8, die vorzugsweise als Kapazitäten ausgebildet sind, wird man zweckmässig in den Sekundärkreis eines Transformators legen, dessen Primärwicklung in die Erdschlussverbindung geschaltet ist. Die Spannung der Sekundärwicklung ist dabei mit Rücksicht auf eine wirtschaftliche Ausnutzung der Impedanzen zu wählen. Die Darstellung der Abbildwicklungen wurde bei den Ausführungsbeispielen auf die vorkommenden Wicklungen der an das Netz angeschlossenen Apparate als Ganzes beschränkt. Es besteht aber die Möglichkeit, die einzelnen Wicklungen, wie sie bei den vorkommenden Maschinen gebildet werden, aus Teilwicklungen zusammenzusetzen, in der Weise, dass die einzelnen Wicklungselemente einer Maschine in den Abbildwicklungen nachgebildet werden, indem man z.
B. die einer Maschine des Netzes entsprechende Abbildwicklung statt auf einem Transformatorkern in einem Maschinengehäuse nach derselben Wickelart anordnet.
Da die Einrichtung der Erfindung ebensowenig wie die bekannte induktive Löscheinrichtung geeignet ist, die Wirkungen eines Mehrfacherdschlusses zu beseitigen, ist es zweckmässig, bei einem solchen die Einrichtung nicht in Tätigkeit treten zu lassen.