Er dschlussschutzeinrichtung für Wechselstrom-Generatoren. Selbsttätige Einrichtungen zum Schutz von unmittelbar oder über Sammelschienen auf ein Netz arbeitenden Wechselstrom-Gene- ratoren gegen innere Erdschlüsse sollen nur dann den zu schützenden Generator vom Netz bezw. von den Sammelschienen abschal ten, wenn der Erdschluss im Generator, ge gebenenfalls einschliesslich eines gewissen Teils seiner Verbindungsleitung, liegt, wäh rend Erdschlüsse im Netz diese Schutzein richtungen nicht beeinflussen sollen.
Zur Er reichung dieser Selektivität pflegt man einen Hilfsstromkreis vorzubereiten, der eine Er dung enthält und normalerweise offen und stromlos ist, bei eintretendem Erdschluss je doch sich über Erde schliesst. Der ihn durch fliessende Strom betätigt die Schutzapparate. Dieser über Erde sich schliessende Hilfsstrom ist vorzugsweise ein Wattstrom und wird im folgenden künstlicher Erdschlussstrom ge nannt. Meist wird er mittels Stromw!andtlern in Holmgreen-Schaltung als Summenstrom aus den Betriebsströmen hergeleitet.
Da aber Stromwandler immer mit gewissen Fehler- strömen behaftet sind, darf der künstliche Erdschlussstrom eine gewisse Mindestgrösse nicht unterschreiten, damit er sich von jenen Fehlerströmen abhebt. Da dieser Hilfsstrom kreis meist von der Spannung gespeist wird, die zwischen dem Systemnullpunkt und Erde herrscht und die im folgenden mit Null punktsspannung bezeichnet wird, wechselt die Stärke des künstlichen Erdschlussstromes mit der $öhe der Nullpunktsspannung, die ihrerseits von der Lage des Erdschlusses im Generator abhängig ist und vom Nullwert bis zum Wert der vollen Phasenspannung an steigen kann.
Um nun den Mess-bereich der Schutz apparate zu verkleinern und ihre Empfind lichkeit zu erhöhen, hat man verschiedene Massnahmen erdacht, die den künstlichen Erd- schlussstrom begrenzen, so dass er bei klem- mennahen Erdschlüssen im Verhältnis klei ner und bei nullpunktsnahen Erdschlüssen im Verhältnis grösser ist, als dem Verhältnis der Nullpunktsspannungen in diesen beiden Fällen entspricht.
Beispielsweise hat man einen je nach der auftretenden Nullpunkts spannung abgestuften Strombegrenzun;gs- widerstand: in den Stromkreis des künstlichen Erdschlussstromes eingeschaltet;
oder man hat diesen Stromkreis mit spannungsabhängigen Widerständen, wie Eisen-Wasserstofflampen oder Kombinationen von Induktivitäten und Kapazitäten, ausgerüstet, die bei, höherer Spannung im Verhältnis weniger Strom duwrchlassen als bei niederer Spannung. Ahle diese Vorkehrungen werden für die gleiche Einschränkung der Variation des künstlichen Erdsehlussstromes um so umfangreicher und sind um so schwieriger zu verwirklichen, je grösser der Bereich des zu erzielenden Schut zes ist.
Will man beispielsweise<B>90%</B> der Generatorwicklung schützen, dann variiert die Nullpunktsspannung zwischen Klemmen- erdschluss und Erdschluss an der Grenze des Schutzbereiches um den Nullpunkt herum im Verhältnis 1 : 10, bei 95% Schutzbereich aber bereits im Verhältnis 1 :20. Für letz teren Wert ist aber der Aufwand an Zusatz apparaten schon sehr erheblich. Für Erd- schlüsse in 10 bezw. <B>5%</B> N ullpunktsnähe bis zum.
Nullpunkt selbst versagen diese Einrich tungen vollständig, es sei denn, dass eine künstliche Verlagerung des System-Null- punktes vorgenommen wird. Solche Verlage rungen sind aber meist mit Rücksicht auf das angeschlossene Netz nicht zulässig. Gegenstand der Erfindung ist nun eine Einrichtung, bei welcher die genannten Nachteile vermieden werden und der für die Selektivität des Schutzes benötigte künstliche Erdschlussstrom unabhängig vom gewünsch ten Bereich der Schutzwirkung erzeugt wird.
Das wird: erfindungsgemäss dadurch erreicht., dass zur Erzeugung des künstlichen Erd- schlussstromes, wenigstens bei nullpunkts- nahen Lagen des Erdschlusses, die Spannung zwischen der Erdschlussstelle und wenigstens einem beliebigen Punkt des zu schützenden Wicklungssystems verwendet wird, der aber nicht der Systemnullpunkt ist. In der Zeichnung sind einige Ausfüh rungsbeispiele für die Erfindung schematisch dargestellt.
In allen diesen Beispielen wird das Eintreten eines Erdschlusses durch Mes sung der Spannung zwischen Nullpunkt und Erde, das heisst der Nullpunktsspannung, festgestellt.
Gemäss Fig. 1 wird zur Erzeugung des künstlichen Erdschlussstromes eine Hilfs erdung vorgenommen, indem an die Sammel schienen R, S, T die Primärwicklung eines Hilfstransformators 12 angeschlossen und dessen Nullpunkt bei 13 geerdet ist. Hier sind zwei Bereiche vorgesehen, denen Span- iningsrelais 2a und 2b verschiedener Emp findlichkeit zugeordnet sind.
Für Erdschlüsse mit kleiner Nullpunktsspannung, also in einem gewissen Bereich um den Nullpunkt des zii schützenden Generators 1 herum, wird der künstliche Erdschlussstrom auf die erfin dungsgemässe Art gewonnen, während er für Erdschlüsse, die ausserhalb dieses Bereiches, nach den Generatorklemmen hin auftreten, auf die bisher bekannte Art rein von der Nullpunktsspannung erzeugt wird. Die drei Phasen der Sekundärwicklung des Transfor mators 12 sind in Reihe geschaltet, so dass ,jede Nullpunktsverlagerung des Systems im Sekundärkreis desselben eine Spannung er zeugt.
Diese tritt bekanntlich im Erdschluss- falle auf, und die erzeugte Spannung bringt je nach ihrer Grösse das empfindliche Relais 2b oder das unempfindlichere Relais 2a zum Ansprechen. Im Sekundärstromkreis des Transformators 12 liegen zwei Schützschalter 3ca und 3b, von denen der erstere bei Anspre chen des Relais 2a, der letztere bei Anspre chen des Relais 2b erregt wird, und ein Wi derstand (oder eine Impedanz) 4, von wel chem ein Teil 4a bei geschlossenem Schalter 3b beispielsweise nur in dem von der Phase R des Transformators 12 gespeisten Strom kreis liegt.
Ein Auslöserelais 5 wird einer seits vom Summenstromwandler 6, ander seits von dem am Widerstand 4 abgezweig ten Spannungswandler 7 gespeist und dient zur Betätigung der Auslösespulen des Ge- neratorschalters 11 sowie seines Erregerschal ters 15. Weitere Generatorgruppen können, wie angedeutet, auf die Sammelschienen R, S, T arbeiten und werden durch die gleiche Apparatur 2, 3, 4, 7, 12, 13 mitgeschützt.
Bei Eintreten eines Erdschlusses wird den Spannungsrelais 2a und 2b die im Transformator 12 transformierte Nullpunkts spannung zugeführt. Bei grösseren Null punktsspannungen spricht das Relais 2a an, öffnet den Stromkreis des empfindlicheren und zeitverzögerten Relais 2b und schliesst das Schütz 3a, so dass nunmehr ein durch den Widerstand 4 begrenzter künstlicher Erd- schlussstrom fliesst.
Die am Widerstand 4 ab gegriffene Spannung wird vom Wandler 7 der Spannungsspule des Auslöserelais 5 zuge führt und erzeugt dort bei vorhandenem Su;mmenseum, dem bei Erds.Ghluss- im Gene rator 1 in der Stromspule des Relais 5 auf tritt, ein Drehmoment, durch das sein Kon takt geschlossen und die Auslösung der Schalter 11 und 15 bewirkt wird. Bei Feh lern ausserhalb des Schutzgebietes jedoch bleibt das Auslöserelais 5 unwirksam, weil im Wandler 6 praktisch kein Summenstrom auftritt und daher die Stromspule des Relais 5 unerregt bleibt.
Bei mehreren parallel arbeitenden Generatoren muss jedem einzelnen Generator ein eigenes Auslöserelais 5 zu geordnet sein.
Bei Nullpunktsspannungen unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes, wenn also der Erdschluss in der Nähe des Generator sternpunktes liegt, bleibt das Relais 2a im geöffneten Zustand und nur das Relais 2b spricht, mit kleiner Zeitverzögerung, an. Da durch wird das Schütz 3b geschlossen, das über den Widerstandsabschnitt 4a den Stromkreis nur einer Sekundärphase des Transformators 12 schliesst.
Für den ent stehenden künstlichen Erdschlussstrom ist dann die Spannung zwischen der Erdscbluss- stelle und der Klemme derjenigen Phase des Generators wirksam, in welcher das Schütz 3b liegt; im Falle des Beispiels ist dies die Phase R. Diesem Sekundärstrom entspricht auch ein Primärstrom in der Phase .R der Generatorzuleitungen und des Summenwand- lers 6 und überträgt sich somit auf die Stromwicklung des Auslöserelais 5.
Ferner erzeugt er im Widerstand 4a den Spannungs abfall, der zur Speisung der Spannungsspule des Auslöserelais 5 dient und. zusammen mit dem Summenstrom in seiner Stromspule die ses Relais zum Ansprechen und zur Aus lösung der Schalter 11 und 15 bringt.
Die Spannungsverhältnisse sind aus den Ersatzschaltbildern, Fig. 2 und 4, in denen die Erde nebst den Widerständen 4 durch die Widerstände wr, <I>Ws,</I> wt ersetzt ist, sowie aus den zugehörigen Vektordiagrammen, Fig. 3, 5 und 6, ersichtlich.
Ist bei klemmennahen Erdschlüssen das Schütz 3a geschlossen, so wird hier gemäss Fig. 2 und 3 der künstliche Erdschlussstrom von der Spannung Eo er zeugt, die hier mit der Nullpunktsspannung U., das heisst mit der Spannung zwischen ErdschlussstelIe e und dem Nullpunkt o iden tisch ist.
Tritt dagegen bei einem nullpunkts- nahen Erdschluss das Schütz 3b in Tätigkeit, welches ja nur von der Transformatorphase .B gespeist wird, ist zu unterscheiden, ob der Erdschluss, entsprechend dem ausgezogenen Pfeil in Fig. 4, ebenfalls in Phase R (bei e) oder, entsprechend dem gestrichelten Pfeil, in einer andern Phase, zum Beispiel T, (bei e') liegt.
Im ersten Fall wirkt als Erzeuger des künstlichen Erdschlussstromes gemäss Fig. 5 die Phasenspannung Er zwischen Erdschluss- stelle e und Klemme der Generatorphase R; im zweiten Falle wirkt ;gemäss, Fig. 6 die ver kettete Spannung Et, zwischen der Erd- schlussstelle e' und der gleichen Klemme.
Die Aufteilung der Generatorwicklung wird am günstigsten, wenn dem Spannungs relais 2a bezw. dem Schütz 3a klemmen- seitig 56%, dem Relais 2b bezw. Schütz 3b nullpunktsseitig 44% der Gesamtwindungen zugeordnet werden; dann variiert der künst liche Erdsclilussstrom im Verhältnis 1 :2;27. Denn beim Wandern des Erdschlusses vom Punkt 44% gegen die Klemme hin wächst die Nullpunktsspannung U" von 44% auf 1.00 %, also im Verhältnis 44: 100 = 1: 2,27.
Und beim Wandern des Erdschlusses von der Stelle 44% gegen den Nullpunkt hin wächst die wirksame Phasenspannung Er von 56 % auf<B>100%</B> bezw. die verkettete Spannung Et, von 56 % auf 12 7,5 % ; die Variation ist also maximal 56 : 127,5 = ebenfalls 1 : 2,27.
Arbeiten nun die zu schützenden Maschi nen auf ein mehr oder weniger stark, kapazi- tives Netz, mag es eine Löschspule enthalten. oder nicht, so überlagert sich dem künstlichen Erdschlussstrom ein Lade- bezw. Reststrom, der das Arbeiten der Ausläserelais 5 stören kann.
Der Einfluss dieser Ströme auf das Auslöserelais 5 ist in zwei Vektordiagram- men, Fig. 7 und 8, dargestellt. Fig. 7 zeigt die Vektoren bei Erdschluss in der der Ge- neratorphase R vorangehenden Phase T, Fi.g. 8 bei:
Erdischlüss in der der Phase R nac.h- folgenden Phase S (wenn der Vektordrehsinn entgegen dem Drehsinn des Uhrzeigers an genommen wird).
In beiden Diagrammen bedeutet LT" die Richtung der Nullpunktsspannung und Et, bezw. E, die den künstlichen Erdschluss- strom Ie erzeugende Spannung. Das Auslöse relais 5 sei so gebaut, dass es sein grösstes Drehmoment entwickelt, wenn der Strom in seiner Stromspule die Richtung 11-11 hat.
Im Falle der Fig. 7 liefert der kapazitive Ladestrom Ie, der immer der Nullpunktsspan- nung (To praktisch: um 90 voreilt, in die Richtung A- < 1 eine drehmomenterzeugende Komponente, die diejenige des künstlichen Erdsehluss:stromes I, verstärkt;
dagegenwirkt im Falle der Fig. 8 diese in die Richtung 1-t1 fallende Komponente des Ladestromes I, schwächend auf das vom Strom 1p erzeugte Drehmoment.
Wäre statt des Ladestromes 1e ein in duktiver Reststrom vorhanden, so wäre die Wirkung umgekehrt, eine Drehmoment schwächung im Falle des Erdschlusses in Phase T, eine Drehmomentverstärkung im Falle des Erdschlusses in Phase S. Jeden falls bewirkt also Strom 1e eine Unsicher heit im Ansprechen deal Auslöserelais 5.
Diese wird vermieden, wenn man in jedem Falle 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 benutzt.
Bei solch zvklischem Wechsel über alle drei Pha sen fällt für jede Lage des Erdschlusses im Generator und für jeden Netzzustand min destens einmal jede hemmende Wirkung des Lade- bezw. Reststromes weg. Die Schutz- einrichtung arbeitet somit vollkommen un abhängig vom Netzzustand zuverlässig.
Dies sei am Beispiel der Fig. 9 erläutert. 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 Nachbar phasen (entsprechend Fig. 6) bildet. In Fig. 9 sind die beiden Relais 2a und 2b durch an dere Relais 8 und 9 und die einphasigen Schützen 3a und 3b durch zweipolige<B>3" 3"</B> 3t ersetzt.
Mittels des an der Nullpunktsspannung 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 ledig lich festgestellt und durch sein Ansprechen das dreistufige gestaffelte Zeitrelais 9 ein geschaltet. Dieses schaltet in der Reihen folge r, s, i, kurzzeitig, zum Beispiel je 1 oder 2 Sekunden lang, die Erregerspulen der Schütze 3,., 35, 3t ein und gleich wieder aus.
Beim Einschalten irgendeines dieser drei Phasenschützen genügt trotz gegenwirkender Lade- oder Restströme die Erregung des Aus löserelais 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 verkefeten Spannung dann, wenn der Kurzschluss an der Klemme des Generators auftritt.
Die Variation des künst lichen Erdsehlussstromes bei Wandern des Erdschlusses vom Nullpunkt zur Klemme des Generators beträgt also hier höchstens 1:1,73. Will man auch Erdschlüsse der abge schalteten, aber erregten Maschine, also bei offenem Schalter 11, erfassen, so genügt es, an den Nullpunkt des Generators 1 einen anderseits geerdeten Spannungswandler 16 anzuschliessen und von ihm aus das Auslöse- ,eIlais 5 über IE@lfiskontakte 10 am Schalter 11 zu speisen.
Da der Stromwandler 6 strom los ist, wird der Stromspule des Relais 5 ebenfalls eine Spannung zugeführt, deren Phasenlage aber zur Erzeugung eines Dreh momentes verschoben werden muss, zum Bei spiel durch Hinzufügen einer Reaktanz oder eines Kondensators 14. Das Relais arbeitet dann als zweispuliges Spannungsrelais, des sen beide Spulen im Erdschlussfalle von der Nullpunktsspannung, die am Transformator 16 herrscht, gespeist werden, die eine direkt, die andere über den Kondensator 14. Durch die Hilfskontakte 10 wird bei offenem Hauptschalter 11 der Spannungswandler 16 ein- und der Spannungswandler 7 abge schaltet.
Selbstmerstäudliich lässt sich die Erfindung auch bei Einzelmaschünlen anwenden, wo- bei dann der besondere Erdungstransformator 12 entfallen kann.. Statt :dessen wird gemäss Fig. 10 ein Nullpunktstransformator 17 ver wendet, der das Ansprechrelais 8 bei Vorlie gen eines Erdschlusses mit der Nullpunkts spannung speist.
Durch kurzzeitiges Ein schalten der drei Schütze 31, 38, 3t wird die gemeinsame Erdleitung unter Strom gesetzt, die den Widerstand 4 und den Stromwand ler 18 enthält. Dieser ist dem Summenstrom wandler 6 entgegengeschaltet, so dass ein beide Wandler 6 und 18 durchfliessender künstlicher Erdstrom, wie er bei Netzerd- schlüssen auftritt, auf das Relais 5 ohne Wir kung bleibt. Bei Wicklungserdschluss im Ge nerator 1 erhält jedoch nur der Wandler 18 einen Summenstrom. Zugleich speist der Spannungsabfall im Widerstand 4 direkt oder über den Spannungswandler 7 die Span nungsspule des Auslöserelais 5.
Bei Erd- schluss an irgendeiner Stelle der Generator wicklung reicht der Spannungsabfall am Widerstand 4 zusammen mit dem Erdstrom in einer -der drei Phasen trotz störender Lade- :oder Restsbr@öme bestimmt aus, das Anissprechen des: Relais 5 und damit das Auslösen der Schalter 11 und 15 zu bewirken.
Bei den in Fig. 9 und 10 dargestellten Beispielen wird der künstliche Erdschluss- strom von einer Spannung erzeugt, die zwi schen der Erdschlussstelle und einer der Klemmen des Generators liegt. Statt der Klemmen kann aber auch ein beliebiger an derer Wicklungspunkt verwendet werden, der zwischen dem Nullpunkt und den Klemmen liegt; die Messspannung und der künstliche Erdscblussstrom werden dann entsprechend kleiner.
Der. künstliche Erdschlussstrom kann aber auch aus den zwei Spannungen erzeugt wer den, von denen mindestens eine in der be schriebenen Art zwischen Erdschlussstelle und einer Klemme bezw. beliebigem Wick lungspunkt liegt.
Die Schaltungen nach Fig. 1 und 9 kön nen grundsätzlich dadurch vereinfacht wer den, 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 ge ringer. Ferner ist es auch möglich, für die Auslösung ein Gleichstromrelais zu verwen den, indem man ihm seine Erregerströme über Gleichrichter zuführt.
Die Erfassung des Erdschlusses als sol cher ist nicht Gegenstand der Erfindung. In den beschriebenen Beispielen wurde dazu die im Erdschlussfalle auftretende Nullpunkts spannung benutzt, die gemäss Fig. 1 auf die Relais 2a und 2b, gemäss Fig. 9 und 10 auf das Relais 8 einwirkt. Dieses Ansprechrelais 2b bezw. 8 kann leicht für Ansprechen schon bei sehr kleiner Spannung, beispielsweise bei 2 % -der Gene#rator-Phasenspannung, bemessen werden.
In an sich unsymmetrischen Netzen muss die kleinste Ansprechspannung selbst verständlich oberhalb der durch die Netz- unsymmetrie bedingten Nullpunktsspannung liegen, damit der Generatorschutz nicht schon ohne Vorliegen eines Erdsehlusses be tätigt wird.
Für die Erfassung der Erd- schlüsse können selbstverständlich auch an dere Methoden verwendet -erden, aueh sol che, bei denen der Erdschluss sogar im Null punkt selbst erfasst, zum Beispiel eine Me- tIode, bei der die dritte Harmonisehte der Phasenspannung des Generators benutzt wird, oder eine solche, bei der sieh ein. Kondensator über die Fehlerstelle entlädt.
Die haupptsäcblichen Vorteile der bi#- schriebenen Schutzeinrichtungen sind fol gende: Da der künstliche Erdschlussstrom nur in dem kleinen Verhältnis von 1<B>:2,27</B> oder gar nur 1 : 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 Erd- schlussstromes verkleinert wird.
Der Umfang des geschützten Teils der Genera.torwicklung ist theoretisch unbegrenzt und praktisch nur durch die Empfindlichkeit des Ansprech- relais (8) begrenzt. Der Schutz ist unabhän gig von der Art des Netzes ausführbar, also unabhängig vom Auftreten kapazitiver Lade ströme oder induktiver Restströme. unabhän- gig vom Fehlen oder Vorhandensein von Löschspulen; er braucht an das Netz nicht besonders angepasst zu werden.