Selektivschutzeinrichtung in einem elektrischen Netz mit Widerstandsschaltern Für elektrische Netze, z. B. deren übertragungs- leitungen, sind Widerstandsschalter entwickelt wor den, die in sehr kurzer Zeit entweder den Strom un terbrechen oder ihn auf eine Stromstärke vermindern, die eine Abschaltung mit verhältnismässig einfachen Schaltern zulässt. Derartige Widerstandsschalter sind unter den Namen Reduktionsschalter und Reduktor bekanntgeworden.
Die Reduktionsschalter begin nen mit der Widerstandseinschaltung beim Stromnull- durchgang des Kurzschlussstromes, die Reduktoren oder auch Strombegrenzer genannt, beginnen mit der Widerstandseinschaltung bereits etwa 0,1 ms nach Erreichen des Ansprechstromes. Die Zeitdauer eines Abschaltvorganges beträgt bei Reduktoren höchstens eine Halbwelle, vorzugsweise etwa 4 ms. Sie liegt also wesentlich unter der Abschaltzeit der bisher üblichen Schalter, die um rund eine Grössenordnung höher lie gen.
Infolge der grossen Schaltgeschwindigkeit der neuen Widerstandsschalter ist es möglich, Kurzschluss- ströme schon während ihres ersten Anstieges, das heisst in der ersten Halbwelle zu erfassen, wobei der Ansprechwert des Auslöseorgans etwa beim zwei- bis dreifachen Nennstrom und der Höchstwert des be grenzten Stromes etwa beim drei- bis vierfachen Nenn strom liegen.
Bei Verwendung mehrerer Reduktoren in elektrischen Übertragungsleitungen und Netzen eig nen sich jedoch die bisherigen Einrichtungen für die selektive Auswahl der der Fehlerstelle zunächstliegen- den Schalter nicht mehr, da z. B. die bei den bisheri gen Verfahren notwendige Impedanzmessung allein Zeiten bis zu 20 ms benötigt.
Mindestens müsste aber bei den bisherigen Messverfahren für konventionelle Schalter eine Halbwelle (10 ms) zur Verfügung ste hen, um im Störungsfall eine selektive Auswahl unter den Schaltern zu ermöglichen. Die Auslösung der neuen Widerstandsschalter, z. B. Reduktoren oder Reduktionsschalter, erfolgt meist in Abhängigkeit vom Momentanwert des zu überwachenden Stromes.
Es können bei einem Fehler mehrere hintereinanderliegende Schalter ansprechen, die ihrerseits Widerstände in den Leitungszug ein fügen. Während der hierzu notwendigen kurzen Schalt zeit steigt der Widerstand je Schaltstelle von Null auf einen hohen Endwert. Es fliesst dann nur noch ein kleiner Fehlerstrom (Bruchteile des Nennstromes bis herab auf weniger als 1 Ampere). Die eingefügten Widerstände verursachen, wovon die im folgenden beschriebene Einrichtung Gebrauch macht, einen ent sprechenden Spannungsabfall.
Die erfindungsgemässe Selektivschutzeinrichtung in einem elektrischen Netz zeichnet sich dadurch aus, dass für jeden Widerstandsschalter je Pol mindestens eine Spannungsmessvorrichtung vorgesehen ist, die, so bald beim Ansprechen des Widerstandsschalters sein Widerstand einen vorgegebenen Wert erreicht, die Spannung zumindest hinter dem Widerstandsschalter gegen ein Bezugspotential erfasst.
Diejenige Span- nungsmessvorrichtung, die eine Spannung gleich oder kleiner einer vorgegebenen Mindestspannung feststellt, beeinflusst spätestens beim zweiten Ansprechen des Schalters auf dieselbe Störung ein Verriegelungsglied des zugehörigen Widerstandsschalters im Sinne der Verriegelung gegen Wiedereinschalten, während die übrigen Widerstandsschalter, die ebenfalls geöffnet hatten,
deren Spannungsmessvorrichtungen aber eine Spannung höher als die Mindestspannung feststellten, ohne Wirksamwerden der Verriegelungsglieder in die Ein-Stellung zurückgehen.
Da die Spannungen an den Widerstandsschaltern die .selektive Auswahl bestimmen, ist es vorteilhaft, sie von Störvorgängen oder sonstigen hochfrequenten Schwingungen zu befreien. Zu diesem Zweck können in die Zuleitungen zu den Spannungsmessvorrichtun- gen derartige Tiefpassfilter eingefügt werden, dass praktisch nur die betriebsfrequente Spannung von jeder Spannungsmessvorrichtung erfasst wird.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert; es zeigt: Fig. 1 ein Diagramm der Impedanzen der Wider standsschalter, der Lasten und der Kurzschlüsse bei verschiedenen Spannungen, Fig. 2 ein Blockschema einer Selektivschutzein- richtung in einem Netz mit zwei übertragungslei- tungen, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer über tragungsleitung mit Widerstandsschaltern,
Fig. 4 die räumliche Spannungsverteilung bei einem Kurzschluss auf der Leitung, Fig. 5 die räumliche Spannungsverteilung bei einem Kurzschluss an der Sammelschiene.
In Fig. 1 sind als Ordinate die Widerstandswerte von 0,1 bis 1000 Q, als Abszisse die Spannungen von 6 bis 220 kV aufgetragen. Das Diagramm enthält drei Flächen, in denen die üblichen Widerstandswerte bei den entsprechenden Spannungen liegen, und zwar be trifft die Fläche 1 die Kurzschlussimpedanzen, die Fläche 2 die Widerstände der Widerstandsschalter im Augenblick des für die selektive Auswahl günstigsten Zeitpunktes und die Fläche 3 die Lastimpedanzen.
Wie aus dem Diagramm hervorgeht, ergeben sich für alle genannten Spannungen bei den üblichen Netzen Widerstandswerte, die um mindestens eine Grössen ordnung über der Kurzschlussimpedanz, aber noch bis zu zwei Grössenordnungen unter den Lastimpedanzen des Netzes liegen.
Wählt man z. B. für ein Netz eine Spannung von 20 kV, so liegt der Wert für die Kurzschlussimpedanz im Bereich von etwa 0,5 und 3,2 ,SZ, der Impedanzwert des Widerstandsschalters zwischen 6,3 und 12 ,2, während der Impedanzwert für die Lasten zwischen 50 und 1000 SZ liegt. Die einzelnen Impedanzbereiche unterscheiden sich demnach im Mittel um ungefähr eine Grössenordnung oder mehr.
In Fig. 2 ist mit 4 die Sammelschiene bezeichnet. An die Sammelschiene 4 ist der Transformator 5 an geschlossen, der z. B. die anstehende Kraftwerkspan- nung auf 20 kV erhöht. Dem Transformator 5 sind die Widerstandsschalter 6 und 7 nachgeschaltet. In Reihe mit dem Widerstandsschalter 7 liegt eine nicht dargestellte Last. Zwischen den Widerstandsschaltern 6 und 7 geht eine Leitung für eine weitere nicht dar gestellte Last ab.
Vor und hinter jedem Schalter sind je zwei Tiefpassfilter 8a, 8b bzw.<I>9a, 9b</I> angeschlos sen. Die Tiefpassfilter 8a,<I>8b bzw. 9a,</I> 9b sind mit den Eingängen der zwei Spannungsmessvorrichtungen 10a, 10b bzw. 13a, 13b verbunden. Die Spannungsmess- vorrichtungen 10a, 10b beeinflussen ein Verriege- lungsglied 11 des Widerstandsschalters 6.
Je nach dem, welche Spannung von den Spannungsmessvor- richtungen 10a oder 10b festgestellt wird, verriegelt das Verriegelungsglied 11 oder es verriegelt nicht, es bleibt also der Endwert des Widerstandsschalters 6 eingeschaltet oder der Widerstand wird sofort wieder überbrückt, das heisst der Schalter geht in seine Ein schaltstellung (Widerstand Null) zurück. Die gleiche Anordnung wie für den Widerstandsschalter 6 ist auch für den Widerstandsschalter 7 vorgesehen. Die Span- nungsmessvorrichtungen sind in diesem Fall mit 13a, 13b und das Verriegelungsglied mit 14 bezeichnet.
Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende: Die Spannungsmessvorrichtung jedes Widerstands schalters erfassen die Spannungen vor und hinter dem Widerstand jedes Schalters, und zwar wird jeweils die Spannung gegen das Erdpotential oder ein Bezugs potential gemessen.
Das Verriegelungsglied verhindert ein Wiedereinschalten des Widerstandsschalters, falls am Messglied eine durch die Netzkonfiguration oder durch die mögliche Fehlerlage gegebene Mindestspan- nung von beispielsweise 10 oder 20 % der normalen Spannung gegen das Bezugspotential, z. B. die Erde, unterschritten wird.
Die Spannungsmessvorrichtungen ihrerseits werden erst wirksam bei einem vorgege benen Widerstandswert, dessen Auswahl nach dem in Fig. 1 dargestellten Bereich 2 für die Widerstands werte der Schalter erfolgt. Tritt nun z. B. an der mit einem Pfeil bezeichneten Stelle F der übertragungslei- tung ein Kurzschluss auf, so wird die Spannung an die ser Stelle praktisch Null sein und so steigt von hier längs der Leitung entsprechend den Leitungs-Trans- formator-Impedanzen usw. auf die Spannung der Energiequelle an.
Dieser Spannungsverlauf ändert sich jedoch sofort nach Eintritt des Kurzschlusses mit dem Ansprechen der Widerstandsschalter 6 und 7, da hierdurch Impedanzen (Widerstände) eingeschaltet werden, deren Ohmwert gross ist gegenüber den Lei tungsimpedanzen. Dies hat zur Folge, dass die Span nung an der Klemme a des Widerstandssehalters 7 noch annähernd Null bleibt, während die Klemmen b und c eine wesentlich höhere und die Klemme d noch mals eine durch den Widerstand des Schalters 6 be dingte höhere Spannung aufweisen (siehe auch Fig. 4).
Bei Erreichen einer vorgegebenen Grösse des Wider standswertes der Schalter 6 und 7, also bevor der End- wert der Schalterwiderstände erreicht ist, werden die zugehörigen Spannungsmessvorrichtungen 10a, 10b und 13a, 13b wirksam und liefern den zugeordneten Verriegelungsgliedern 11 und 14 Spannungen bzw. dazu proportionale Ströme ganz bestimmter Grösse. Entscheidend ist für das Folgende der Umstand, dass die Spannung an der Klemme b des Schalters 7 in diesem Augenblick wesentlich höher ist als an der Klemme a.
Der Spannungsunterschied entspricht dem Spannungsabfall im Widerstand des Schalters 7 in dem betrachteten Augenblick. Durch die relativ hohen Spannungen an den Klemmen c und d des Widerstands schalters 6 spricht das Verriegelungsglied 11 nicht an, so dass der Widerstandsschalter 6 nicht in der Aus schaltstellung (grösster Widerstand) festgehalten wird, sondern sofort wieder in die Einschaltstellung mit überbrücktem Widerstand zurückfällt.
Im Gegensatz dazu hat die kleine Spannung an der Klemme a zur Folge, dass der Widerstandsschalter 7 durch das Ver- riegelungsglied 14 in seiner ausgeschalteten Stellung (Endwert des Widerstandes) festgehalten wird, was die selektive Abschaltung des Fehlers F zur Folge hat.
Wird die Fehlerstelle, wie die Fig. 2 zeigt, nur von :einer Seite gespeist, so bedarf es lediglich einer Span- nungsmessvorrichtung pro Widerstandsschalter zur Entscheidung über die Fehlerlage. Die Spannungs- messvorrichtung ist dann hinter dem jeweiligen Wider standsschalter anzuschalten. In Verteilungsnetzen wird jedoch die Fehlerstelle vielfach von zwei Seiten aus gespeist, wie z. B. in vermaschten Netzen oder Lei tungsringen.
Daher ist es erforderlich, vor und hinter den Widerstandsschaltern die Spannungen zu messen, da der Fehler vor oder hinter dem Widerstandsschal ter liegen kann und somit die zur selektiven Erfassung notwendige Spannung, die gleich oder kleiner als die Mindestspannung ist, je nach Fehlerlage auf der einen oder anderen Seite des Schalters auftreten kann.
Nach dem bisher Gesagten ist noch nicht erkenn bar, warum es vorteilhaft ist, nicht die Mindestspan nung Null als Kriterium für das Ansprechen der Ver- riegelungsglieder zu wählen. Der Grund dafür ist fol gender: Wenn sich der Fehler in einiger Entfernung vom nächstgelegenen Widerstandsschalter befindet, so steht an der dem Fehler zugeordneten Klemme des Wider standsschalters infolge der Leitungsimpedanzen eine Spannung an. Hieraus ergibt sich die Forderung, nicht die Spannung Null, sondern einen bestimmten höhe ren Mindestspannungswert zu wählen, bei dessen Un terschreiten der betreffende Widerstandsschalter ge öffnet bleibt.
Anderseits kann noch eine weitere Schwierigkeit auftreten. Ist nämlich eine Last sehr gross, so würde der dieser Last entsprechende Widerstand kleiner sein als die Endwerte der Schalterwiderstände. Es würde damit am Anschlusspunkt der Last praktisch ein Kurz schluss vorgetäuscht werden. Die Spannung an dem Netzpunkt, an welchem die Last angeschlossen ist, würde unter Umständen tiefer sein als der eingestellte Spannungswert für das selektive Kriterium. Durch die angegebenen Widerstandswerte der Schalter im Mo ment des Ansprechens der Messvorrichtungen wird dieser Fehler vermieden.
Widerstandsschalter, die mit der beschriebenen Einrichtung für den Selektivschutz elektrischer über- tragungsleitungen und Netze arbeiten, können auch zur Kurzunterbrechung verwendet werden. Es ist hier für notwendig, dass auch der selektiv ausgewählte Schalter sofort mit dem anderen Schalter wieder in die Ein-Stellung gelt und dass erst bei einem nochmaligen Ansprechen aller Schalter beim gleichen Fehler der selektiv ausgewählte Schalter in der Aus-Stellung (Endwert des Widerstandes) verriegelt bleibt.
Dies kann durch jedem Schalter zugeordnete Sperrglieder erreicht werden, die die sofortige Wiedereinschaltung aller Schalter einschliesslich der selektiv ausgewählten Schalter zulassen, während beim zweiten Ansprechen der Schalter durch den gleichen Fehler diese Sperr glieder unwirksam sind. Da die Widerstandsschalter jedoch sehr schnell arbeiten, ist unter Umständen die spannungslose Pause für die Entonisierung der Licht bogenstrecke an der Fehlerstelle zu kurz.
Dieser Nachteil kann dadurch vermieden werden, dass sämt- liche Widerstandsschalter mit einem einstellbaren Ver zögerungsglied versehen werden. Diejenigen Wider- standsschalter, die selektiv ausgewählt wurden, schal ten über das Verzögerungsglied zu, während alle üb rigen Schalter, die ebenfalls durch den Fehler angeregt wurden, sich unverzögert wieder einschalten.
In Fig. 3 ist eine Übertragungsleitung mit Wider standsschaltern schematisch dargestellt, während die Fig. 4 und 5 die räumliche Spannungsverteilung bei Kurzschlüssen auf der Leitung bzw. an der Sammel schiene wiedergeben.
In Fig. 3 bedeuten in Übereinstimmung mit Fig. 2 5 den Transformator, _6 und _7 die Widerstandsschalter mit den Klemmen c, d bzw, <I>a, b, F</I> eine Fehlerstelle auf der Leitung, F* einen Fehler an der Sammel schiene S. B ist die im Normalbetrieb vorhandene Belastung. 31 bedeutet eine der Sekundärwicklungen des Transformators _5, dessen Sternpunkt 0 geerdet ist; die Klemmenspannung betrage UT.
Der Widerstandsschalter 6 besitzt ein Fahrgestell 32, das die als hochohmige Widerstände ausgebildeten Stützer 33 und 34 trägt. 35 und 36 sind Isolierplatten, 37 und 38 Metallplatten. Die Widerstände sind mit 39 und 40 bezeichnet. 41 ist das bewegliche Schaltstück, das in einem isolierenden Führungsstück 42 befestigt ist;
letzteres weist an seinem 'oberen Ende ein Loch 43 auf. 44 ist eine stirnseitig vor den Widerständen liegende Isolierleiste zur Betätigung der Hilfsschalter 45 und 46. 47 und 48 sind die Wicklungen der Ver- riegelungsglieder mit den Verriegelungsstiften 49 und 50, die durch nicht eingezeichnete Federn im strom losen Zustand der Spulen 47 und 48 (Spannungsmess- vorrichtungen 47 und 48) nach innen gedrückt wer den,
wie bei 50' gezeigt. 51 bedeuten auf beiden Stirn seiten angebrachte Gummibänder, die den beweg lichen Kontakt 41 in die Einschaltlage zurückziehen. Für den Widerstandsschalter 7 gelten die gleichen Be zugszeichen, jedoch mit hochgestelltem Strich.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Tritt an der Fehlerstelle F ein Kurzschluss auf, so werden durch nicht gezeichnete, beispielsweise e'lektro- dynamisc'he Antriebssysteme, die beweglichen Kon takte 41 und 41' nach oben beschleunigt und damit Widerstand in die Übertragungsleitung eingeschaltet. In der gezeichneten Stellung der Schaltstücke 41 bzw. 41' ergibt sich eine Spannungsverteilung, wie sie in Fig. 4 angedeutet ist. An der Fehlerstelle F ist die Spannung praktisch Null und seigt bis zur Klemme a nur ganz wenig an auf den Wert Ua G U",;,.
An den Klemmen b und c besteht hingegen annähernd die halbe Transformatorspannung, während. die Klemme d praktisch die volle Transformatorspannung UT auf weist. Hierbei ist angenommen, dass die beweglichen Schaltstücke 41 bzw.
41' sich in einer Stellung be- finden, derart, dass der eingeschaltete Widerstand im Gebiet 2 gemäss Fig. 1 liegt, das heisst also, dass dieser Widerstand bei einem 20-kV-Schalter etwa 6 bis 12 Ohm beträgt. In diesem Augenblick werden durch die Isolierleisten 44, 44' die Hilfsschalter 45, 45' und 46, 46' vorübergehend geöffnet. Man erkennt aus Fig. 4 deutlich, dass der Schalter 46' des Widerstands schalters _7 praktisch spannungslos öffnet und daher die zugehörige Wicklung 48' nicht erregt wird.
Dies hat zur Folge, dass der Verriegelungsstift 50' des Wi derstandsschalters _7 in der Verriegelungsstellung ver bleibt und daher das Isolierstück 42' in der oberen Endlage festhält, was zur Folge hat, dass der Wider standsschalter 7 in der Ausschaltstellung verbleibt. Die Spule 47' des Schalters _7 sowie die beiden Spulen 47 und 48 des Schalters _6 werden hingegen erregt und in die gezeigte Lage gezogen; eine Verklinkung erfolgt daher nicht.
Das bewegliche Schaltstück 41 des Schalters 6 geht vielmehr unter der Einwirkung der Gummibänder 51 sofort wieder in die Einschaltstel- lung zurück. Dies bedeutet aber, dass der Fehler F selektiv abgeschaltet ist, während die Sammelschiene S nur eine vorübergehende Spannungsabsenkung er- fährt.
Tritt hingegen ein Kurzschluss an der Fehlerstelle 1"'-, das heisst an der Sammelschiene S auf, so ergibt sich eine Spannungsverteilung, wie sie in Fig. 5 an gedeutet ist, wobei angenommen wurde, dass rechts von der Belastung noch ein weiterer Widerstandsschal ter sowie ein zweiter Transformator (Energiequelle) vorhanden sind. Man erkennt, dass in diesem Falle die Spannung an den Klemmen b und c praktisch Null ist. Die zugehörigen Spulen 47' des Schalters _7 und 48 des Schalters _6 werden nach Öffnen der Hilfsschal ter 45' bzw. 46 nicht erregt.
Dies hat zur Folge, dass die beweglichen Schaltstücke 41 und 41' der beiden Widerstandsschalter _6 und _7 in der Endstellung fest gehalten werden. Der Fehler F* ist damit selektiv ab geschaltet, während die Belastung B von rechts her weiter gespeist wird.
Durch Ausbildung der Schalter 45 und 46 als Schleppschalter ist dafür gesorgt, dass eine Erregung der Wicklungen 47, 48 bzw. 47', 48' nur innerhalb der Widerstandszone 2 gemäss Fig. 1 erfolgt. Selbst verständlich muss durch geeignete Ausbildung der Ver- riegelungsglieder dafür gesorgt werden, dass das Zu rückfallen der Verriegelungsstifte 49, 50 bzw. 49', 50' mit ausreichender Verzögerung erfolgt, damit nicht eine unbeabsichtigte Verklinkung der Isolierstücke 42 oder 42' zustande kommt.
Dies macht jedoch keine Schwierigkeiten, da das bewegliche Schaltstück 41 für das Ausschalten nur etwa 5 ms und für das dar auffolgende Wiedereinschalten etwa 10 ms benötigt. Selbstverständlich können die Stützer 33 und 34 auch aus Isoliermaterial bestehen und parallel dazu Wider stände, Kondensatoren oder auch Spannungswandler vorgesehen werden.
Zusammenfassend erkennt man, dass eine selektive Erfassung der Fehler lediglich durch Spannungsmes sung innerhalb der Widerstandszone 2 gemäss Fig. 1 möglich ist. Die Auswahl der zu blockierenden Wider standsschalter erfolgt in Bruchteilen einer Halbwelle; eine Messung der Energierichtung ist nicht notwendig. Im vorliegenden Fall wurde angenommen, dass das Netz starr geerdet ist. Hierbei ergeben sich besonders einfache und übersichtliche Verhältnisse.
Bei ungeer- deten oder gelöschten Netzen kann es unter Umstän den notwendig sein, ausser den Sternspannungen auch noch die verketteten Spanungen zu erfassen. Das be schriebene selektive Schutzsystem für Widerstands schalter, insbesondere Strombegrenzer, ist sowohl bei Wechsel- als auch Gleichstromnetzen anwendbar.
Wenn in einem Drehstromsystem Schalter einpolig schalten und in an sich bekannter Weise Kurzunter brechung vorgesehen ist, kann der Kurzunterbre- chungsvorgang selbst einpolig erfolgen: Liegt jedoch eine Dauerstörung vor, bei der endgültig abzuschalten ist, muss die Abschaltung dreipolig erfolgen. Bei der oben beschriebenen Selektivschutzeinrichtung lässt sich dies dadurch erreichen, dass von jenem Pol, der für länger abgeschaltet bleibt, die beiden anderen Pole in dem Sinne beeinflusst werden, dass sie in Abhängigkeit von dem ersten Pol für die gleiche Zeitdauer abschal ten.