CH618552A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine phasenfolgeempfindliche Schaltung für ein Schutzrelais für ein Starkstromnetz, die auf Phasensignale des Starkstromnetzes anspricht, welche Signale vollständig durch die Summe dreiphasiger, symmetrischer Mitbzw. Positivfolgekomponenten und dreiphasiger symmetrischer Gegen- bzw. Negativfolgekomponenten dargestellt wer den, und die ein nur zu einer der Phasenfolgekomponenten proportionales Ausgangsstromsignal erzeugen.

Die Theorie der symmetrischen Komponenten ist dem Fachmann auf dem Gebiet der elektrischen Leistungsübertragung und -Verteilung geläufig. Nach dieser Theorie können die Phasenströme irgendeines unsymmetrischen Wechselstrom-Dreiphasensystems in drei Sätze symmetrischer, ausgeglichener Stromvektoren zerlegt werden, die als Mit- bzw. Positivfolge-, Gegen- bzw. Negativfolge- und Null- bzw. Gleichphasenfolgekomponenten bekannt sind. Unter symmetrischen Schaltungsbedingungen fehlen die Gegen-bzw. Negativfolge- und Null- bzw. Gleichphasenfolgekomponenten des Schaltungsstroms.

Eine genauere Erörterung der Theorie symmetrischer Komponenten findet sich in dem 1933 von McGraw-Hill veröffentlichten Lehrbuch «Symmetrical Components» von Wagner und Evans.

Es ist bekannt, dass bestimmte Schaltungen, die Phasenfolge* bzw. Komponentennetzwerke oder Filter genannt werden, mit einem elektrischen Starkstromsystem verbunden werden können, um eine Ausgangsgrösse zu bilden, die proportional zur Grösse der Gegen- bzw. Negativfolgekomponenten des Stroms ist. Diese Phasenfolge- bzw. Komponentennetzwerke oder Filter sind besonders zweckmässig auf dem Gebiet der Schutzrelaistechnik, da sie die Anwesenheit von Gegen- bzw. Negativfolgekomponenten des Stroms erfassen, die dann flies-sen, wenn das Starkstromsystem aufgrund von annormalen oder Fehlerbedingungen unsymmetrisch wird. Auf dem Gebiet der Schutzrelaistechnik ist es ferner bekannt, dass ein Komponenten* bzw. Phasenfolgenetzwerk mit einem «gemischten» Asprechvermögen erwünscht ist, das heisst, dass die Ausgangsgrösse eine Funktion sowohl der mitläufigen als auch der gegenläufigen Stromkomponenten ist. Ferner der Nachteile der bekannten Komponentennetzwerke mit einem «gemischten» Ansprechvermögen besteht darin, dass dann, wenn die Schaltungswerte zum Verändern des Ansprechvermögens auf die Mit- bzw. Positivfolgekomponenten eingestellt werden, auch eine Änderung des Schaltungsansprechvermögens auf die Gegen- bzw. Negativfolgekomponenten erfolgt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten phasenfolgeempfindlichen Schaltung. Im Rahmen der Aufgabe ist es erwünscht, ein solches Phasenfolgenetzwerk zu schaffen, bei dem das Positivfolge- bzw. Mitsystemansprechvermögen selektiv ohne Beeinflussung der Amplitude oder Phase des Schaltungsansprechvermögens auf die Gegen- bzw. Negativfolgekomponenten verändert werden kann. Die Ausgangsgrösse der phasenfolgeempfindlichen Schaltung ist eine Sinuswelle, die im allgemeinen zum Erzeugen eines Gleichstrom-Steuerungssignals weiter verarbeitet werden muss. Da die Signalverarbeitung der Sinuswelle gewöhnlich mit einer gewissen Filterung verbunden ist, die das Erfassen des Fehlerzustands verzögert, ist es erwünscht, das Filter so klein wie möglich zu halten.

Die Aufgabe wird durch die in unabhängigen Patentansprüchen 1 angegebene Erfindung gelöst

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung die phasenfolgeempfindliche bzw. -selektive Schaltung mit einer Phasenverschiebung von 90°,

Fig. 2 in einem Blockdiagramm die bekannten Schritte zum Erzeugen einer Steuerungsgrösse von der Ausgangsgrösse der phasenfolgeempfindlichen bzw. -selektiven Schaltung,

Fig. 3 Wellenformen zum Darstellen der Betriebsweise der Schaltung aus Fig. 2,

Fig. 4 in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform der Erfindung, die eine Steuerungsgrösse von der phasenfolgeemp-

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findlichen bzw. -selektiven Schaltung erzeugt, und dem Summenpunkt 67. Ein Kondensator 64 mit einer Reak-

Fig. 5 Wellenformen zum Darstellen der Betriebsweise der tanz -/3R bei der Frequenz des Starkstromnetzes ist zwischen Schaltung aus Fig. 4, und der Verbindungsstelle 71 und einen Bezugspunkt an einer Lei-

Fig. 6 in einer schematischen Darstellung eine bevorzugte tung 72 geschaltet. Ein Operationsverstärker 66, dessen Ver-Ausführungsform zum Durchführen der in Blockform in Figur 5 Stärkung durch einen Widerstand 65 mit einem Wert GR 5 dargestellten Funktionen der Gleichrichtung und analogen bestimmt wird, spricht auf den Stromfluss am Summenpunkt 67 Oder-Bildung. an. Die Ausgangsgrösse der Schaltung aus Fig. 1 ist durch fol la Fig. 1 handelt es sich bei den Leitern X, Y und Z um gende Gleichung gegeben:

Stromleiter in einem dreiphasigen Wechselstrom-Starkstrom- i. e = -G/8R [Ex + 2E + V^EzJ -30°

netz. Eine folge-bzw. komponentenempfindliche Schaltung ist io xy yz an die Leiter X, Y sowie Z angekoppelt und bildet eine Aus- Wenn nunmehr die Beziehungen aus den folgenden Glei-

gangsgrösse E, die mit den in dem Starkstromnetz auftretenden chungen Folgekomponenten in Beziehung stehen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist es erforder- 2. Exy = (1-a2) Exl + (1-a) Ex2 lieh, die Nullfolgekomponenten bzw. Gleichphasen- oder Null- 15

komponenten zu eliminieren. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, 3. Eyz = (a2-a) Exi + (a-a2) Ex2 erfolgt dieses durch Verwenden von Leitungstrennungsstrom-

wandlern 11,12und 13, um hierdurch einen Stern-Dreieck- 4. Ezx = (a-l)Exl + (a2-l)Ex2

Stromzusatzwandler 20 zu betreiben. Die Primärwicklungen

21,22 und 23 des letzteren bilden eine Sternschaltung, und die 20 in die Gleichung (1) eingesetzt werden, ergibt sich folgende Sekundärwicklungen der Stromwandler 11,12 und 13 sind ent- Gleichung sprechend mit den Primärwicklungen 21,22 und 23 verbunden.

Entsprechende Enden einer jeden der getrennten Dreieckwick- 5. E = 0Exl + 3G/8 Ex2 -60°

lungen 24,25 und 26 sind mit einem gemeinsamen Bezugspunkt

72 verbunden. Die Belastungswiderstände 27,28 und 29 sind 25 Aus der letzten Gleichung ist das Negativfolge-Ansprechver-entsprechend ûbér die Wicklungen 24,25 und 26 geschaltet, um mögen der Schaltung ersichtlich. Es ist auch ersichtlich, dass an diesen Widerständen die Spannungssignale Exy, Eyz und Ezx die Amplitude des durch die Schaltung aus Fig. 1 erzeugten zu entwickeln. Die genannten Spannungssignale enthalten Signals verändert werden kann, und zwar durch Einstellen des keine Gleichphasen- oder Nullkomponenten, und damit können Verstärkungswiderstands 65. Eine andere Lösung zum Verän-sie mit anderen Worten vollständig als Summe ausschliesslich 30 dern der Amplituden des durch die Schaltung aus Fig. 1 erzeug-von symmetrischer Positivfolgekomponenten bzw. Mitkompo- ten Signals besteht darin, alle Schaltungskomponenten bis auf nenten und symmetrischen Negativfolgekomponenten bzw. den Widerstand 65 durch einen Faktor t/3 massstäblich zu Gegenkomponenten dargestellt werden. ändern. Dies kann durch massstäbliches Ändern der Wider-

Dem Fachmann ist es leicht geläufig, dass es auch andere stände 60 sowie 61 durch einen Faktor -/3 und durch massstäb-Schaltungen gibt, die die Signale bzw. Spannungsgrössen Exy, 35 liches Ändern der Summe der Widerstände 62 sowie 63 durch E^ und Eat erzeugen können. Beispielsweise kann die Spannung einen Faktor -/3 bewerkstelligt werden, während die Parallel-an den Leitern X, Y und Z einem Dreiphasen-Spannungswand- Schaltung der Widerstände 62 und 63 auf R gehalten wird. 1er bzw. -transformator zugeführt werden, dessen Primärwick- Wenn das Signal Ezx dem Eingang 70 und das Signal Exy dem lungen im Dreieck und dessen Sekundärwicklungen bezüglich Eingang 68 zugeführt werden, hat die Schaltung aus Fig. 1 wieentsprechender Enden mit einem gemeinsamen Bezugspunkt 40 derum ein rein positives Ansprechvermögen, das durch fol-verbunden sind. gende Gleichung wiedergegeben werden kann:

Für bestimmte Anwendungen von folge- bzw. komponentenempfindlichen Schaltungen ist es erwünscht, dass die Schal- 6. E = 3G/8 Exi +120°

tung eine Ansprechcharakteristik hat, die eine Funktion beider

Mit- und Gegenkomponenten ist. Wenn die Schaltung beispiels- 45 Im allgemeinen muss das Ausgangssignal der Schaltung 20' weise als Teil eines Fehlererfassungssystem in einem dreiphasi- weiterverarbeitet werden, bevor ein nützliches Steuersignal, gen Starkstromnetz benutzt wird, könnte die Schaltung dann beispielsweise ein solches, das ein Relais betreibt, erzeugt wird, bestimmte dreiphasige Fehler erfassen, die nur die Mitkompo- Figur 2 ist ein Blockschaltbild einer bekannten Lösung zum nenten des Stroms enthalten. Ableiten eines solchen Steuerungssignals. Das sinusförmige

Es ist auch von Interesse festzustellen, dass die erwünschte 50 Ausgangssignal einer folge- bzw. komponentenempfindlichen Grösse des Ansprechvermögens auf die Mitkomponente ver- Schaltung 80 wird einem Doppelweggleichrichter 81 zugeändert werden kann, ohne dass die Grösse oder Phase des führt. Der Ausgang 84 des Gleichrichters 81 ist mit einem Filter Ansprechvermögens auf die Gegenkomponente beeinflusst 82 verbunden, dessen Ausgang zu einer Vergleichsschaltung 83 wird. führt. Diese erzeugt das Ausgangssignal 86, wenn die Filteraus-Fig. 1 ist im zweiten gestrichelt umrandeten Block eine 55 gangsgrösse einem Schwellwertpegel VT bei 85 entspricht oder schematische Darstellung einer folge- bzw. komponentenselek- diesen übersteigt. Im allgemeinen hat die Vergleichsschaltung tiven Schaltung 20' dargestellt. Durch passende Wahl der 83 eine gewisse Hysterese, das heisst, dass die Eingangsgrösse Schaltungskomponenten kann die Schaltung so eingestellt wer- der Vergleichsschaltung nach einer Aktivierung des Steue-den, dass sie ein reines positives oder ein reines negatives rungsausgangs unter einen als 0,707 VT dargestellten Abfallpe-Ansprechvermögen aufweist, wobei eine um 90° voreilende 60 gel 87 fallen muss, bevor der Steuerungsausgang entaktiviert Phasenverschiebung vorliegt. wird. Wenn die Vergleichsschaltung 83 direkt am Gleichrich-

Gemäss Fig. 1 ist ein Widerstand 60 mit einem Wert 8R zwi- terausgang 84 arbeitet, führen Signale am oder nahe am sehen einem Eingang 70 und einem Summenpunkt 67 geschal- Schwellwertpegel nicht zur Bildung einer kontinuierlichen tet, während ein Widerstand 61 mit einem Wert 4R zwischen Steuerungssignal-Ausgangsgrösse, wie es in Figur 3B darge-einem Eingang 69 und dem Summenpunkt 67 liegt. Ein Wider- 65 stellt ist. Es ist deshalb üblich, ein Filter 82 vorzusehen, das ein stand 62 mit einem Wert 2R ist zwischen einem Eingang 68 Signal am Eingang der Vergleichsschaltung 83 auch dann hält,

sowie eine Verbindungsstelle 71 geschaltet, und ein Widerstand wenn der Gleichrichterausgang 84 unter den Abfallpegel Vr 63 mit einem Wert 2R liegt zwischen der Verbindungsstelle 71 gefallen ist. Da das Filter 82 auch eine Verzögerung bezüglich

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des Erfassens des Zustandes begründet, dass der Gleichrichter- Bei Verwendung herkömmlicher Schaltungstechniken würausgang 84 den Schwellwert VT überschritten hat, begründet, den jeder Doppelweggleichrichter 92,93 zwei Operationsverist es erwünscht, ein kleines bzw. schmales Filter zu verwenden, stärker und die analoge Oder-Schaltung 94 einen Verstärker Figur 4 zeigt eine Ausführungsform zum Reduzieren des verwenden. Figur 6 zeigt eine einfache Schaltung unter Ver-Filterungsmasses, das zum Behandeln der Ausgangsgrösse der 5 wendung eines einzigen Differenzverstärkers, und hierbei wird folge- bzw. komponentenempfindlichen Schaltung erforderlich das Äquivalent der Gleichrichtung und der Oder-Bildung der ist Eine erste folgeempfindliche Schaltung 90 erzeugt ein Signale E und E' durchgeführt.

erstes Signal E und eine zweite folgeempfindliche Schaltung Gemäss Figur 6 wird das Signal E über einen Widerstand erzeugt ein zweites Signal E', das dieselbe Amplitude hat und 101 der Kathode einer Diode 103 und der Anode einer Diode aber bezüglich der Phase gegenüber dem Signal E um 90° ver- io 105 zugeführt. In ähnlicher Weise wird das Signal E' über einen schoben ist. Die Signale E und E' werden durch Doppelweg- Widerstand 102 der Kathode einer Diode 104 und der Anode gleichrichter 92 und 93 gleichgerichtet Die Ausgangsgrössen einer Diode 106 zugeführt Die Anoden der Dioden 103 und 104

der Gleichrichter 90 und 91 werden einer analogen Oder-Schal- sind beide mit dem invertierenden Eingang 107 des Differenz-

tung 94 zugeführt, deren Ausgangsgrösse von dem grössten Verstärkers 112 verbunden, während die Kathoden der Dioden

Eingangssignal bestimmt wird. Die Ausgangsgrösse der analo- 15 105 und 106 beide an den nicht invertierenden Eingang des Dif-

gen Oder-Schaltung gelangt dann zu einem Filter 95, das eine ferenzverstärkers 112 angeschlossen sind. Ein Widerstand 109

Vergleichsschaltung 96 betreibt Gemäss Figur 5 werden eine ist zwischen den invertierenden Eingang 107 des Diff erenzver-

gleichgerichtete Sinuswelle 97 vom Ausgang der folgeempfind- stärkers 112 und einen Bezugspunkt 111 geschaltet, während liehen Schaltung 90 und eine gleichgerichtete Sinuswelle 98 ein Widerstand 110 zwischen dem nicht invertierenden Ein-

vom Ausgang der folgeempfindlichen Schaltung 91 abgeleitet. 20 gang 108 des Differenzverstärkers 112 und dem Bezugspunkt

Wie bei der Erörterung der Schaltung aus Figur 2 ist die 111 liegt Ein variabler bzw. einstellbarer Widerstand 113 ist

Schwellwertspannung 99 mit VT angegeben, und der Abfallpe- einerseits an den invertierenden Eingang 107 und andererseits gel ist mit VD = 0,707 VT dargestellt Es ist festzustellen, dass in an den Ausgang 114 des Operationsverstärkers 112 angeschlos-

diesem Fall, wenn die Spitzenamplituden beider Sinuswellen sen.

gleich VT sind, zumindest eine der zwei gleichgerichteten Sinus- 25

wellen gleich oder grösser als der Abfallpegel VD ist. Wenn beide Signale E und E' negativ sind, sind die Dioden Mit anderen Worten kann der Komparator direkt am Aus- 105 und 106 nichtleitend, und die Ausgangsgrösse 114 ist progang der analogen Oder-Schaltung 94 arbeiten. Bei vielen portional zu der negativeren Eingangsgrösse. Wenn E oder E' Anwendungen ist es erwünscht, mit einem Abfallpegel zu arbei- positiv ist fliesst ein Strom durch die Diode 105 oder 106, was ten, der grösser als 0,707 VT ist, was bedeutet, dass noch ein Fil- 30 davon abhängt welches Eingangssignal positiver ist Der Verter 95 erforderlich ist. Jedoch ist es klar, dass das erforderliche stärker 112 arbeitet dann als Differenzverstärker, und die Aus-Filterungsmass kleiner als dasjenige ist, das bei der bekannten gangsgrösse 114 steht in Beziehung mit der grösseren Einschaltung aus Figur 2 erforderlich ist. gangsgrösse.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

618552 PATENTANSPRÜCHE

1. Phasenfolgeempfindliche Schaltung für ein Schutzrelais für ein Starkstromnetz, die auf Phasensignale des Starkstromnetzes anspricht, welche Signale vollständig durch die Summe dreiphasiger, symmetrischer Mit- bzw. Positivfolgekomponenten und dreiphasiger symmetrischer Gegen- bzw. Negativfolgekomponenten dargestellt werden, und die ein nur zu einer der Phasenfolgekomponenten proportionales Ausgangsstromsignal erzeugen, gekennzeichntet durch die Anordnung folgender Bauteile:

a) ein erstes Schaltungsmittel (60) spricht auf das erste der Phasensignale an und erzeugt das erste Stromsignal, das in einem bestimmten Verhältnis zum ersten Phasensignal steht und gleichphasig mit diesem ist;

b) ein zweites Schaltungsmittel (61) spricht auf das zweite der Phasensignale an und erzeugt das zweite Stromsignal, das bezüglich zum zweiten Phasensignal ein Amplitudenverhältnis von 2 hat und gleichphasig zu diesem ist;

c) ein drittes Schaltungsmittel (62) spricht auf das dritte der Phasensignale an und erzeugt ein drittes Stromsignal, das bezüglich zum dritten Phasensignal ein Amplitudenverhältnis von 1,732 und eine Phasenverzögerung von 30° hat;

d) ein den drei Schaltungsmitteln nachgeordneter Stromkreis (66), der auf das erste, zweite, dritte Stromsignal anspricht und ein dieses proportionales Ausgangsstromsignal (E)

erzeugt

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (68,69,70) der Phasensignale einen gemeinsamen Bezugspunkt (72) und einen Summenpunkt (67) haben, wobei das erste Schaltungsmittel ein in der Leitung (70) des ersten Phasensignals angeordneter Widerstand (60) ist, der am Summenpunkt (67) anliegt; das zweite Schaltungsmittel ein in der Leitung (69) des zweiten Phasensignals angeordneter zweiter Widerstand (61) ist, der am Summenpunkt (67) anliegt; und das dritte Schaltungsmittel einen in der Leitung (68) des dritten Phasensignals angeordneten dritten und vierten Widerstand (62,63) und einen Kondensator (64) enthält, der am Bezugspunkt (72) der Leitungen und am Verbindungspunkt (71) des dritten und vierten Widerstands liegt; und wobei der Stromkreis ein dem Summenpunkt (67) nachgeordneter Operationsverstärker (66) ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, in der die drei Phasensignale vollständig durch die Summe symmetrischer Mit- bzw. Positivfolgekomponenten, symmetrischer Gegen- bzw. Negativfolgekomponenten und ausgeglichener Null- bzw. Gleichphasenfolgekomponenten dargestellt werden, gekennzeichnet durch auf ein zu den Nullfolgekomponenten proportionales Signal ansprechendes fünftes Schaltungsmittel (160) zum Erzeugen eines vierten Signals, das in bezug auf die Nullfolgekomponenten der ersten und zweiten erzeugten Signale gleich gross und von entgegengesetzter Phase ist, wobei die dritten Schaltungsmittel (62) auf das zur Nullfolgekomponenten proportionale Signal ansprechende zusätzliche Schaltungsmittel enthalten, um die Nullfolgekomponenten von dem dritten erzeugten Signal zu entfernen, und wobei der Stromkreis (66) zusätzlich auf das vierte erzeugte Signal anspricht und eine zur Summe der ersten, zweiten, dritten und vierten erzeugten Signale proportionalen Ausgangsgrösse erzeugt.