Bei einem Erdstromrichtungsrelais in einem Drehstromnetz (insbesondere in der Nähe von Generatoren in Sammelschienenschaltung) besteht oft das Problem, dass die vorhandenen Erdströme nicht zur Anregung oder Auslösung des Relais ausreichen.
Es wurde daher in der Vergangenheit in der Praxis an die offene Dreieckswicklung eines Transformators ein motorisch steuerbarer Widerstand mit Abgriff zur Erzeugung eines Erdstromes im Drehstromnetz angeschlossen. Beim Auftreten einer Verlagerungsspannung wurde der Widerstandswert dann soweit kontinuierlich erniedrigt, bis der gewünschte Erdstrom zum Auslösen des Relais gegeben war. Diese Anordnung ist sehr aufwändig und teuer, wobei der Widerstand nicht für alle Anwendungsfälle einsetzbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben, bei der die obengenannten Nachteile beseitigt sind.
Die Lösung erfolgt erfindungsgemäss mit einer steuerbaren Belastungseinrichtung zur Erdstromerzeugung in einem Drehstromnetz mit einem an das Drehstromnetz angeschlossenen Transformator, der eine Sekundärwicklung in offener Drei eckschaltung aufweist, an die ein steuerbarer Widerstand zur Erdstromerzeugung angeschlossen ist, wobei der Widerstand eine Kombination von Teilwiderständen ist, die von Schaltgliedern miteinander kombinierbar sind, und wobei die Schaltglieder von einer Automatisierungseinrichtung gesteuert sind.
Diese Einrichtung ist mit standardmässigen Bauteilen einfach realisierbar, wobei im Betrieb auch ein gutes zeitliches Verhalten gegeben ist. Die Einrichtung ist flexibel von kleinen bis zu grossen Stromstärken, insbesondere von 0,1 A bis 400 A, speziell 1 A bis 300 A einsetzbar in der Sekundärwicklung. Bevorzugt wird für die Automatisierungseinrichtung ein Standardprodukt in Modultechnik, z.B. eine speicherprogrammierbare Einrichtung, verwendet.
Mit Vorteil sind die Widerstände dual oder binär gestuft schaltbar. Dadurch ist die Widerstandsänderung sehr einfach ausgestaltet. Hierzu können einfache Ausgangsrelais der Automatisierungseinrichtung verwendet werden.
Es ist günstig, wenn die Widerstände in Abhängigkeit von der an der Sekundärwicklung auftretenden Verlagerungsspannung gesteuert sind. Dadurch ist eine gute Anpassung des Erdstromes an die Eingangsempfindlichkeit des Erdstromrichtungsrelais möglich, wobei die Auslösesicherheit gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Zur Messung der Verlagerungsspannung können Analogeingabebaugruppen oder -module der Automatisierungseinrichtung zum Einsatz kommen.
Bevorzugt dient der Erdstrom zur Anregung eines Erdstromrichtungsrelais, wodurch ein sicheres Auslösen und eine sichere Fehlererkennung gegeben ist. Die Selektivität der Erdschlusserfassung ist dabei voll gewährleistet. Eine bevorzugte Anwendung der Einrichtung ist die Erdschlussrichtungserfassung bei Generatoren in Sammelschienenschaltung (wie in der Zeichnung gezeigt).
Ausführungsbeispiele der Erfindung, weitere Details und Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Ein Drehstromnetz mit angeschlossener Belastungseinrichtung,
Fig. 2 und 3 Anschlussbilder der Belastungseinrichtung mit schaltbaren Widerständen,
Fig. 4 ein Kennliniendiagramm zum Schaltverhalten der Belastungseinrichtung,
Fig. 5 und 6 Tabellen zum logischen Schaltverhalten der Belastungseinrichtung und
Fig. 7 ein Blockdiagramm zur Verschaltung der logischen Module (Software- oder Netzwerkbausteine) der Belastungseinrichtung.
In Fig. 1 ist eine dreiphasige Drehstromnetzanordnung gezeigt, bei der zwei Generatoren G1, G2 elektrisch mit einem Netz N verbunden sind. In die entsprechenden Anschlussleitungen sind Schaltelemente zum Trennen und Verbinden der elektrischen Verbindungen, insbesondere Leistungsschalter LS, zwischengeschaltet.
Den jeweiligen Generatoren G1, G2 ist jeweils ein Erdstromrichtungsrelais R1 bzw. R2 zugeordnet. Diese erhalten über jeweils zugeordnete Stromwandler SW Stromsignale der jeweiligen Generatoren G1 und G2 zur Erdstromerfassung.
Bei besonders geringen Erdströmen ist oftmals eine sichere Auslösung durch die Erdstromrichtungsrelais R1, R2 nicht immer möglich. Daher ist vorliegend eine Belastungseinrichtung B vorgesehen, die zur Erhöhung des Erdstromes dient.
Die Belastungseinrichtung B umfasst zunächst einen an das Netz N angeschlossenen Transformator Tr, der zumindest eine Sekundärwicklung S1 aufweist. Die Sekundärwicklung S1 ist als offene Dreieckswicklung ausgeführt, an die eine steuerbare Widerstandskombination W anlegbar ist. Diese wird nachfolgend auch als Widerstand W bezeichnet.
Die Widerstandskombination W umfasst eine vorgegebene Anzahl von in dieser Figur nicht näher gezeigten Teilwiderständen, die von Schaltgliedern miteinander kombinierbar sind. Die Schaltglieder sind von einer Automatisierungseinrichtung A gesteuert. Die Teilwiderstände weisen Widerstandswerte von beispielhaft unter einem Ohm, insbesondere zwischen 0,75 und 0,05 Ohm auf.
Die Teilwiderstände werden bevorzugt dual gestuft geschaltet, wobei die jeweils erzeugte Widerstandskombination in Abhängigkeit von der an der Sekundärwicklung S1 auftretenden Verlagerungsspannung gesteuert wird. Dazu kann die Automatisierungseinrichtung A gegebenenfalls Messwerteingänge zum Erfassen der Verlagerungsspannung an der Sekundärwicklung S1 aufweisen.
Als Automatisierungseinrichtung A wird bevorzugt eine speicherprogrammierbare Automatisierungseinrichtung mit modulartigen Ein- und Ausgabebaugruppen verwendet. Eine derartige Einrichtung ist dem Fachmann allgemein auch unter dem Namen "Simatic" bekannt. Eine derartige Automatisierungseinrichtung kann auf einfache Weise programmiert oder parametriert werden, sodass die hierzu realisierende Funktion der Erdstromerhöhung einfach möglich ist. Siehe hierzu auch die Fig. 2 bis 7.
Die Wirkungsweise der gesamten Einrichtung wird nachfolgend detaillierter anhand einer fachtechnischen Funktionsbeschreibung mit Bezug auf die Fig. 2 bis 7 erläutert. Die Figuren und die Funktionsbeschreibung ergänzen dabei einander.
Variable Load Resistor Unit (B)
Die Vorgabe lautet:
Erfassung von Erdschlüssen, die Verlagerungsspannungen im Drehstromnetz hervorrufen und zwischen 20-100% der Leiter/Erde-Spannung betragen. Zur selektiven Erdschlusserfassung wird ein Nullstrom benötigt, der mindestens den kleinsten Einstellwert des Erdschlussrichtungsrelais von 0.002 xIn überschreitet (entspricht 190 A auf der E-Trafosekundärseite).
Bei Auftreten einer Verlagerungsspannung in einem isolierten Netz muss dieser Nullstrom erzeugt werden. Das geschieht mit einem Ohmschen Widerstand in Abhängigkeit von der auftretenden Verlagerungsspannung. Da aber bei einer Erdstromerzeugungseinrichtung nur begrenzte Ströme für die Primärseite er zeugt werden sollen, ist ein regelbarer Belastungswiderstand erforderlich.
In der vorliegenden Schaltung wird ein binärgestaffelter steuerbarer Widerstand W, bestehend aus vier Teilwiderständen T, verwendet, die von leistungsstarken Schaltgliedern, insbesondere Schützen SG, nach Bedarf kurzgeschlossen werden. Die Ansteuerung der Schütze SG erfolgt abhängig von der Höhe der Verlagerungsspannung mit einer unter dem Namen "Simatic S5" bekannten Automatisierungseinrichtung A mit einer Analog-Input-Baugruppe AIB, einer Stromversorgung PS und einer Digital-Input-Baugruppe DIB. Durch die Nutzung von drei Schützen SG ergibt sich eine Staffelung des steuerbaren Widerstandes W in 2<3> = 8 Stufen, die - abhängig von der auftretenden Verlagerungsspannung (U0) - kurzgeschlossen werden können. Dabei wird der erzeugte Erdstrom nahezu konstant gehalten.
Die Eingänge der Simatic-Steuerung A sind wie folgt beschaltet:
Die Digitaleingänge DE werden über Hilfsrelais 125 V &tilde& (-K21, -K22, -K31, -K32) angesteuert mit einem Anregesignal der Erdstromrichtungsrelais R1 bzw. R2 (Prot. Trip) des Trafoschutzschrankes sowie von der Schalterstellung der Leistungsschalter LS der Generatoren G1 bzw. G2 (Gen. C.B.). Diese Eingänge DE werden über LED auf der Digital Input-Baugruppe DIB angezeigt. Analogeingänge AE werden von den Messwertumformern für U0 und I0 angesteuert. Der U0 Messwertumformer ist angeschlossen an einem 5:1 Spannungsteiler -R02. Der I0-Messwertumformer ist an einem Kleinstromwandler angeschlossen.
Der Blockier- bzw. Reset-Eingang an der Digital-Input-Baugruppe DIB kann über einen Leuchttaster durch Drücken und Rechtsdrehen angesteuert werden. Eine weisse Meldelampe signalisiert die Blockierung der Belastungseinrichtung B.
Die Ausgänge der Simatic A steuern die drei Hilfsschütze -K11, -K12, -K13, deren Kontakte die leistungsstarken Schütze -K01, -K02, -K03 (460 V, 60 Hz) betätigen. Wegen der hohen Strombelastung sind drei Kontakte (je 90 A) parallelgeschaltet und schliessen die Belastungswiderstandselemente oder Teilwiderstände T in vorgegebener Weise (siehe auch Fig. 4 bis 7) kurz.
Daneben sind folgende Signale auf Klemmleiste verdrahtet.
- Failure not in protection zone (Fehler ausserhalb des Schutzbereichs)
- Pick-up + U0 too low (= Schutzrelais regt an aber Belastung misst kein U0)
- I0 too low (Erdstrom zu gering).
Alle der oben genannten Output-Signale werden auf der Relaisbaugruppe über LED signalisiert. Beschreibung des Signalflusses
Die gesamte Steuerung oder Belastungseinrichtung B wird gestartet über die Schutzanregung des jeweiligen Erdstromrichtungsrelais R1 bis R2 (der Erdstromrichtungrelais in den Fig. 2 und 3 nicht näher dargestellt) und der Einschaltmeldung C.B.1ON bzw. C.B.2ON des Leistungsschalters LS des betreffenden Generators G1 bzw. G2 (Netzwerk N1). Wenn der Leistungsschalter LS nicht eingeschaltet ist, braucht bei einer Anregung kein Erdstrom erzeugt werden. Der Erdschluss wird dann über U0-Messung erfasst, wobei dann zeitverzögert ein Auslösesignal abgesetzt wird.
Sind diese Bedingungen erfüllt, wird eine Zeitstufe t1 gestartet (Netzwerk 2).
Zusätzlich zu den Erdschlussrelais wird von der Belastungseinrichtung B die Verlagerungsspannung am Transformator Tr über einen Messwertumformer gemessen (Netzwerk N1). Die Zeitstufe t1 (Netzwerk N2) deckt die Einschwingzeit des U0-Messwertumformers von ca. 0,4 s ab. Nach Ablauf von t1 wird abgefragt ob U0 den Mindestwert überschreitet (Netzwerk N2).
T1 ist eine Taktzeit, nach deren Ablauf jedesmal kontrolliert wird, ob die Bedingung U > Umin (> 100 V) erfüllt ist.
Das Anregesignal wird über Netzwerk N4 auf ein UND-Gatter geführt, das ebenfalls das negierte U > Umin-Signal auswertet und gegebenenfalls zur Meldung: "Anregung und U <" führt.
Wenn die Bedingung: "Anregung und U <" erfüllt ist, startet ein Flipflop und damit die Zeitstufe t2 (Netzwerk N3). Dies dient zur Überwachung, ob ein aussenliegender Fehler nach Ablauf der Zeit vorliegt oder nicht (t2 APPROX 4 s). Gleichzeitig wird während dieser Zeit die Bedingung für die Ansteuerung der Schütze SG aufrecht erhalten. Die Schütze SG sind nur während t2 angeregt!
Parallel zu t2 wird ein Impuls erzeugt und die Zeitstufe t3 (Netzwerk N6) gestartet. Der Impuls gibt die Freigabe für die Spannungsauswertung der CPU weiter. Nur während des einmaligen Impulses wird die anstehende Spannung ausgewertet und gespeichert. Änderungen der U0-Spannung werden nicht weiter berücksichtigt. Der Impuls setzt über ein ODER das Signal "I0 too low" zurück, damit bei dem Messvorgang der aktuelle Strom ausgewertet und gemeldet wird. Sobald die Anregebedingungen der 7RE26 bzw. der Generatorschaltstellung entfallen, werden die Speicherbausteine N3 und N4 zurückgesetzt.
Die Zeitstufe t3 (Netzwerk N6) überdeckt die Einschwingzeit des Strommesswertumformers von ca. 0,4 s. Über UND werden die Zeitstufe und die Stromabfrage verknüpft. Sie bilden damit die Meldung: "I0 too low" (I < 190 A).
Bezugszeichenliste
N Netz
LS Leistungsschalter
G1, G2 Generator
R1, R2 Erdstromrichtungsrelais
Tr Transformator
B Belastungseinrichtung
A Automatisierungseinrichtung
S1, S2 Sekundärwicklung
SW Stromwandler
W Widerstand
I0 Erdstrom
U0 Verlagerungsspannung
SG Schütze oder Schaltglieder
T Teilwiderstände
DE Digitaleingänge
AE Analogeingänge