DE407631C - Stromueberwachungseinrichtung - Google Patents

Description

Zum Schutz von Stromerzeugungsanlagen oder einzelnen Generatoren gegen Überstrom und Rückstrom sind Einrichtungen (Relais) erforderlich, durch welche die Stromerzeugungsanlage bei einem inneren Fehler in möglichst kurzer Zeit, bei einem Fehler im Netz dagegen erst nach längerer Zeit abgeschaltet wird. Im letzteren Fall fließt die Energie ebenso wie im ungestörten Betrieb ίο vom Generator ins Netz. Bei dieser Energieströmungsrichtung darf die Schutzeinrichtung naturgemäß erst ansprechen, wenn die Stromstärke um einen bestimmten, gegebenenfalls einstellbaren Betrag über den Normalstrom hinausgeht. Die Auslösezeit muß in diesem Fall so lang sein, daß die übrigen im Netz vorhandenen Relais Zeit finden, ihre Schalter auszulösen, so daß bei einem Kurzschluß in einem bestimmten Teil des Netzes nur dieser Teil abgeschaltet wird und nur bei einem Sammelschienenkurzschluß oder bei einem Versagen der im Netz vorhandenen Relais die Stromerzeugungsanlage abgeschaltet wird. Da die maximale Auslösezeit der im Netz vorhandenen Relais gegeben ist, so kann auch die Auslösezeit der Schutzeinrichtung für die Stromerzeugungsanlage bei dieser Energieströmungsrichtung je nach den Netzverhältnissen fest eingestellt werden, also von der Stärke des Überstromes unabhängig sein. Bei einem Fehler in der Stromerzeugungsanlage dagegen fließt die Energie im allgemeinen in umgekehrter Richtung. Bei dieser Energieströmungsrichtung soll die Schutzeinrichtung auch schon bei Strömen ansprechen, welche kleiner sind als der Normalstrom, und zwar innerhalb möglichst kurzer Zeit. Die Auslösezeit muß jedoch in diesem Fall stromabhängig sein, denn einerseits kann ein größerer Schaden an den Generatoren bei starkem Rückstrom nur durch j möglichst schnelle Abschaltung vermieden j werden, anderseits darf bei einem kurzzeitigen, geringen Rückströmen der Energie, wie es etwa bei plötzlichen Belastungsänderungen ⁴S oder bei ungenauem Parallelschalten auftritt, ' die Stromerzeugungsanlage nicht abgeschaltet ' werden.

Bei den bisher bekannten Rückwattrelais läßt sich eine solche nur vom Strom abhängige Auslösezeit nicht erreichen. Man kann diese Rückwattrelais für Schnellauslösung oder für stromunabhängige Zeitauslösung vorsehen, was aber aus den oben angeführten Gründen unzweckmäßig ist. Man kann auch, z. B. bei Ferraris-Relais, die Auslösezeit von Strom, Spannung und Phasenverschiebung des Rückstromes abhängig machen, indem man etwa die Auslösegeschwindigkeit von der Stärke des durch Strom- und Spannungswicklung gebildeten Drehfeldes abhängig macht. Aber auch hierbei kann eine schnelle Auslösung bei Wicklungskurzschlüssen, die starken Rückstrom zur Folge haben, nicht erreicht werden. Da nämlich in derartigen Fällen die Spannung gewöhnlich bis auf einen kleinen Bruchteil ihres Normalwertes zurückgeht, ist das Drehfeld und somit das antreibende Drehmoment nur gering, während anderseits das von der Stromwicklung allein erzeugte starke Wechselfeld bremsend wirkt, so daß das Rückwattrelais sich nur langsam dreht.

Gegenstand der Erfindung ist eine insbesondere zum Schutz von Stromerzeugungsanlagen gegen Überstrom und Rückstrom geeignete Stromüberwachungseinrichtung, welche die obengenannten Nachteile vermeidet. Die Einrichtung besteht aus einem Hauptrelais mit zwei Hilfsrelais, von denien das eine im allgemeinen ein Energierichtungsrelais ist, das andere ein einfaches Maximalrelais. Die

Auslösekontakte dieser Hilfsrelais liegen im Primärstromkreis des Hauptrelais, und zwar so, daß das Hauptrelais erst ansprechen kann, wenn eines der beiden Hilfsrelais seinen Auslösekontakt betätigt hat. Bei dieser Einrich- ■ tung wird das Maximalrelais ansprechen, wenn ein Fehler im Netz auftritt, das Energierichtungsrelais dagegen bei einem inneren Fehler in der Stromerzeugungsanlage. In beiden

ίο Fällen wird dadurch das Hauptrelais zum. Ansprechen gebracht. Verwendet man ein Hauptrelais mit stromabhängiger Zeitauslö- ■ sung, so wird im Falle eines Rückstromes die Abschaltung um so schneller erfolgen, J^e größer die Stromstärke ist, und zwar unabhängig von Spannung und Phasenverschiebung, also auch wenn die Spannung nahezu auf Null gesunken ist. Da das Absinken der Spannung bei einem Fehler in der Stromerzeugungsanlage fast stets eintritt, so kann, unter Umständen an Stelle des Energierichtungsrelais auch ein einfaches Nullspannungsrelais oder Minimalspannungsrelais verwendet werden.

Ist die Charakteristik des Hauptrelais begrenzt stromabhängig, so kann man außerdem erreichen, daß bei einer Abschaltung infolge Überstrom (Fehler im Netz) die Auslösezeit von der Stromstärke unabhängig ist, indem das zweite Hilfsrelais (Maximalrelais) so eingestellt wird, daß es erst bei einer Stromstärke anspricht, bei der die Auslösezeit des Hauptrelais angenähert unabhängig von der Stromstärke ist, d. h. also oberhalb der so- ' genannten Grenzstromstärke dieses Relais.

Diese Grenzstromstärke muß natürlich die Normalstromstärke der zu schützenden Stromerzeugungsanlage um einen bestimmten Be- ' trag überschreiten. Die Anlaufstromstärke des Hauptrelais kann dagegen erheblich kleiner sein als diese Normalstromstärke. Bei einem Fehler im Netz (Überstrom) wird dann in gewohnter Weise nur bei einer einstellbaren Überschreitung des Normalstromes ausgelöst werden, bei einem Fehler in der Stromerzeugungsanlage (Rückstrom; dagegen auch schon bei viel kleinerer Stromstärke. Dies ist von Bedeutung in solchen Netzen, in welchen wenigstens zeitweise neben einer Haupt-Stromerzeugungsanlage nur noch Anlagen mit verhältnismäßig kleiner Leistung im Betrieb sind, so daß der Rückstrom bei einem Fehler in der Hauptstromerzeugungsanlage unter Umständen nur kleine Werte annimmt.

Wenn das Hauptrelais nur einen einzigen Auslösekontakt mit begrenzt stromabhängiger ' Auslösezeit besitzt, so wird die vom Strom . unabhängige Auslösezeit bei Überstrom ' kleiner sein als die stromabhängige Auslösezeit bei Rückstrom. Dies kann unter Umständen erwünscht sein, z. B. wenn es sich darum handelt, den Synchronmotor eines Uniformeraggregats gegen Überlastung zu schützen und gleichzeitig ein generatorisches Arbeiten desselben zu verhindern. In diesem

■ Fall kann, man eine nach der Erfindung gebaute Stromüberwachungseinrichtung verwenden und so schalten, daß bei der normalen Energieströmungsrichtung (motorischer Strom) nur bei Überstrom, dann aber in verhältnismäßig kurzer Zeit, abgeschaltet wird, bei einer Umkehr der Stromrichtung (ge-

■ neratorischer Strom) dagegen auch schon bei kleineren Strömen, aber erst nach längerer Zeit.

Handelt es sich dagegen um den Schutz von Strorr.erzeugungsanlagen, so ist es im allgemeinen erforderlich, daß die Auslösung bei Rückstrom in kürzerer Zeit erfolgt als bei Überstrom. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß das Hauptrelais zwei Auslösekontakte erhält, von denen der eine kürzere Zeit, der andere längere Zeit nach dem Ansprechen des Relais betätigt wird und daß der zuerst betätigte Auslösekontakt mit einem Kontakt am Energierichtungsrelais derart verbunden wird, daß er nur dann die Auslösung bewirkt, wenn, das Energierichtungsrelais sich in der der Rückleistung entsprechenden Stellung befindet.

Der andere Auslösekontakt kann erfindungsgemäß mit einem Kontakt am zweiten Hilfsrelais (Maximalrelais) derart verbunden werden, daß er nur dann die Auslösung bewirkt, wenn das Maximalrelais sich noch in der Anlaufstellung befindet. Dadurch werden Fehlauslösungen durch Nachlaufen des Relais vermieden.

Da bei der beschriebenen Einrichtung die Auslöseverzögerung für beide Fälle (Rückstrom und Überstrom) in das Hauptrelais verlegt ist, werden die Hilfsrelais zweckmäßig für Schnellauslösung gebaut. Insbesondere kommt es bei dem Energierichtungsrelais darauf an, daß das Umschalten von Vorwärtsstrom auf Rückwärtsstrom in der kürzest möglichen Zeit erfolgt, weil im Falle eines starken Rückstromes auch die Auslösung des Schalters durch das Hauptrelais praktisch ohne Verzögerung erfolgen soll. Man wird deshalb das Energierichtungsrelais so bauen, daß es zwischen den beiden Stellungen, die den beiden Energieströmungsrichtungen entsprechen, nur einen kleinen Weg zurückzulegen hat.

Man kann die Umschaltdauer des Energierichtungsrelais noch weiter verkürzen, indem man erfindungsgemäß eine Feder oder ein Gewicht so anbringt, daß das Relais im stromlosen Zustand in der Nähe der Betriebsstellung eine labile Gleichgewichtslage hat.

Dadurch wird erreicht, daß mit der Annäherung an die dem Rückstrom entsprechende Stellung die gegen diese Stellung hintreibende Kraft zunimmt, so daß das Umschalten von Vorwärtsstrom auf Rückwärtsstrom ruckweise vor sich geht.

Gerade bei den schwersten inneren Fehlern in der Stromerzeugungsanlage wird, wie schon erwähnt, die Spannung am meisten absinken, ίο ja praktisch sogar zu Null werden. In diesem Fall wird auch bei starkem Rückstrom das Drehmoment des Energierichtungsrelais zu klein sein, um das Ansprechen zu sichern. Erfindungsgemäß kann dieser Fehler vermieden werden, indem das Energierichtungsrelais so bemessen wird, daß es durch Rückstrom nicht aus der Ruhelage, die es bei Spannungslosigkeit einnimmt, entfernt werden muß, sondern nur gegen den Anschlag getrieben wird, an dem es auch in. der Ruhelage anliegt. Das Relais kann dann so eingestellt werden, daß es noch durch ein äußerst geringes Drehmoment im Sinne der normalen Energieströmungsrichtung in der dementsprechenden Grenzlage festgehalten wird, beim völligen Verschwinden des antreibenden Drehmomentes dagegen (also bei Spannungslosigkeit) ebenso wie bei Rückstrom mit Sicherheit in die andere Grenzlage umschnappt. Um das Relais wieder in die Stellung zu bringen, welche der normalen Energieströmungsrichtung entspricht, ist dann ^! unter Umständen ein größeres Drehmoment notwendig; dies ist aber praktisch belanglos, da im ungestörten Betrieb stets angenähert die volle Spannung vorhanden ist und daher auch eine kleine Belastung schon ein Drehmoment zu erzeugen vermag, welches zum ^: Umschalten in die Normalstellung genügt. Zur Verwendung in einer Stromüber- ^; wachungseinrichtung der in vorstehendem beschriebenen Art besonders geeignet ist ein; Ferraris-Relais mit zwei Hilfswicklungen, von denen die eine mit der Hauptwicklung zusammen ein Drehmoment in dem einen Sinne, die andere ein Drehmoment im entgegengesetzten Sinne erzeugt und von denen die , eine durch ein Hilfsrelais geöffnet werden kann.

Die Abbildung zeigt ein Schaltungsbeispiel für eine nach der Erfindung ausgeführte ] Stromüberwachungseinrichtung unter Verwendung eines solchen Hauptrelais. Das Hauptrelais besteht aus der Ferraris-Scheibe a, dem , Magnetkern b, der Hauptwicklung c und den Hilfswicklungen (Kurzschlußwicklungen) d_± und d₂. Das Hilfsmaximalrelais wird durch den von der Hauptwicklung c miterregten Ankere gebildet und betätigt die Kontakte^ j und /₂. Die Treibscheibe des Hauptrelais windet ein Gewicht g^y hoch, wobei zunächst nach kurzem Hub des Gewichtes der Kontakt k und später der Kontakt h geschlossen wird. Das Energierichtungsrelais besteht aus der Ferraris-Scheibe/, auf welche der Stromj magnet tti und der Spannungsmagnet η so '■ einwirken, daß bei der normalen Richtung der Energieströmung ein Drehmoment im . Sinne des Pfeiles entsteht, wodurch der mit der Scheibe fest verbundene Hebel ο gegen den Anschlag ρ getrieben wird. Hört dieses Drehmoment auf oder kehrt es seine Richtung um, so betätigt der Hebel ο unter der Einwirkung der Feder q die Kontakte i\ und fo. Die Klemmen des Stromwandlers sind mit u "bezeichnet, die des Spannungswandlers mit v, die des Auslösestromkreises mit w.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist die folgende: . Bei Energieströmung in de» Normalrichtung (von der Stromerzeugungsanlage zu den Sammelschienen) liegt der Hebel ο am Kontakt p. Der Kontakt r_t ist daher geöffnet, der Kontakt r₂ dagegen geschlossen. Im Hauptrelais heben sich die Wirkungen der Hilfswicklungen d_L und d₂ auf, solange beide geschlossen sind. Die ; Scheibe α kann also bei der genannten Richtung der Energieströmung nur anlaufen, wenn ι der Ankere angezogen und dadurch der Kontakt Z₁ unterbrochen wird. Durch zweckmäßige Anordnung einer 'einstellbaren Gegenfeder oder eines einstellbaren Gegengewichtes (in der Abbildung nicht dargestellt) läßt sich leicht erreichen, daß dies bei einer bestimmten Überschreitung des normalen Generatorstromes der Fall ist. Sobald die Hilfswicklung d₂ unterbrochen ist, beginnt die Aluminiumscheibe α unter der Wirkung der Hauptwicklung c und der Hilfswicklung d_t sich zu drehen und das Gewicht g hochzuheben. Hierdurch wird zunächst der Kon-> takt k geschlossen. Da dieser jedoch mit dem bei der angenommenen Energieströmungsrichtung offen gehaltenen Kontakt t\ in Reihe liegt, kommt dadurch keine Schalterauslösung zustande. Nach einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen der Scheibe« wird durch das Gewicht g auch der Kontakt h geschlossen. Dieser liegt, wie aus der Abbildung ersichtlich, mit dem Kontakt/₂ in Reihe, der gleichzeitig mit der Öffnung von /_x durch den Ankere geschlossen wurde. Es wird daher jetzt durch den Kontakt h der Auslösestromkreis geschlossen und die Schalterauslösung betätigt. Hört der Überstrom kurz vor der Betätigung des Kontaktes h auf, so fällt der Anker e sofort wieder ab und .öffnet den Kontakt/₂. Ein Auslösen des Schalters kann daher jetzt auch dann nicht eintreten, wenn das Hauptrelais infolge seiner tragen Masse noch bis zur Kontaktgabe bei h weiterläuft.

Strömt die Energie von den Sammelschienen zum Generator (Rückstrom), so schlägt das Energierichtungsrelais in der dem Pfeil entgegengesetzten Richtung aus, schließt also den Kontakt r_x und öffnet den Kontakt r₂. Durch die Feder q wird bewirkt, daß diese Umschaltung auch dann schon eintritt, wenn auf die Scheibe Z kein Drehmoment ausgeübt wird, also auch dann, wenn

to die Spannung Null wird. Durch diese Umschaltung wird das Verhalten des Hauptrelais ein ganz anderes. Da durch den Kontakt/-, die Hilfswicklung ^₂ unterbrochen ist, so läuft die Scheibe α an, sobald der Strom in der Wicklunge ein Drehmoment erzeugt, welches hinreicht, um das Gewicht g zu heben. Da jetzt auch der mit k in Reihe liegende Kontakt/^ geschlossen ist, wird der Schalter bereits ausgelöst, sobald k geschlossen wird.

Nun ist bekanntlich bei Relais von der Art des hier verwendeten Hauptrelais die Laufgeschwindigkeit bei Stromstärken, die wenig oberhalb der Anlaufstromstärke liegen, in hohem Maße vom Strom abhängig, während sie bei größeren Stromstärken konstant, also unabhängig vom Strom wird. Durch pas-sende Bemessung der Wicklung c, des Gewichts g und der übrigen Abmessungen des Relais läßt sich leicht erreichen, daß das Relais bei Rückstrom bereits bei einem Bruchteil des Normalstromes anspricht und mit einer kleinen stromabhängigen Verzögerung auslöst, während bei Vorwärtsstrom der Ankern erst bei einer Stromstärke anspricht, bei welcher die Laufgeschwindigkeit bereits konstant ist, so daß die Auslösung nach einer¹ stromunabhängigen, durch entsprechende Einstellung des Kontaktes h beliebig wählbaren Zeit erfolgt. Es sind somit alle eingangserwähnten Bedingungen, die an eine Stromüberwachungseinrichtung für Generatorenschutz zu stellen, sind, erfüllt.

Claims (9)

1. Patent-Ansprüche:

   I. Stromüberwachungseinrichtung, insbesondere zum Schutz von Stromerzeugungsanlagen gegen Überstrom und Rückstrom, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptrelais mit zwei Hilfsrelais, nämlich einem Energierichtungsrelais und einem Maximalrelais, derart verbunden ist, daß es erst ansprechen kann, wenn eines der beiden Hilfsrelais seinen Auslösekontakt betätigt hat.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptrelais mit begrenzt stromabhängiger Charakteristik verwendet wird und das Maximalrelais so eingestellt ist, daß es erst oberhalb der Grenzstromstärke anspricht.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufstromstärke des Hauptrelais kleiner ist als die Normalstromstärke der zu schützenden Stromerzeugungsanlage.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptrelais zwei Auslösekontakte besitzt, von denen der eine kürzere Zeit, der andere längere Zeit nach dem Ansprechen des Relais betätigt wird und daß der zuerst betätigte Auslösekontakt mit einem Kontakt am Energierichtungsrelais derart verbunden ist, daß er nur dann die Auslösung bewirkt, wenn das Energierichtungsrelais sich in der der Rückleistung entsprechenden Stellung befindet.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslösekontakt, der zuletzt betätigt wird, mit einem Kontakt am Maximalrelais derart verbunden ist, daß er nur dann die Auslösung bewirkt, wenn das Maximalrelais sich noch in der Ansprechstellung befindet.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energierichtungsrelais zwischen den beiden Stellungen, die den beiden Energieströmungsrichtungen entsprechen, nur einen kleinen Weg zurückzulegen hat.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Energierichtungsrelais eine Feder oder ein Gewicht derart angebracht ist, daß das Relais im stromlosen Zustande in der Nähe der Betriebsstellung eine labile Gleichgewichtslage hat.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energierichtungsrelais bei Energiestrom in der einen Richtung gegen einen Anschlag getrieben wird, an dem es auch in der Ruhelage (bei Spannungslosigkeit) anliegt.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hauptrelais ein Ferraris-Relais mit zwei Hilfswicklungen verwendet ist, von denen die eine mit der Hauptwicklung zusammen ein Drehmoment in dem einen Sinne, die andere ein Drehmoment im entgegengesetzten Sinne erzeugt und von denen die eine durch ein .Hilfsrelais geöffnet werden kann.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.