Selektivschutz: Meßtechnische Grundlagen Schaltungsmöglichkeiten und Anwendungen

281 Pages·1958·10.76 MB·German

by  Dipl.-Ing. H. Neugebauer (auth.)

Selektivschutz
MeBtechnische Grundlagen
Schaltungsmoglichkeiten und Anwendungen
Von
Dipl.-Ing. H. Neugebauer
Eriangen
Zweite neubearbeitete Auflage
Mit 272 Abbildungen
Springer-Verlag
Ber Ii nl G ottingenl Heide I b erg
1958
ISBN-13: 978-3-642-92746-1 e-ISBN-13: 978-3-642-92745-4
DOT: 10.1007/978-3-642-92745-4
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Copoyrig ht 1955 by Springer-Verlag ORG., Berlin!Gottingen!Reidelberg
by Springer-Verlag OR G., Berlin! GottingenjReidelberg 1958
Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 1958
V orwort zur zweiten Auflage
Bei der guten Aufnahme und lebhaften Zustimmung, die meine Darstellung
des Selektivschutzes gefunden hat, habe ich sie in der zweiten Auflage bis
auf einige wenige, priizisere Formulierungen unveriindert gelassen. Ent
sprechend verschiedener Wiinsche habe ich jedoch ein neues Kapitel iiber
"Stromverteilung bei Erdkurzschlu.B im starr geerdeten Drehstromnetz"
eingefiigt, da diese bei dem Feststellen des fehlerbehafteten Leiters u. U.
beriicksichtigt werden mu.B. Dabei bin ich gleichzeitig auf den Unterschied
zwischen dem Begriff der Nullimpedanz Zo bei der Rechnung mit symme
trischen Komponenten und der fiktiven Erdimpedanz ZE beim Distanzschutz
niiher eingegangen. Ich habe mich auch hierbei bemiiht, eine moglichst ein
fache und fa.Bliche Darstellung zu finden.
Erlangen im Mai 1958.
Hermann Neugebauer.
Vorwort zur ersten Auflage
Die Veranlassung zum vorliegenden Buch war der Wunsch weiter Kreise
nach einer Neuauflage des Buches "Die moderne Selektivschutztechnik und
die Methoden zur Fehlerortung in Hochspannungsanlagen", herausgegeben
von Dr. Manfred Schleicher. Sowohl der Herausgeber, als auch einer der
vier Autoren, Herr Dr. Schimpf, weilen nicht mehr unter den Le benden.
Da ich von den iibrigen drei Autoren als einziger noch heute unmittelbar
auf dem Selektivschutzgebiet tiitig bin, habe ich die Aufgabe einer Neu
fassung iibernommen.
Auf diese Weise konnte der Stoff in einheitlich3r Form neu dargestellt
werden. Seit dem Erscheinen des obigen Buches im Jahre 1936 hat sich
au.Berdem dieses Gebiet wesentlich mehr abgerundet. Ich habe diejenigen
Teile, die ich in der obigen Fassung als erschOpfend und praktisch ab
geschlossen betrachte, z. T. unveriindert iibernommen. Andererseits habe
ich den Stoff ausschlie.Blich auf den Selektivschutz beschrankt. Es wurden
daher der Abschnitt tiber Fehlerortung weggelassen, der Teil iiber die Kurz
schlu.Bberechnung wesentlich verkiirzt und von den konstruktiven Angaben
nur diejenigen erwahnt, die ich zum Verstiindnis fur erwahnenswert hielt.
IV Vo rwort zur ersten Auflage
Wie sein Vorganger, soIl auch dieses Buch nur das Grundsatzliche der
Selektivschutztechnik darstellen. Es wird also nicht auf eine heute auf dem
Markt befindliche Konstruktion eingegangen, soweit nicht die eine oder
andere heute verwendete Schaltung als Beispiel fUr einen grundsatzlichen
Gedankengang gezeigt wird.
Ich habe versucht, das ganze Gebiet in moglichst einfacher und faBlicher
Form zu behandeln und habe darum die mathematische Darstellung auf
ein MindestmaB beschrankt. So wichtig dieses Gebiet fiir die gesamte
Energieversorgung ist, so fern liegt es vielfach dem Starkstromingenieur des
Betriebes, da namlich die yom Betrieb gestellten Aufgaben meistens nur
mit Mitteln einer speziellen MeBtechnik gelost werden konnen. Das Buch
hat seinen Zweck erfiillt, wenn der Betriebsingenieur ein Verstandnis fiir
die Grundlagen und MaBnahmen gewinnt, auf denen der Selektivschutz
aufgebaut ist und auch kaum anders gebaut werden kann.
Fast dreiBig Jahre habe ich selbst an der Entwicklung des Selektiv
schutzes unmittelbar teilgenommen, so daB das Buch zugleich auch die Ent
wicklung dieses Zweiges der Elektrotechnik widerspiegelt. Wenn ich daher
auch Losungsmoglichkeiten diskutiere, die heute nicht mehr angewendet
werden, so solI damit gezeigt werden, welche verschiedenen Wege, Irrwege
und Umwege, beschritten worden sind und auch gegangen werden muBten,
bis der heutige, recht bemerkenswerte Stand der Entwicklung erreicht
wurde. Die Praxis spricht stets das abschlieBende Urteil, so daB auch manche
interessante und geistvolle Losungsidee fiir neue und weitergehende An
spriiche als nicht befriedigend fallen gelassen werden muBte. Aber jede
Entwicklung baut sich immer auf den schon gemachten Erfahrungen auf
und kristallisiert sich schlieBlich in relativ wenigen, oft recht einfach er
scheinenden Formen. Diesen Kristallisationsvorgang auf dem Gebiet des
Selektivschutzes soIl auch die Fassung des vorliegenden Buches zeigen.
Nicht nur dem Betriebsingenieur, sondern auch dem Studenten bzw.
jedem, der sich ein Bild von den Grundgedanken und den Losungsmoglich
keiten des Selektivschutzes machen will, soIl dieses Buch ein Hilfsmittel sein.
An dieser Stelle mochte ich allen meinen Mitarbeitern und besonders
Fraulein Wittich fur die wertvolle Unterstutzung bei der Korrektur des
Buches meinen Dank aussprechen.
Erlangen, im Januar 1955
Hermann Neugebauer
Inhaltsverzeichnis
Erster Teil: Allgemeine Grundlagen des Selektivschutzes
Scite
A. Aufgabenstellung . 1
B. Hilfsmittel ffir die Messung 3
I. Strom- und Spannungswandler und ihre Besonderheiten fiir den
Selektivschutz. . . . 3
1. Spannungswandler. . . . . 4
2. Stromwandler. . . . . . . 4
a) tTherstromziffer n S. 6.- b) Grenzleistung eines Stromwand.
lers S. 9.- c) Sekundiire Kurvenform S.lO.- d) Sekundiir offene
Stromwandler S. 10.
II. MeBwerte. . . . . . . 14
1. Spannungs-MeBwerte 15
2. Strom-MeBwerte. . . 19
Summen-und Differenzbildung. S. 22.
3. Kiinstliche Phasenverschiebung . . . 25
a) Spannung S. 25. - b) Strom S. 25.
CJ. Selektionsmittel 26
I. Selektionsmittel der Fehlerart. . . . . . . . 27
1. Fehlerkriterien des Kurzschlusses . . . . . . 28
a) Stromerhiihung S. 29. - b) Spannungserniedrigung S. 35. -
c) Widerstandserniedrigung S. 35.
2. Fehlerkriterien bei Erdschliissen in nicht starr geerdeten Netzen. 43
3. Unsymmetrische Strome und Spannungen . . 50
4. tTheriast . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
II. Selektionsmittel zum Bestimmen des Feh lcrortes . 54
1. Richtungsbestimmung . . . . . . . . . . . 54
a) Dynamometrische Leistungsmesser S.55. - b) Induktions
prinzip S. 56. - c) Vergleichsprinzip S. 57. - d) Ortsdiagramm
des Richtungsrelais S. 60. - e) Richtungsrelais mit Spannungen,
die nicht dem KurzschluBkreis angehiiren S. 63. - f) Mehrpolige
Richtungsrelais S. 65.
2. Zeitstaffelung mit entfernungsunabhiingigen Zeiten . . . . . . 67
a) Allgemeines S. 67. - b) Grundtypen der entfernungsunabhiin
gigen Zeitelemente S.69.
VI Inhaltsverzeichnis.
Seite
3. Zeitstaffelung mit entfernungsabhangigen Zeiten. 73
4. MeBmoglichkeiten der Widerstandsmessung. . . 74
a) LichtbogeneinfluB S. 74. - b) Widerstandsbezeichnungen
S.78. - c) Ortsdiagramme der Grundformen von Widerstands
bezeichnungen S. 79. - d) Allgemeine Polargleichung des
Kreises S. 82.
5. Widerstandsrelais in Verbindung mit Richtungsgliedern 85
6. Moglichkeiten der praktischen Verwirklichung der Ortskurven. . 86
a) Quadratisches Verhaltnis S. 86. - b) Lineares GroBenverhaltnis
von Vektoren S. 89. - c) Wmkelbezieh~en der Vektoren S.92.
7. Vereinigung der Widerstandskipprelais mit Zeitelementen zum
widerstandsabhangigen Zeitablauf. . . . . . • . . . . . . . 95
a) Zeitabhangige Veriinderung der Spannungsseite S.95. -
b) Zeitabhangige Verstiirkung der Stromseite S. 97. - c) Zeitab
hiingige Veriinderung der Hebelarme beim Waagebalkenrelais
S. 98. - d) WiderstandsmeBsysteme mit eigenem Zeitablauf
S. 99. - e) Sonderkonstruktionen, die nicht unter die bisher be
handelten Betrachtungen fallen S.101. - f) Schnellarbeitende
Kipprelais S. 103. •
8. Vergleich von MeBgroBen zweier voneinander entfernter Leitungs-
punkte .................•....... 105
a) Direkter Vergleich S.105. - b) Indirekter Vergleich S.112.
III. Verhalten dar Selektionsmittel beim AuBertrittfallen der Kraftwerke 112
Zweiter Teil: SpezieUe Scbutzscbaltungcn
I. Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
II. Grundsiitzlicher Aufbau einer Schutzschaltung. . . . 120
a) Der Wandlerkreis. S. 121. - b) Der Arbeitskreis. S. 121.
A. Generatorsebntz .. 121
I. WicklungsschluB = KurzschluB zwischen zwei Leitern im Generator 121
II. WindungsschluB = KurzschluB zwischen Windungen des gleichen
Leiters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
1. Durch Ausgleichstrome bei parallelgeschalteten Leitern 126
2. N llistrom bei L'I-Generatoren. . . . . . . . . . . . 127
3. Spannungsvergleich zwischen Generatorsternpunkt und einem
kiinstlichen Sternpunkt . . . . . . . . . . . . . . . 127
4. Feststellung einer l00-periodigen Frequenz im Erregerkreis .. 129
III. GestellschluB = Beriihrung eines Leiters mit Gehause (ErdschluB) 129
1. Generator und Transformator als Einheit = Blockschaltung. .. 130
100% GestellschluBschutz S. 131.
2. Generator speist auf ein Netz oder auf eine Sammelschiene mit
parallellaufenden Generatoren. 133
IV. Rotorfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Inhaltsverzeichnis. VII
Seite
V. Gefahren, die dem Generator durch auBere Fehler erwachsen konnen 139
a) Uberlastung S.139. - b) SpannungserhOhung S.140. -
c) Unsymmetrische Belastung S. 140. - d) Riickwattschutz
S. 141. - e) Ausbleiben der Erregung S. 142.
VI. Schutzmallnahmen = Abschalten, Entregen, Brandloschen .... 142
1. Feldschwachung im NebenschluB der Erregermaschine ..... 142
2. AufreiBen des Rotorkreises und KurzschlieBell- tiber einen Wider-
stand . . . . . 143
3. Ausschaltmotor . . . . 144
4. Schwingungsentregung . 144
Brandloschung . . 147
VII. Meldeeinrichtungen 147
VIII. Montage, Inbetriebsetzung, Wartung und Priifung 148
B. Transformatorensehutz. . . . . . . . . . . . ." . 150
1. Differentialschutz . . . . . . . . . . , . . 151
a) Differentialschaltungen fUr Zweiwickeltransformatoren S. 155.
- b) Differentialschutz fUr Mehrwickeltransformatoren S. 158.
- c) Leerlauf· und Einschaltstrome S. 160.
2. Andere elektrische Schutzschaltungen . . . . . . . . . . • . 162
a) Summenschaltung S.162. - b) WindungsschluB S.163.-
c) Gehausespannung gegen Erde S. 163. - d) Richtungsvergleich
S. 164. - e) Impedanzschutz S. 164.
3. Gasschutz (Buchholzschutz). 164
4. Uberlastungsschutz . . . . . . . . 165
5. Eisenbrand. . . . . . . . . . . . 166
6. Inbetriebnahme, Wartung und Priifung. 167
(J. Leituugssehutz . . . . . . . . . . . 167
I. Netzeigenschaften und Netzfehler 168
1. Verschiedenheiten der Netze . 168
2. Fehlerhaufigkeiten und Fehlerarten 169
3. Fehlerverlauf ......... 170
4. Fehlerwichtigkeit . . . . . . . . 171
II. Uberstromzeitschutz = entfernungsunabhangige Zeitstaffelung 172
1. Aufgebaute Primarausloser . . . . . . . . . . . . . .. 172
2. Sekundare Uberstromzeitrelais . . . . . . . . . . . .. 174
3. lJberstrom. plus getrenntem Zeitrelais als lJberstromzeitschutz 175
4. Gerichteter Uberstromzeitschutz . . . . . . . . 180
III. Entfernungsabhangiger Staffelschutz = Distanzschutz 184
1. Widerstande der Leiter in Hochspannungsnetzen . 184
VIII Inhaltsverzeichnis.
Seite
2. Stromverteilung bei ErdkurzschluB im starr geerdeten Drehstrom-
netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19]
a) Einpoliger ErdkurzschluB S. 194 - b) Geerdeter Trafo ohne
Speisung mit einem nicht geerdeten Trafo mit Speisung S. 195. -
c) Beide Trafo geerdet. Jedoch nur Speisung von einer Seite
S. 197. - d) Beide Trafo gespeist und nur einer geerdet S. 198.
e) Beide Trafo gespeist und geerdet S. 199. - f) Zweipoliger
KurzschluB mit Erdberiihrung S. 199.
3. Widerstandsmessung in Drehstromnetzen 201
4. Schaltungen mit Widerstandszeitrelais . . 202
a) Dreirelaisschaltungen S. 202. - b) Zweirelaisschaltungen
S. 205. - c) Einrelaisschaltungen S. 205.
5. Schaltungen mit Widerstandskipprelais und getrenntem Zeitrelais 210
a) Besonderheiten der Widerstandskipprelais gegeniiber dem Wider
standszeitrelais S. 210. - b) Sechsrelaisschaltungen S.213. -
c) Dreirelaisschaltungen S. 214. - d) Einrelaisschaltungen S.214.
6. Der Staffelplan und seine Grenzfalle. . 220
7. Inbetriebnahme, Wartung und Priifung. 227
IV. Vergleichssysteme . . . . . 229
1. Direkte Vergleichssysteme 229
a) Langsdifferentialschutz S. 229. b) Querdifferentialschutz
S.237.
2. Indirekte Vergleichssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 240
a) Die einfachen Verriegelungssysteme S.240. - b) Richtungs~
vergleichsschutz S.241. - c) Distanzabhangiger Richtungsver
gleich S. 249. - d) Richtungsvergleich mit Hochfrequenzverbin
dung S. 251.
V. Kurzunterbrechung (Wiedereinschaltung) . 253
VI. ErdschluBschutz. . . . . . . . . . . . 255
D. Sammelschienenschutz 259
1. Sammelschienen-Differentialschutz fiir Einfachsammelschienen 259
Indirekter Vergleich S. 261.
2. Mehrfachsammelschienen . 261
E. Schutz von Motoren 264
Literaturverzeichnis . 266
Sachverzeichnis . . 271
Erster Teil
Allgemeine Grundlagen des Selektivschutzes
A. Aufgabenstellung
Jeder Laie kennt einen echten Selektivschutz aus eigener Erfahrung, nam
lich die Sicherung seines W ohnungsanschlusses. Diese Sicherung hat die glei
chen Aufgaben wie der Selektivschutz in Hochspannungsnetzen und weist
aIle wesentlichen Kennzeichen eines echten Selektivschutzes auf. Tritt ein
KurzschluB in einem Abzweig der W ohnung auf, so solI dieser Abzweig so
rasch wie moglich vomNetz getrennt werden, damit einmal die anderen Lei
tungen in Betrieb bleiben und zweitens keine groBeren ZerstOrungen an der
KurzschluBstelle auftreten.
Die Starke des Schmelzfadens bestimmt, welche Hohe des Stromes als ge
fahrlich angesehen wird. Der Schmelzfaden stellt also das Anregeglied des
Schutzes dar. Die Schmelzdauer ist der Zeitablau/ des Schutzes. In Serie mit
der Sicherung der W ohnung liegt die Sicherung des Hausanschlusses. Ist die
Sicherung der W ohnung flir 10 A ausgelegt und die des Hausanschlusses fiir
25 A, so iibersteigt der KurzschluBstrom bei einem KurzschluB in der Woh
nung sicher 25 A. Da aber die Schmelzdauer der 10 A-Sicherung kiirzer ist,
unterbricht diese zuerst die Leitung. Es ist also eine richtige Zeitstaffelung
zwischen den beiden Sicherungen. Ware die 10 A-Sicherung etwa iiberbriickt,
so wiirde bei dem gleichen KurzschluB die 25 A-Sicherung nach einer etwas
langeren Zeit ebenfalls durchschmelzen, diese stellt die Reservezeit dar.
SchlieBlich enthalt die Sicherung auch die eigentliche SchutzmaBnahme, nam
lich das Abschalten der Leitung.
Die gleiche Aufgabe hat auch der Selektivschutz in Hochspannungs
net zen der offentlichen Energieversorgung zu erfiillen. Die einzelnen Funk
tionen, die die Sicherung in sich vereinigt, miissen nunmehr auf Einzelglieder
verteilt werden. Strom und Spannung miissen in einen be quem meBbaren
Wert umgewandelt werden. Die Relais miissen in der Lage sein, nicht nur
die Art der Fehler, sondern auch den Fehlerort selektiv bestimmen zu konnen,
und schlieBlich muB die Leitung durch einen besonderen Leistungsschalter
abgeschaltet werden. Wandler, Relais, Hilfsspannung und Schalter stellen da
her die gesamte Selektivschutzeinrichtung einer Hochspannungsleitung dar.
Die Versorgungsnetze sind im Laufe eines halben Jahrhunderts aus
kleinen Anfangen zu einem einzigen groBen Netz iiber ganze Lander ange-
Neugebauer, Selektivschutz, 2. Auf!. 1
2 Allgemeine Gl'undlagen des SeJektivschutzes
wachsen, wobei die Spannungen von den kleinen Versorgungsspannungen
no
und 220 V bis zu der Hohe von 400 k V angestiegen sind. Die Leistungen
der ersten Netze entsprachen kaum der Hohe des heutigen AnschluBwertes
eines groBen Geschliftshauses und die Abschaltleistungen haben anstatt von
Hunderten von kW Millionenbetrage davon erreicht. Die Aufgaben, die mit
jeder VergroBerung der Leistung, der Spannung und der Netze neu hinzu
kamen, machten immer weitergehende Konstruktionen an Maschinen und
Ubertragungsmitteln notwendig. Vollkommen parallel mit dieser Entwick
lung mehrten sieh auch die Aufgaben fiir den Selektivschutz. Geniigten fUr
die Anfangsnetze noch Sicherungen iiblicher Bauart, so sind fUr die Hochst
spannungsnetze hochwertigste Einriehtungen notwendig. Die nachfolgenden
AusfUhrungen fassen die Aufgaben und ihre Losungen zusammen, die im
Laufe dieser Entwieklungszeit gestellt bzw. die in der Praxis angewandt
wurden und werden.
Die Hauptaufgabe des Setektivschutzes besteht in der A14reclcterhaltung der
Energieversorgung. Bei einem KurzschluB auf einer Leitung z. B. bricht die
Spannung in einem groBen Teil des der KurzschluBstelle benachbarten
Netzes zusammen. Die in diesem Teil angeschlossenen Verbraucher erhalten
praktisch keine Energie mehr zugefUhrt. Weiterhin sind die angeschlossenen
Zentralen durch den KurzschluB entkuppelt und konnen sich gegenseitig nur
noch schwer oder gar nicht mehr synchron halten. Dieser Zustand muB so
rasch wie moglich beseitigt werden, was nur durch Herausschalten des fehIer
haften Teiles geschehen kann. Notwendig ist daher, daB dieser Teil mit
Sicherheit aus einem vermaschten Netzgebilde herausgefunden wird, d. h.
der Schutz muf3 selektiv arbeiten.
Die zweite Aufgabe besteht in der Beschriinkung der iYrtlichen Zerstorung.
Bei Leitungsfehlern tritt diese Aufgabe gegeniiber der vorher erwahnten
zuriick, obgleich auch hier raschestes Abschalten Zerstorungen an Leitungen
vermeiden kann. Bei Generatoren und Transformatoren allerdings gewinnt
die Zerstorungsbeschrankung eine gleich groBe Bedeutung wie das selektive
Abschalten.
Einen auftretenden Fehler zu vermeiden, ist auch dem besten Selektiv
schutz nicht moglich, wohl aber, ihn aus einem Netz in kiirzester Zeit heraus
zutrennen und damit die iibrige Versorgung aufrechtzuerhalten und die ort
Hche Zerstorung zu beschranken.
Die Schutzeinrichtung einer Absehaltstelle umfaBt die Strom- und Span
nungswandler, die die primaren Strome und Spannungen in leicht meBbare
GroBen umwandeln und die Gerate von der Hochspannung isolieren, die
Uberwachungsrelais, die Hilfsspannungsquelle und schlieBlich den Leistungs
schalter. Das Betatigen dieses Schalters stellt in allen Fallen die eigentliche
SchutzmaBnahme dar, zu welcher bei Stromerzeugern noch die Entregung
hinzu kommt. Von dem zuverlassigen Arbeiten der eben genannten vier
Hauptteile einer Schutzeinrichtung hangt seine Wirksamkeit abo Die Selektiv-