DE1137795B - Elektrisches Schutzrelais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Schutzrelais vom Zeit-Überstrom- oder Zeit-Überspannungs-Typ sowie Zeitverzögerungsvorrichtungen hierfür.

Durch die vorliegende Erfindung soll die Charakteristik eines derartigen Relais verändert werden, insbesondere soll seine Ansprechzeit bei verhältnismäßig hohen oder verhältnismäßig niedrigen Überströmen oder Überbelastungen vergrößert werden.

Ein elektrisches Schutzrelais, dessen Ansprechzeit von der Größe eines einseitig gerichteten oder gleichgerichteten Überstrom- bzw. Überspannungs-Betätigungssignals abhängt, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung durch eine Zeitverzögerungsvorrichtung, welche einen Kondensator, der durch das genannte Signal aufgeladen wird, sowie nicht-lineare Widerstandsanordnungen aufweist, die mit dem Kondensator schaltungsmäßig so verbunden sind, daß sie dessen Aufladung verzögern, wenn das Signal verhältnismäßig hoch oder verhältnismäßig niedrig ist.

Diese nicht-lineare Widerstandsordnung weist vorzugsweise einen Gleichrichter oder einen nicht-linearen Widerstand, wie er unter der Bezeichnung »Metrosil« bekanntgeworden ist, auf und kann in Reihe und/oder parallel mit einem festen oder einem veränderbaren linearen Widerstand liegen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die nicht-linearen Widerstandsanordnungen eine erste, parallel zu dem Kondensator liegende nicht-lineare Widerstandsanordnung zur Verzögerung der Kondensatoraufladung bei einem verhältnismäßig hohen Betätigungssignal sowie eine zweite, in Reihe mit dem Kondensator liegende nicht-lineare Widerstandsanordnung zur Verzögerung der Kondensatoraufladung bei einem verhältnismäßig niedrigen Betätigungssignal aufweist.

Falls entsprechend der vorstehenden Ausführungsform eine derartige erste und zweite nicht-lineare Widerstandsanordnung verwendet wird, ist nach einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß die erste nicht-lineare Widerstandsanordnung mit ihrem einen Ende mit der Verbindung zweier Teile eines linearen Widerstandes verbunden ist, welcher einen Teil der zweiten nicht-linearen Widerstandsanordnung bildet.

Zur Ansprechsteuerung des elektrischen Schutzrelais kann nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, daß der Kondensator durch eine Vorrichtung mit veränderlichem Widerstand überbrückt ist, die bei normalen Strom bzw. Spannungsbedingungen und darunter leitfähig ist und dann die Aufladung des Kondensators verhindert, während sie oberhalb der normalen Be-

Anmelder:

The English Electric Company Limited,
London

Vertreter: Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 9. Juni 1960 (Nr. 20 256)

Eugeniusz Antoszewski
und John William Frederick Sheriff, Stafford

(Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

dingungen in den nichtleitenden Zustand gebracht wird, derart, daß der Kondensator aufgeladen wird. Dabei kann nach einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, daß die Vorrichtung mit veränderlichem Widerstand einen Transistor aufweist in Verbindung mit einer Vorrichtung, mittels welcher seiner Basis bei fehlendem Betätigungssignal eine Vorspannung zugeführt wird, durch welche der Transistor leitend wird, sowie weiter in Verbindung mit einer Vorrichtung, mittels welcher der Basis des Transistors bei Vorhandensein des Betätigungssignals eine Betätigungsspannung von entgegengesetzter Polarität wie die Vorspannung zugeführt wird, wodurch der Transistor gesperrt wird.

Vorzugsweise ist der Transistor vom n-p-n-Typ und die erwähnte Vorspannung bzw. Betriebsspannung haben positive bzw. negative Polarität.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen. Darin zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema des Relais, mit einer Verzögerungsvorrichtung, deren nicht-lineare Wider-Standsvorrichtungen von Gleichrichtern gebildet werden, mit einem Überlastungsdetektor, einer Meß- und Auslöseschaltung sowie mit einem Netzgerät zur

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Stromversorgung der Schaltbauteile der Meß- und Auslöseschaltung,

Fig. 2 ein Schaltschema einer Alternativausführung der Zeitverzögerungsschaltung des Relais.

Die Einrichtung zur Feststellung der Überlast in Fig. 1 weist einen Stromwandler TRZ auf, dessen mit Anzapfungen versehene Primärwicklung in Reihe mit einer entsprechenden, ebenfalls angezapften Primärwicklung eines zweiten Stromwandlers TR1 liegt, der einen Teil der Stromversorgung für die Bauteile der Meß- und Auslöseschaltung bildet, auf die im folgenden noch im einzelnen eingegangen wird. Die Sekundärwicklung des Stromwandlers TRl ist zur stufenlos veränderlichen Regelung über den Stromeinstellbereich durch zwei in Reihe liegende veränderliche Widerstände 16 und 20 überbrückt und über einen Reihenwiderstand 22 und einen Nebenschlußkondensator 13 mit einer Vollweg-Gleichrichterbrücke 2 verbunden. Spitzen in der Spannungswelle, die von einer Sättigung des Stromtransformators TR 2 herrühren, werden durch die i?C-Kombination 13, 22 beseitigt.

Der Ausgang der Gleichrichterbrücke 2 wird durch einen Parallelkondensator 10 geglättet und der Zeitverzögerungsschaltung zugeführt, welche im wesentlichen aus einem Gleichrichter 6 in Reihe mit einem aus zwei Teilen 33 und 32 bestehenden Widerstand und einem Kondensator 12, der von einer Reihenschaltung aus einer Kette von Gleichrichtern 4, 5, einem festen Widerstand 29 und einem veränderlichen Widerstand 18 überbrückt ist, besteht, wobei diese Reihenschaltung mit ihrem einen Ende an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Widerstandsteilen 33 und 32 liegt. Die erwähnte Reihenschaltung 4, 5, 29 und 18 hat den Zweck, die Ansprechzeit des Relais bei verhältnismäßig hohen Überlastungen zu vergrößern, wobei der veränderliche Widerstand 18 eine Feinregelung ermöglicht. Der Gleichrichter 6 hat die Aufgabe, die Ansprechzeit des Relais bei verhältnismäßig kleinen Überlastungen zu erhöhen. Kombiniert ergeben diese beiden Wirkungen eine Relaischarakteristik, die für hohe und für niedrigere Überlastungen die gewünschten Zeitverzögerungen aufweist. Die Auftrennung des Zeitverzögerungswiderstandes in zwei Teile 32, 33 und der Anschluß der Reihenschaltung 4, 5, 29 und 18 an der Verbindungsstelle dieser beiden Widerstandsteile erfolgt im wesentlichen aus zwei Gründen: Gleichrichter haben bekanntlich eine nicht-lineare Widerstandscharakteristik; durch die genannte Maßnahme soll daher zum einen vermieden werden, daß wegen dieser nichtlinearen Widerstandscharakteristik der Gleichrichter eine nicht-lineare Belastung an den Transformator TRl gelegt wird, was die Stromeinstellung des Relais beeinflussen würde, da der Transformator TR 2 zur Erzielung der erwünschten Zeit-Strom-Relais-Charakteristik leichten Sättigungscharakter besitzt. Zum anderen soll durch die genannte Schaltungsmaßnahme eine Temperaturkompensation zusätzlich zu der im folgenden beschriebenen Temperaturkompensation mittels des Thermistors 35 erzielt werden.

Die Betätigung des Relais wird durch einen Transistor Γ1 vom n-p-n-Typ bestimmt, der mit seinen Kollektor- und Emitter-Anschlüssen über dem Kondensator 12 liegt. Der Transistor Tl wird durch eine seiner Basis zugeführte positive Vorspannung in den leitenden Zustand gebracht, die an einem veränderlichen Potentiometer-Widerstand 19 abgenommen wird, welcher in Reihe zwischen festen Widerständen 28 und 34 an einer weiter unten beschriebenen Hochspannungsversorgung liegt; die positive Vorspannung wird über einen festen Widerstand 27 zugeführt, um eine Aufladung des Kondensators 12 unter normalen Betriebsbedingungen der durch das Relais geschützten Schaltung zu verhindern. Die Widerstände 30 und 31 bilden einen Spannungsteiler; die am Widerstand 31 abfallende Spannung wird als negao tive Betriebs- bzw. Betätigungsspannung an die Basis des Transistors Tl gelegt. Die Parameter der Relaisschaltung sind so gewählt, daß im Vollbelastungszustand diese negative Betätigungsspannung gerade gleich der erwähnten positiven Vorspannung ist und diese somit aufhebt, wodurch der Transistor Tl gesperrt wird und im Kondensator 12 sich eine Ladung aufbauen kann. Bei Wegfall des Uberlastungszustandes wird der Transistor Π durch die positive Vorspannung an seiner Basis wieder leitfähig, und der Kondensator 12 entlädt sich rasch, wodurch die augenblickliche Rückstellung des Relais gewährleistet ist.

Bei höheren Temperaturen wird die Spannung an dem Kondensator 12, die erforderlich ist, um den Transistor Tl leitend zu machen, infolge der Temperatureigenschaften dieses Transistors verringert. Da jedoch die Gleichrichterkette 4, 5 einen negativen Widerstands-Temperaturkoeffizienten besitzt, nimmt bei Temperaturanstieg der durch den Nebenschlußweg 4, 5, 29, 18 auf Kosten des Aufladestroms des Kondensators 12 fließende Stromanteil zu, wodurch eine gewisse Kompensation der Temperaturabhängigkeit in dem Transistor Π erreicht wird. Auf diese zusätzliche Temperaturkompensation wurde bereits hingewiesen.

Zum Schutz des Transistors Tl gegen Überspannungen, die beispielsweise bei Überbelastungen mit der 20- oder 30fachen Vollast auftreten können, ist eine Siliziumdiode 7 zur Begrenzung dieser Spannung vorgesehen.

Die Meß- und Auslöseschaltung weist zwei Germaniumtransistoren Tl, Γ 3 auf, welche die beiden Stufen einer zweistufigen Verstärkerschaltung bilden. Ein an den Klemmen des Kondensators 12 abgenommenes Eingangssignal wird über eine Germaniumdiode Dl dem Basis-Emitter-Kreis des Transistors Tl zugeführt. Dieser Transistor ist vom n-p-n-Typ; sein Emitter ist mit dem Potentiometerabgriff eines veränderlichen Widerstands 17 verbunden, welcher in Reihe zwischen einem festen Widerstand 26 und einem veränderlichen Widerstand 21 an der Gleichspannungsversorgung der ersten Verstärkerstufe liegt. Diese Gleichspannungsversorgung wird von der Sekundärwicklung des Stromwandlers 27? 1 über einen Serienwiderstand 24, einen Nebenschlußkondensator 14 und eine VoEweggleichrichterbrücke 3 abgenommen, deren Ausgangsgröße durch einen Paralelkondensator 11 geglättet wird. Der Widerstand 24 und der Kondensator 14 haben bezüglich des Transformators TR1 und der Gleichrichterbrücke 3 die gleiche Funktion wie der Widerstand 22 und der Kondensator 13. An der Sekundärwicklung des Stromwandlers Π ist eine stufenlose Regelung nicht erforderlich, da Änderungen bis zu 100% in der Spannungsversorgung zulässig sind, ohne daß die Relaischarakteristik dadurch betroffen würde.

Diese Versorgungsspannung wird der zweiten Verstärkerstufe über einen Reihenwiderstand 25 und eine

parallel geschaltete, stabilisierende Zenerdiode 9 zur besseren Spannungsregelung zugeführt; der ersten Verstärkerstufe wird sie über einen weiteren Reihenwiderstand 23 und eine weitere, parallel liegende Zenerdiode 8 zugeführt. Im Kollektorkreis des TransistorsT2 liegt ein Thermistor 35, an welchem das Ausgangssignal der ersten Verstärkerstufe auftritt, das als Eingangssignal dem Basis-Emitter-Kreis des Transistors Γ 3, der vom p-n-p-Typ ist, zugeführt wird. Im Kollektorkreis dieses Transistors Γ 3 liegt ein Hilfsrelais 1; zum Schutz dieses Transistors gegen hohe Stoßspannungen, wie sie bei einem Schaltvorgang des Relais 1 auftreten, ist zwischen dem Kollektor und dem Emitter dieses Transistors ein Kondensator 15 vorgesehen. Der Kondensator 15 kann alternativ auch über dem Hilfsrelais 1 liegen. Im Betrieb wird der als Potentiometer ausgebildete veränderliche Widerstand 17 durch die Wirkung der von der Diode 8 und dem Widerstand 23 gebildeten Spannungsbegrenzerschaltung auf einem gleichbleibenden Potential gehalten. Das Potential der Potentiometeranzapfung des Widerstands 17 bestimmt, bei welchem Schwellenwert des an den Klemmen des Kondensators 12 auftretenden Signals der Transistor Γ 2 leitend wird. Der in diesem leitenden Zustand in dem Thermistor35 hervorgerufene Strom wird in dem Transistor Γ 3 entsprechend verstärkt, welcher sodann das Hilfsrelais 1 betätigt. Die Germaniumdiode D1 bewirkt eine Verringerung des Kollektor-Basis-Reststromes des Transistors T 2, welcher durch die Zeit-Verzögerungsschaltung in umgekehrter Richtung zurückfließt.

Der Thermistor 35 dient der obenerwähnten Temperaturkompensation innerhalb der Meß- und Auslöseschaltung, um den Temperatureffekt in den Transistoren zu kompensieren. Diese Kompensation ist besonders in solchen Fällen notwendig, wo ein Transistor, wie beispielsweise der Transistor TI, durch einen kleinen Eingangsstrom gesteuert wird, weil unter der Bedingung, daß der Eingangsstrom von der gleichen Größenordnung wie der Reststrom des Transistors ist, die besonders hohe Temperaturempfindlichkeit des Reststromes erheblich wird. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Schaltung mit niedrigem Eingangsstrom betrieben werden muß, falls die Zeitverzögerungswirkung der Verzögerungsschaltung nicht durch eine Leistungsableitung aus dem Verzögerungskondensator 12 übermäßig beeinträchtigt werden soll.

Parallel zu der Serienschaltung von Widerständen 28, 19 und 34 liegt ein Kondensator 36, der gegen die Auslöseschaltung durch eine Diode 37 abgeriegelt ist. Dieser Kondensator 36 und die Diode 37 bilden zusammen eine Speicherschaltung, was ermöglicht, die Zeitkonstanten der Auslöseschaltung und der Verzögerungsschaltung kurz zu halten (wodurch eine fast augenblickliche Rückstellung des Hilfsrelais 1 und eine schnelle Aufladung des Verzögerungskondensators 12 bei Einschaltung des Relais in einen Störzustand gewährleistet sind); andererseits ermöglicht dies eine genügend lange Zeitkonstante, daß die Basisvorspannung des Transistors Tl diesen Transistor genügend lange im Leitfähigkeitszustand hält, damit der Verzögerungskondensator 12 sich nach einem Auslösevorgang vollständig entlädt, während anderenfalls der Zusammenbruch des Laststromes und der entsprechende Zusammenbruch der Gleichstromvorspannung an der Basis des Transistors Tl diesen schnell sperren und somit den Entladungsstromweg für den Kondensator 12 sperren würden. So werden also einerseits die Zeitkonstanten der Auslöse- und der Verzögerungsschaltung kurz gehalten, indem man die Kapazität des Kondensators 11 niedrig hält, während andererseits die Zeitkonstante der Basisvorspannung des Transistors Tl durch geeignete Wahl der Kapazität des Kondensators 36 der Speicherschaltung groß gemacht wird; eine Auswirkung der Speicherschaltung auf die Zeitkonstante der Auslöse- und der Verzögerungsschaltung wird durch die Blockierungswirkung der Diode 37 verhindert.

Eine geringfügig veränderte Ausführungsform der Verzögerungsschaltung nach Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt, bei welcher die Gleichrichterkette 4, 5 durch ein »Metrosil« Ml, der Gleichrichter 6 durch ein »Metrosil« Ml ersetzt sind. Die Wirkungsweise dieses Relais ist genau dieselbe wie vorstehend an Hand von Fig. 1 beschrieben, da »Metrosils« sich hinsichtlich ihrer Verwendung in Schaltungen der vorliegenden Art weitgehend ähnlich wie Gleichrichter verhalten.

Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrisches Schutzrelais, dessen Ansprechzeit von der Größe eines einseitig gerichteten oder gleichgerichteten Überstrom- bzw. Überspannungs-Betätigungssignals abhängt, gekennzeichnet durch eine Zeitverzögerungsvorrichtung, welche einen Kondensator (12), der durch das genannte Signal aufgeladen wird, sowie nicht-lineare Widerstandsanordnungen aufweist, die mit dem Kondensator (12) schaltungsmäßig so verbunden sind, daß sie dessen Aufladung verzögern, wenn das Signal verhältnismäßig hoch oder verhältnismäßig niedrig ist.

2. Verzögerungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-lineare Widerstandsanordnung einen Gleichrichter (4, 5, 6) aufweist.

3. Verzögerungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-lineare Widerstandsanordnung einen nicht-linearen Widerstand (Ml, Ml; Fig. 2) aufweist.

4. Verzögerungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-linearen Widerstandsvorrichtungen in Reihe und/oder parallel mit einem festen oder einem veränderbaren linearen Widerstand liegen.

5. Verzögerungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-linearen Widerstandsanordnungen eine erste, parallel zu dem Kondensator (12) liegende nicht-lineare Widerstandsanordnung (4, 5, 29, 18, Fig. 1) zur Verzögerung der Kondensatoraufladung bei einem verhältnismäßig hohen Betätigungssignal sowie eine zweite, in Reihe mit dem Kondensator (12) liegende nicht-lineare Widerstandsanordnung (6, 33, 32; Fig. 1) zur Verzögerung der Kondensatoraufladung bei einem verhältnismäßig niedrigen Betätigungssignal aufweist.

6. Verzögerungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste nicht-lineare Widerstandsanordnung (4, 5, 29, 18) mit ihrem einen Ende mit der Verbindung zweier Teile (33, 32) eines linearen Widerstandes ver-

bunden ist, welcher einen Teil der zweiten nichtlinearen Widerstandsanordnung (6, 33, 32) bildet.

7. Verzögerungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (12) durch eine Vorrichtung mit veränderlichem Widerstand (Z¹I) überbrückt ■ ist, die bei normalen Strom- bzw. Spannungsbedingungen und darunter leitfähig ist und dann die Aufladung des Kondensators (12) verhindert, während sie oberhalb der normalen Bedingungen in den nichtleitenden Zustand gebracht wird, derart, daß der Kondensator (12) aufgeladen wird.

8. Verzögerungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit veränderlichem Widerstand einen Transistor (T¹I) aufweist in Verbindung mit einer Vorrichtung, mittels welcher seiner Basis bei Abwesenheit des Betätigungssignals eine Vorspannung zugeführt wird, durch welche der Transistor leitend wird, sowie weiter in Verbindung mit einer Vorrichtung, mittels welcher der Basis des Transistors bei Vorhandensein des Betätigungssignals eine Betätigungsspannung von entgegengesetzter Polarität wie die Vorspannung zugeführt wird, wodurch der Transistor gesperrt wird.

9. Verzögerungsschaltung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Gedächtnisschaltung (36, 37; Fig. 1), welche die Vorspannung für den Transistor (Γ1) nach Unterbrechung der normalen Vorspannungszufuhr aufrechterhält, derart, daß nach Betätigung des Relais der Transistor ausreichend lange im leitenden Zustand gehalten wird, damit der Kondensator (12) sich entladen kann.

10. Verzögerungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gedächtnisschaltung einen weiteren Kondensator (36; Fig. 1), der an der Stromversorgung liegt, sowie ein Schaltungselement (37) aufweist, das verhindert, daß die durch die Gedächtnisschaltung (36, 37) in die Verzögerungsvorrichtung eingeführte längere Zeitkonstante die Zeitkonstanten anderer Teile des Relais beeinflußt.

11. Verzögerungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement eine in der Schaltung zur Lieferung der Vorspannung liegende Diode (37) aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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