DE1513283A1 - Vorrichtung zum Schutz elektrischer Kreise - Google Patents

Description

DR. MuLLER-BOF^ DIPL.-ING. GRALFS Dr. MANITZ PATENTANWÄLTE _ Λ j· Λ ο *) O O

i 1965 . - L 396

LABORATOIRE D¹ELECTRONI^JiT ET D · ATJTOMATIQUl DAUPHIIIOIS

LEAD
22, Rue AmpSre, 22, Grenoble, Frankreich

Vorrichtung zum Schutz elektrischer Kreise

Die elektrischen Schalter haben die Aufgabe, den zu schützenden Kreis zu öffnen, wenn der sie durchfließende Strom unzulässige Werte erreicht, und zwar um so schneller, je größer die Überlastungen sind.

Um das Auslösen des Schalters zu bewirken, werden im allgemeinen in gegenseitiger Verbindung zwei Vorrichtungen mit verschiedenen Prinzipien verwendet: Die eine für die geringen Überlastungen benützt die Verformung eines Biiaetallstreifens unter der Wirkung der durch den Stromdurchgang hervorgerufenen Erwärmung, die andere für die großen Überlastungen verwendet den in hintereinandergeschalteten Spulen erzeugten magnetischen Fluß in den Polen der Vorrichtung.

Alle diese Systeme besitzen gewisse IIachteile» Die Regelmäßigkeit der Auslösezeichen für eine gegebene

909884/0534

J3 BBAU N SCH WBlO. AM BOROtRPARK · 9<Ο5ΐΙΙ1·4·7 1 MÜNCHEN 2J, BOBtRr KOCHStK. I » lOSlll at »I tO

Überlastung hängt für viele von der 3tat>ilitüt der Charakteristiken der Bimetallstreifen ab. iöin weiten diese oft Alterungserscheinungen auf, welche von den Temperaturänderunjen herrühren, aenen sie unterworfen sind. i)es weiteren (Jeder geschützte Pol besitzt einen Bimetallstreifen) muis für jeden Pol des Schalters eine unabhängige Regelung vorgesehen uiiü ausgeführt werden.

Die Schalter müssen mit einer Verzögerung arbeiten, aeren " Grenzen unter den gewöhn!ionen Aiiwendimgsbedi^_oungen eingehalten werden müssen, insbesondere weuu. sich die U^

temperatur von 0° bis 40°(J ändert, und überdies bringt die Anv/eseniieit von Bimetallstreifen und Maxinum-Spulen eine Temperaturerhöhung ia Innaen der Abdeckung mit sich, aie je nach den Hegelungswert des Schalters sehr vercchieuen sein kann. Dadurch kann eine thermische Kompensation erforuerlich werden.

Die Kehrfacheichuiig der Schalter geschieht iia. allgemeinen dadurch, daß ein Hebenschluß des nauptstromes hergestellt wird, sei es an den Kleumien der Bimetallstreifen oder an den Klemmen der Anordnungen " Birnetallstoeif en-LIaXiiaiUL— Spule", welche für den niedrigsten Viert aer Vorrichtung berechnet werden. Die Umschaltung dieser Shunts, die einfach durchzuführen sein muß, ruft indessen als Folge der Sinführung von schwer zu kontrollierenden Spannungsabxallen

9 0 3 3 8 A / 0 5 3 4 BAD ORiGiNAL

in den l·ololl Störun^s^efalireri hervor.

Andererseits haben die elektriscnen Schalter mehr und mehr die Aufgabe, gleichermaßen aie Öffnung ces zu schützenden Kreises zu bewirken, we^ii eine UhsjMuaetrie zwischen den kontrollierten Strömen auftritt, und zwar in der .Yeise, daß Schalterverrieyelungen geschaffen werden, die mehrere Zugänge iiu α en die Entriegelung gewährleistenden Organen aufweisen·

Ziel der Erfindung ist es, diese Uachteile zu beseitigen, und zwar nituelc einer Steuervorrichtung für Relais, die an alle bekannten Relaistypen angepaßt werden kann.

Ein Siel der Erfindun_o besteht daher in der Verwirklichung einer SchutzvorriCiituiio für elektrische Kroise ^e^eii die Überlastungen, deren Antwox^tcharakteristiken, insbesondere die üetriebsversö^eruns als Funktion der überlastung, mit einer großen Elastizität und im wesentlichen unabhängig von den Zuständen der Umgebungstemperatur geregelt werden können.

Ein anderes Siel der Erfindung ist die Schaffung einer kombinierten Yorriuiitunj, sov/ohl ζμλ Schutz gegen die Überlastungen als auch ge^en andere Störungen, wie z.B. die Erdschlußströine, wobei dieser kombinierte Schutz in

909884/05 3 4

BAD

bedeutend einfacherer und wirtschaftlicherer Weise verwirklicht wird als in den heute bekannten Vorrichtungen dieser Art,

Eine Schutzvorrichtung für elektrische Kreise gegen die Überlastungen mit einem Schalter, der von einem auf die Überlastungen ansprechenden Auslöserelais gesteuert wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung dieses k Auslöserelais über einen elektronischen Schalter mit Schwelle mit den Klemmen eines elektrischen Speicher organs verbunden ist, welches von wenigstens einem Stromtransformator über einen Gleichrichter und eine Verzögerungszelle gespeist wird.

Eine derartige Anordnung der Schutzvorrichtung bietet bedeutende neue Möglichkeiten hinsichtlich zweier verschie<dener Gesichtspunkte. In erster Linie kann mit großer Elastizität auf die Antwortcharakteristiken eingewirkt werden, ' und zwar als Funktion der Größe der Überlastung durch eine einfache Anordnung der Verzögerungszelle, insbesondere durch die Einführung geeigneter nichtlinearer Elemente in diese Zelle; andererseits eignet sich die Anordnung in sehr einfacher Weise zur Verbindung des Schutzes gegen die Überlastungen mit einen Schutz gegen die Unsymmetrien und sogar mit Schutzeinrichtungen gegen alle anderen Arten von Störungen. Zur Durchführung eines solchen kombinierten Schutzes

BAD ORIGINAL

909884/0534

genügt es in der Tat, an den Klemmen des SpeicheroDgaiis eine oder mehrere andere Quellen anzuordnen, welche in der Lage sind, ein unter der Wirkung der Störungen, vor denen man sich schützen will, gewonnenes Signal an dieses Speicherorgan zu legen·

Weitere Ziele, Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung ersichtlich· In dieser zeigen:

Fig. 1 ein Erinzipschaltbild einer Schutzvorrichtung gegenäfeea? Überlastungen gemäß der Erfindung} die

und 3 zwei Arten der Anordnung der Verzögerungszelle;

Fig· 4· eine kombinierte Schutzvorrichtung gegen die Überlastungen und gegen die Erdschlußströme,

Fig· 5 eine andere Ausführungsform der vorhergehenden Figur§

Fig· 6 ein Anwendungsbeispiel der Erfindung in einer mehrphasigen Anordnung.

Nach dem Schaltbild der Jig· 1 speist das einphasige Leitungsnetz 1 eine Belastung 3 über einen Schalter D, welcher den Kreis abschalten soll, wenn der aufgenommene Strom unzulässige Werte annimmt. Ein beispielsweise in die Leitung 1 eingefügter Stromtransformator speist durch, seine Sekun-

909884/0534 bad original

. — ο —

därwicklung 5 einen Kondensator 6 (Speicherorgan) übe'r eine Verzögerungstelle T, der ein Gleicnricnter 8 vorhergeht. Die Verzögerungszelle, auf die noch näher eingegangen wird, besteht aus einem V/iderstands-Serienzweig S und einem kapazitiven Parallelzweig P. Es wird hier angenommen, daß der Serienzweig aus einem einfaciien Widerstand 7 besteht, una daß aer Parallelzweig P auf die Kapazität des Kondensators 6 reduziert ist.

Ein an den Klemmen des Kondensators 6 angelegter Entladekreis besitzt eine Diode mit Spannungsschwelle, schematisch bei 9 dargestellt, in Serie mit aer Erre^erspule 10 des Auslöserelais des Schalters D.

Der Transformator 4- ist für einen Normalstrom in der Belastung 3 so berechnet, daß die von der Sekunaärwicklung 5 gelieferte Spannung unterhalb aer Leitschwelle oaer der Auslösung der Diode 9 bleibt. Im Fall von Überstrom wächst die an den Klemmen des Kondensators 6 auftretende Spannung progressiv und erreicht die Zündschwelle der Diode 9· Der Kondensator entlädt sich dann über das Eelais 10 und bewirkt die öffnung des Schalters.

Bekanntermaßen ist es wünschenswert, für geringe Überlastungen eine relativ lange Verzögerung und für große Überlastungen eine sofortige Antwort zu verwirklichen. In aen bisher

909884/053* bad original

bekannten Vorrichtungen sind es die thermischen Kittel (BiLietallstreifen), welche die Verzögerung xür aie geringen U"berlastunden gewährleisten, v/ährend die sofortige Antwort bei starken Überlastungen fiurch die Maximum-Spulen erfolgt· Gemäß der Erfindung überniioiat allein die Verzögerungszelle die Aufgabe der Regelung der Verzögerung als Funktion der überlastung, inueia sie die Bedingungen der Ladung des durch den Kondensator 6 gebilueten Speicherorgans festlegt«

Die Pig· 2 unu. 3 zeigen zwei typiscne mögliche Anordnungen der Verzögerungszelle·

Die Schaltung der Fig. 2 ist gekennzeichnet durch die Einfügung eines Elementes mit Schwelle, wie einer Zenerdiode 16, in den Serienzweig der Verzögerungszelle. Die Schwelle dieser Diode ist z.B. auf einen Wert festgelegt, der einer Belastung von 110% ζ·Β· des ITennstroms - ange= noumen I_n - des Schalters entspricht· Unter diesen Bedin- , gungen kann das Laden des Kondensators 6 nur von diesem Wert an beginnen und erfolgt dann mit einer Zeitkonstante, die durch den Rest der Verzögerungszelle festgelegt ist·

Die Schaltung der Fig. 3 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Serienzweiij der Zelle einen line^aen Widerstand 7 besitzt, dem ein nichtlineares Element 21 parallelgeschaltet

909884/0534

BAD ORIGINAL

ist, dessen Widerstand kleiner wird, wenn die an seinen Klemmen anliegende Spannung vergrößert wird. Ein solches Element kann von einer Zenerdiffode gebildet werden oder viel wirtschaftlicher - z.B. von einem Widerstand vom Typ VOK. Hier wird noch eine mit der Spannung veränderliche Seitkonstante geschaffen, welche eine Verringerung der Antwortzeit der Vorrichtung im Fall großen, z.B. durch Phasenkurzschluß hervorgerufenen Überstroms mit sich bringt.

Andererseits können praktisch gleiche Auelösezeiten erreicht werden, unabhängig von der Stromstärke, die in dem Kreis vor dem Zeitpunkt des Auftretens des Überstroms bestand. !Tatsächlich kann die Auslösung des Schalters "kalt" geschehen, d.h. daß der z.B. auf 1,3 L festgelegte Auslösestrom sofort angelegt werden kann. Der Kondensator 6 (der bisher zugleich die Rolle des Speicherorgans und die Rolle des Verzögerungskondensatora spielt) befindet sich dann während der ganzen Zeit, in der der Widerstand des nichtlinearen Elements 21 durch die an seinen Klemmen entstandene Spannung verringert wird, in einem erhöhten Ladebetrieb. Dieser beschleunigte Ladungsbetrieb kann bis auf eine Ladep}sannung führen, die drei Vierteln oder der Gesamtheit z.B. der Nennlast I entspricht. Über diesem Wert wird die Spannung an den Klemmen des nichtlinearen Elements 21 genügend gering, damit dieses wieder einen erhöhten Widerstand annimmt. Der Rest der Ladung wird dann verlangsamt,

909884/0634

mid diese letzte Zeit macht das Wesentliche der Verzögerung aus.

7/enn man dagegen von I = I ausgeht, wirkt allein diese zweite Phase der verlangsamten Ladung* und man findet praktisch wieder die gleiche Verzögerung wie im vorhergehenden Pail·

Bs ist in allgemeiner Weise möglich, aurch Veränderungen der Werte oder Charakteristiken der Elemente der Verzö- έ gerungszelle eine "Formung" der Kurven der Auslösezeit als Punktion der Überlastung für einen eingebauten Schalter zu erhalten. Dies ist von Bedeutung, wenn ein Problem der Koordination von Abschaltungen, die von verschiedenen Schaltern einer gleichen geschützten Einrichtung ausgeführt werden, besteht·

Das Schaltbild der Pig· 3 weist gleichermaßen einen Widerstand 20 auf, der einen mit dem Parallelzweig der Verzögerungszelle verbundenen Verlustzweig bildet· Dieser Verlustzweig ist dazu geeignet, die Leistungen der Vorrichtung zu verbessern, insbesondere durch Vermeidung der Scheitelgleichrichtung und durch Verringerung der Wirkung der möglichen Veränderungen, als Punktion der Temperatur, der Spannung und der Fehlerströme, welche ihrerseits die Diode mit Schwelle 9 vor ihrer Zündung durchschalten kann.

909884/0534 "

BAD

Fig. 4 zeigt eine kombinierte Schutzvorrichtun₀ gegen die Überströme, verbunden mit einer Differential-Schutzvorrichtung eines bereits bekannten Qiyps gegen die Erdschlüsse. Jede Speiseleitung 1, 2 weist jeweils eine Serienv/icklung 11-12 auf, welche die Holle der Primärwicklung eines Differentialtransformators 13 spielt. Dieser Transformator besitzt gleichermaßen eine Sekundärwicklung 14, die auf den von den Wicklungen 11 und 12 herrührenden differentiellen Fluß anspricht. Diese Wicklung 14 dient, über einen Gleichrichter 15_f zur Ladung des von dem Kondensator 6 gebildeten Speicherorgans. Die Funktion des Verzögerungskondensators wird hier von einem getrennten Kondensator 17 ausgeführt, eine mittels Diode gerichtete Kopplung, verwirklicht durch eine Diode 18, und ein Widerstand 19 sind zwischen dem Verzögerungskondensator 17 und dem Speie her kondensator 6 vorgesehen.

Diese Vorrichtung "besitzt in erster Linie den /orteil, daß die Kapazität des Speicherkonuensators 6 gering bleiben kann· Dies ermöglicht den im Falle von Erdschlußströmen immer erwünschten schnellen Betrieb. Die Kapazität des Verzögerungskondensators 17 kann z.B. 50mal höher sein als diejenige des Kondensators 6, wodurch der Widerstand 7 sehr stark verkleinert werden kann, was die Schaltung viel weniger temperaturempfindlich macht. Das Vorhandensein der Diode 18 verhindert, daß die Differential-Schutzvorrichtung

BAD ORIGINAL

909884/0534

' den Kondensator 17 lädt und auf diese Weise die Verzögerung des Schutzes gegen die Überströme beeinflußt. Der Widerstand 19 begrenzt andererseits den Entladestrom des Kondensators 17 in der Erregerwicklung des Relais 10, wenn die Diode 9 leitend wird.

Die verschiedenen Ausführungsformen der Schutzvorrichtung gegen die Überlastungen, gleichgültig, ob sie mit einer

/ Schutz-Differential-/iTorrichtung verbunden sind, wurden nur für

einen gegebenen fiennstrom beschrieben· Die Mehrfacheichung der vorgeschlagenen Schaltungen kann auf einfache Weise erhalten werden, s.B. durch Spannungsanschlüsse an der Sekundärwicklung des Transformators 5, Veränderung der Stärke eines Luftspalts, Shunts an den Primärwicklungen, Shunts an der Sekundärwicklung·

Diese letztere, besonders interessante Lösung wurde in Fig. 5 dargestellt,

Ein Umschalter 22, der einen toten Kontakt für den Grundwert besitzt, ermöglicht das Anschalten von Hiniaturwiderständen geringer Leistung, wie 23, 24 und 25ι an die Klemmen der Sekundärwicklung 5 · Jeder dieser Widerstände besitzt eine verschiedene Größe, mit Eerten in der Größenordnung von einigen 1000 Ohm und läßt eine geringe Belastung zu· Damit sind die von der Umschaltung herrührenden Kontakt-

909884/053A

widerstände relativ bedeutungslos·

Des weiteren kann uurcli diese Art der Mehrfacheichung dank eines kleinen Potentiometers 26, das ebenfalls ia liebenschluß der Sekundäi*wicklun_o i? des Str omtransf orma— tors liegt, eine Regelung verwirklicht werden, welche verschiedenen Schwellen und anfänglich verschiedenen Fehlerströmen der Dioden 9 mit Spannungsschwelle Rechnun/; trägt.

Es ist offensichtlich, daß diese verschiedenen Schaltungen einfach an eine mehrphasige Einrichtung, z.B. eine zweipiiasige, angepaßt -,.'eruen können, wie es in der Pig. 6 dargestellt ist.

Für jede Phase 1, 2 wird ein auf die Stromstärke ansprechendes Element, wie z.B. die Transformatoren 4-, vorgesehen. Die Sekundärspannungen werden durch die Gleichrichter 8 gleichgerichtet, bevor sie parallel in einen Kreis der vorher beschriebenen Art gegeben werden· Jede Phase besitzt ihr unabhängiges Regelorgan 26, und die Umschalter 22 werden dann in der Weise festgelegt, daß für alle geschützten Phasen die gleiche Regelgröße erhalten wird·

Des weiteren ist es möglich, bei der Messung, bei der die Stromtransformatoren 4 identische Ausgangscharakteristiken

909884/0534 bad original

besitzen, sei es durch Konstruktion oder durch Auswahl nach aer Konstruktion, die vorhergehende Schaltung dadurch zu vereinfachen, daß nur ein einzigea Regelorgan 26 und eine einzige Anordnung von Wiuerstänaen 23» 24, 25 verwendet wird, welche dann hinter dem gemeinsamen Verbinaungspunkt aer Dioaen 8 angebracht werden·

Auf diese Weise kann eine einheitliche Rebelling erhalten v/erden, obgleich aie Vorrichtung meiiri>Qli_o sein kann·

Inabesondere bei Verwendung von klasaiscnen Schaltungen kann die Vorrichtung bei anaeren Parametern ansprechen, wie bei Unterstromstärke, Über~ oder Unterspannung·

- Patentansprüche -

909884/0534

BAD

Claims (1)

1. Patentansprüche

   M ,^Vorrichtung zum Schutz elektrischer Kreise mit einen Schalter, der von einem auf Überlastungen ansprech.eiiu.en Auslöserelais gesteuert wird, dadurch ,^ekennzeichnet, daß die Erregerwicklung dieses Auslöserelais über einen elektronischen Schalter mit Schwelle mit den Kleoiaen eines elektrischen Speicherorgans verbunden ist, welches von mindestens einem Stromtransformator über einen Gleichric^cer unu eine Verzögerungszelle gespeist wird.

   2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge^ennzeiciiii e t, daß die Yerzögerungszelle voji Typ .·idt^stands—Serienzweig und kapazitivem Parallelzweig ist und aas Speicherorgan einen im Parallelzweig angeordneten Kondensator und mindestens ein im Sörienzweig angeordnetes nichtlineares Element aufweist·

   3β Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeicun e t, daß der Serienzweig der Verzögerungszelle einen linearen Widerstand aufweist, dem ein nichtlineares Element, Zenerdiode oder VDR, parallelgeschaltet ist.

   4·· Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ,ς e kennzeichnet, daß ein Element mit; Schwelle, vom 5?yp Zenerdiode, in den Serienzweig der Verzögerun^szelle eingefügt ist.

   909 88 4/053* bad original

   ^r,o Vorrichtung uacli einen aer vorhergehenden Ansprüche, ^ekennze icfc.net durch die Verbindung eines Verlustzweiges .al ο uen Parallelzweig der Verzögerungszelle.

   6β Vorrichtung liacn einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch _o e k e η η ζ e ichnet, daß an den Klemmen des Speicherorgans, parallel zum Anlegekreis des Überlastungssignals, ein zweiuer Anlegekreis eines Schutzsignals gegen die Erdsclilußströ..' aiigeordnet ist, wobei dieser Kreis einen Di-Terentialtrc-iSforinator und einen Gleichrichter besitzt.

   7β Vorrichtun, isum kombinierten Schutz nach Anspruch 6, daaijrch j e ji e nnzeichnet, daß die Verzögerim^szelle mit einem von dem Speicheror^an verschiedenen Konuexisator ausgerüstet ist, und daß eine durch Diode gerichtete Kopplung zwischen aer Yerzögerungszelle und dem Speir leroigan hergestellt ist.

   8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e kennz eicline t, daß eine Mehreichung ausgeführt iüö lurch die Anordnung von veränderlichen Shunts an uen Klemmen der Sekundärwicklung der Stromtransformatoren·

   y. Vorrichtung nacn Anspruch 8_f dadurch gekennzeich*- : e o, daß die veräjiderlichen Shunts durch die Parallelschaltung eines koi inuierlich regelbaren Potentiometers mit einer Heine von fest, ^n Shunts, die mit einem Kontaktwähler verbun-Gen sind, aus_oeführt sind*

   809384/OS3* _0R,_0WAL

   10, Vorrichtung nach Anspruch 9» angewendet in einer mehrphasigen Einrichtung, dadurch gekennzeichn e t, da.? ein einziger veränderlicher Shunt für die
   Stromtransformatoren der verschiedenen Phasen verwendet wird, wobei dieser gemeinsame Shunt mit den Jeweiligen Sekuncärwicklungen der Transformatoren durch mittels Diode gerichtete Verbindungen verbunden ist«

   BAD ORIGINAL

   909884/063*