DE2148581B2 - Schaltungsanordnung in elektrischen Versorgungsnetzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung elektrischen Versorgungsnetzen mit Leistungshaltcrn in verschiedenen Ebenen, die selektiv geaffclte Auslöseeinrichtungen aufweisen, mit :hmclzsicherungen in der letzten Eibene vor den erbrauchern.

Das selektive Verhalten von Schutzschaltern mit cherungen ist z. B. in der Zeitschrift »Elektro-Techk« vom 14. September 63, Nr. 25, Seiten 499 und Ml, beschrieben. Es wird davon ausgegangen, daß an, wenn man die Selektivitätsbedingungen zwischen Schutzschalter und Sicherung naher betrachten will zunächst grundsätzlich unterscheiden muß, ob die Sicherung vor oder nach dem Schalter angeordnet ist. Liest die Sicherung vor dein Schutzschalter, dann

dient sie fast immer als sogenannte Vorschaltsicherung Mit Hilfe von Vorschaltsicherungen können Schutzschalter an Netzstellen eingesetzt werden, an denen Kurzschlußströme erwartet werden, die das Nennausschaltvermögen der Schalter überschreiten.

ίο Um das ordnungsgemäße Zusammenarbeiten von Schutzschalter und Vorschaltsicherung zu gewährleisten, müssen die Eigenschaften beider Schutzorgane sorgfältig aufeinander abgestimmt sein. Bei der Staffelung zwischen einem Schutzschalter und einer nach-

geordneten Sicherung muß die Gesamtausschaltzeit der Sicherung kürzer als die Befehlsmindestzeit des Schutzschalters sein. Man hat also die stromabhängige Charakteristik der Sicherung mit der Auslösekennlinie des Schutzschalters zu vergleichen. Die selektive

ao Staffelung setzt voraus, daß der von der Sicherung noch durchgelassene Strom das elektromagnetische Auslöseglied noch nicht zum Ansprechen bringt. Die Folge dieser Wirkungsweise ist, daß die selektive Staffelung einer nachgeordneten Sicherung mit nicht ver-

»5 zögerten Schnellauslösern eines Schutzbehälter nur bei genügend großem Abstand der Strom-Zeit-Auslösekennl-nien erwartet werden kann. Daraus ergibt sich, daß die Größe der Schmelzsicherung wegen des nicht verzögerten Schnellauslösers maximal in ihrem

Nennstrom wesentlich kleiner ausgelegt werden darf als der Netzstrom des Schnellauslösers, um über dem gesamten Überlastbereich eine volle Selektivität zu

erhalten. Dies ist jedoch sehr unwirtschaftlich.

Bisher wurden für elektrische Bordnetze auf Schiffen oft auch Schalter und ihre Betätigung speziell entwickelt und konstruiert, damit diese bei den verschiedenen Umwelteinflüssen wie z.B. Schock- und Rüttelbeanspruchungen keine Störungen des elektrischen Betriebes verursachen. Dieses Konzept, das wegen der im Verhältnis zur allgemeinen industriellen Fertigung zu kleinen Stückzahlen von speziellen Gleichstrom- und Drehstromtypen führt, ist aufwendig.

Die Überstromauslösung der in verschiedenen Ebenen eines elektrischen Stromversorgungsnetzes, insbesondere eines Schiffs-Bordnetzes, angeordneten Schaltgeräte und Schmelzsicherungen müssen den Anforderungen nach Selektivität entsprechen, damit Überlastungen und Kurzschlüsse nur den betreffenden Teil des Netzes abschalten. Die höchstzulässigen Auslösezeiten ergeben sich für den Generator nach den Anforderungen des Generatorschutzes. Bei Drehstromgeneratoren und Transformatoren ist die durch Überstrom hervorgerufene Erwärmung dahingehend zu berücksichtigen, daß bereits unterhalb kritischer Grenzwerte ausgelöst wird. Bei Gleichstromgeneratoren ist zusätzlich bei höheren Überströmen, z. B. oberhalb des fünffachen Nennstromes, bereits mit einer sehr kurzen Auslösezeit abzuschalten, um einen Überschlag zwischen den Kohlebürsten zu verhindern, der bei Kolleklorrundfeuer nach ausreichender Ionisierung der Luft entsteht.

Die in den nachfolgenden Ebenen des Netzes vorgesehenen Schaltgcräte und Schmelzsicherungen bis zu den Verbrauchern hin müssen wegen Selektivität eine gestaffelte, abnehmende Auslösezeit aufweisen. Die bisherigen stromabhängig wirkenden Auslöseeinrichtungen, wie sie an Leistungsschaltern mit Birne-

tallauslöser und Kurzschlußschnellauslöser und an Schmelzsicherungen mit annähernd logarithmischen Abschaltkennlinien vorkommen, ergeben noch keine optimale Ausnutzung und Belastungsmöglichkeit des Netzes, weil der Verlauf ihrer jeweiligen Auslösekennlinie sehr unterschiedlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung listenmäßiger Schaltgeräte und einer zugeordneten Schaltungsanordnung eine stromzeitabhängige Auslösung zu verwirklichen, die einerseits eine optimale Belastung des Stromversorgungsnetzes, und andererseits eine größere Unempfindlichkeit gegen mechanische Umwelteinflüsse ermöglicht, wie sie z.B. an Bord eines Schiffes auftreten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein dem bei jedem Leistungsschalter zu überwachenden Hauptstrom entsprechendes normiertes Spannungssigna! mit einer stabilisierten Spannung als Sollwert für die Schwelle vergleichbar ist, daß das Spannungssignal erst bei Überschreien des Sollwertes eine einem Leistungsschalter zugeordnete elektrische Meß- und elektronische Auswerte- und Auslöseeinrichtung mit einer vom Hauptstrom abhängigen, logarithmischen Strom-Zeit-Auslösekennlinie wirksam werden läßt und daß die Auswerteeinrichtung ein Auslösesignal erzeugt, das als Auslösekennlinic darstellbar ist, die von einer verhältnismäßig langen Auslösezeit im Bereich des Nennstromes bei geringen Überströmen bis in den hohen Überstrombereich, beispielsweise bis lüfachen Nennstrom, mit sehr kurzer Auslösezeit reicht.

Ein Vorteil der Erfindung liegt neben der einfachen Ersatzteilbeschaffung und Lagerhaltung darin, daß die Strom-Zeit-Auslösekennlinien dicht nebeneinander liegen. Hierdurch wird eine große Wirtschaftlichkeit erreicht. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Schaltungsanordnungen in Form von Elektronik-Bausteinen verwendet werden können, mit denen bei einheitlichem Aufbau eine Anpassung an verschiedene Aufgaben (z.B. als Motorschutzschalter, Verbrauchergruppen- oder Generatorschalter) möglich ist. Außerdem besteht die Möglichkeit, die gleichen listenmäßigen Schaltgeräte in Industrieanlagen und auf Schiffen einheitlich zu verwenden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Sollwert für die Schwelle zur Vorgabe der selektiven Staffelung der Strom-Zeit-Auslösckennlinien zu größeren Auslösezeiten hin veränderbar einstellbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das mit dem Sollwert für die Schwelle verglichene Spannungssignal vor der Auswerteeinrichtung eine weitere veränderbare Einstellung »Trägheit« erhält, die die Wirkung des Spannungssignals auf die Auswerteeinrichtung derart beeinflußt, daß damit eine veränderbare Einstellung der Strom-Zeit-Auslösekennlinie zu höheren Strömen hin bewirkt wird.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann das Ausgangssignal der mit einem veränderbaren Zeitglied versehenen Auswerteeinrichtung über ein weiteres Zeitglied mit konstanter Zeit in ein Auslösesignal für den Leistungsschalter umgewandelt werden, wobei die konstante Zeit dts Zeitgliedes einstellbar ist, um im untersten KcnnlinJenbereich, d.h. bei hohen Überströmen, eine selektive Kennlinieneinstellung zu ermöglichen. Beträgt die Eigenzeit z. B. 80 bis 100 ms je Schalter, so kann im unteren Kennlinienbereich durch das nachgeschaltete Zeitglied eine selektive Staffelung von 150, 300 und 450 ms vorge sehen werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 verschiedene Auslösekennlinien in doppell logarithmischer Darstellung,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für die stromabhängige Auslösung mit spezieller mehrfach einstellbarer Auslösemöglichkeit,

die F i g. 3 a, 3 b und 3 c die Auswirkungen der verschiedenen Einstellmöglichkeiten in doppelt logarithmischer Darstellung, wobei in Fig. 3 a die Einstellung »Schwelle«, in Fig. 3b die Einstellung »Trägheit«

und in Fig. 3c die Einstellung »Zeit« als Auslösezeil bei hohen Überströmen dargestellt ist, und

Fig. 4 eingestellte Strom-Zeit-Auslösekennlinien verschiedener Leistungsschalter im Netz, hier für ein Schiffsdrehstromnetz.

In Fig. 1 ist mit 1 eine bereits voreingestellte Strom-Zeit-Auslösekenniinie eines Leistungsschalters angegeben, die der Netz- und Generatorbelastung optimal angepaßt ist. Diese Anpassung wurde mit den Einstellmöglichkciten gemäß der Fig. 3 a, 3 b und 3 c

vorher herbeigeführt. In Fig. 1 zeigen die Kennlinien 2 und 3 Strom-Zeit-Auslösekennlinien von Schmelzsicherungen etwa nach dem nonr.ungsgemäßen Verlauf, wobei die Sicherung mit der Kennlinie 2 eine höhere Nennstromstärke aufweist als die Schmelzsicherung mit der Kennlinie 3. Beide Sicherungen sind gegenüber der Auslösekennlinie des elektronischen Bausteins selektiv, d. h. sie wurden bei allen möglichen gemeinsamen Überlastungen zeitlich früher auslösen. Mit 4 ist eine Strom-Zeit-Auslösekennlinie bezeichnet, die die Überstrom- und Kurzschlußauslösung bisheriger Leistungsschalter in einem typischen Beispiel zeigt. Der schraffierte Teil 4 a gibt dabei den von der Umgebungstemperatur abhängigen Auslösebereich eines Bimetallauslösers bei geringen Überströmen an. Der Kennlinienteil 4b kennzeichnet den Kurzschlußschnellauslöser bei hohen Überströmen. Die Kennlinie 5 zeigt die bisher übliche Strom-Zeit-Auslösekennlinie auf Schiffen, wobei der unterste Auslösepunkt 5a in einem eingeengten Bereich

durch die Klassifikationsvorschrift festgelegt ist. Dieser Punkt 5a kann z. B. auf das 2,5fache des Generatornennwertstromes eingestellt sein.

Will man in den verschiedenen Ebenen des Stromversorgungsnetzes im gesamten Überstrombereich

eine selektive Auslösung beibehalten, um Überlastungen und Störungen im Netz nur noch auf den betroffenen Teil zu beschränken und andere Netzteile unberührt und damit in Betrieb zu lassen, so ist es erforderlich, bei Anwendung bisheriger Schalteinrichtungen die maximale Größe der nachgeschalteten Schmelzsicherungen auf kleinere Werte zu begrenzen, damit deren Kennlinien nicht die Strom-Zeit-Auslösekennlinien 4 und 5 schneiden. Hierbei wird das Netz und der Generator nicht optimal ausgenutzt bzw. beansprucht. Verwendet man demgegenüber eine Strom-Zeit-Auslösekennlinie entsprechend der Kennlinie 1, die den erforderlichen Bedingungen stufenlos anpaßbar ist, so ergibt sich eine bessere ausnutzungsmöglichkeit für Netz und Generator. Äußeres dem besteht die Möglichkeit, die maximale Größe nachgeschalteter Schmelzsicherungen auf wesentlich höhere Werte festzulegen.

Der Schaltunüsanordnune in Fi p. 2 wird über

eine zeichnerisch nicht dargestellte Meßschaltung (Wandler oder Shunt), die einen gemessenen Strom in ein normiertes Spannungssignal 6 von z. B. 1 Volt = 1 X Nennstrom, 10 Volt = 10 X Nennstrom umwandelt, ein normiertes Spannungssignal 6 über einen Bewertungswiderstand r₍, in die Schaltungsanordnung gegeben. Dieses Spannungssignal wird zunächst mit einer konstanten Spannung über einen Bewertungswiderstand r₅ verglichen, die an einem Potentiometer r,,₀ als Sollwert für die »Schwelle« einstellbar ist. Dieser Vergleich bewirkt, daß nur Überströme oberhalb der Einstellung »Schwelle« in der Schaltungsanordnung wirksam werden. Bevor diese Vergleichsspannung der nachfolgenden Schaltungsanordnung zugeführt wird, erfolgt mit Hilfe eines Potentiometers r_M die Einstellung »Trägheit«, indem je nach Einstellung ein mehr oder weniger großer Betrag dieser Vergleichsspannung weitergegeben wird. Ein linearer integrierter Schaltkreis p, ist mit seiner Beschattung als integrator mit nichtlinearer Charakteristik wirksam. Bei e>nem oberhalb der Schwelle liegenden Eingangssignal 7 wird in einer Auswerteeinrichtung 8 über einen Kondensator Zc₅ ein Integrationsstrom 9 fließen, der sich aufteilt in den über einen Widerstand r,, fließenden Gegenkopplungsstrom 10 und in den über Dioden /i₄/n_s fließenden Ableitstrom 11. Das Verhältnis zwischen Gegenkopplungs- und Ableitungsstrom verschiebt sich dabei um so mehr in Richtung Ableitstrom, je größer das Eingangssignal 7 ist. Hieraus ergibt sich, daß die Zeitkonstante der Auswerteeinrichtung 8 um so kürzer ist, je höher das Eingangs signal 7 wird. Die Abhängigkeit ist nicht linear, sondern stark vom Kennlinienverlauf der Dioden η J n_s abhängig. Die Kennlinie kann zusätzlich durch eine Größenänderung eines Widerstands r,₄ geändert wer den. Der Temperaturfehlcr der Dioden njn_s wird durch in den Gegenkopplungsstrom 10 zusätzlich eingebaute Dioden η₂ίη_λ kompensiert.

Bei Anstehen eines Eingangssignals 7 bei Überstrom im Netz wird die Ausgangsspannung des integrierten Schaltkreises p, sich entsprechend der Beschaltung so lange verringern, bis diese Ausgangsspannung bei Null nicht mehr über eine Diode n_b auf den Integrationsteil der Auswerteeinrichtung 8 einwirkt. Zu diesem Zeitpunkt schaltet das Ausgangssignal des Schaltkreises p< praktisch unverzögeri zum entgegengesetzten Potential durch und bewirkt damit über eine Diode n₇ ein Auslösesignal 12 für ein nachgeschaltetes Zeitglied 13. Das Zeitglied wird mit Hilfe eines Potentiometers r_h4 auf eine konstante »Zeit« eingestellt. Nach Ablauf dieser verhältnismäßig kurzen Zeit (z.B. 0,1 bis 0,5 Sekunden) wird mit dem Auslösesignal 14 ein Leistungsschalter od. dgl. ausgelöst (Arbeitsstrom- oder Ruhestromauslösung am Leistungsschalter).

Die in den Fig. 3a bis 3c angegebenen Strom-Zeit-Auslösekennlinien und Einstellbereiche wurden mit Hilfe der Schaltung nach Fig. 2 durch Messung ftrmittelt. Wird zum Beispiel das Potentiometer r_f,„ von oben nach unten verstellt, so ändert sich die Einstellung »Schwelle« von dem Nennstrom auf das Zfache des Nennstromes. Man erkennt aus Fig. 3a,

ίο daß mit der Veränderung der Schwelle die Strom-Zeit-Auslösekennlinie besonders im oberen Bereich angehoben wird.

Wird das Potentiometer r_M von oben nach unten verstellt, so ändert sich die Einstellung »Trägheit«', d.h. die Steilheit der Strom-Zeit-Auslösekennlinie, im unteren Kenniinienbereich von dem 2fachen des Nennstromes auf das Sfache. Man erkennt aus Fig. 3b, daß damit eine ausreichende Anpassungsinöglichkeit an das Netz und die Generatorbelastungen gegeben ist.

Wird das Potentiometer r_M von oben nach unten verstellt, so ändert sich die Einstellung »Zeit« besonders bei hohen Überströmen (vergl. Fig. 3c,z.B. von 450 msec auf 150 msec). Man erkennt auf dieser Strom-Zeit-Auslösekennlinie, daß auch für diesen Bereich eine selektive Staffelung verschiedener Schaltgeräte im Netz hergestellt und durch entsprechende niedrige Einstellung auch Kurzschlüsse auf Gleichstromgeneratoren rechtzeitig ohne Überschlag

abgeschaltet werden können.

Aus Fi g. 4 ist die über den gesamten Bereich vorhandene Selektivität der Auslösung für die in den verschiedenen Ebenen des Netzes vorgesehenen Leistungsschalter ersichtlich. Die Strom-Zeit-Auslöse kennlinie eines Generator- oder Landanschlußschai ters ist mit 15, die Auslösekennlinie eines Überlci tungsschalters ist mit 16 und die Auslösekcnnlinic eines Verbrauchcrgruppenschalters ist mit 17 bezeichnet. Für ein derartiges Netz wird beispielsweise

die Einstellung »Trägheit« für alle Schalter konstant auf das 7,5fache des Nennstromes eingestellt, während in den zu jedem Schalter zugehörigen Elektronikbaustcinen die Einstellungen »Schwelle« und «Zeit« unterschiedlich vorgenommen werden.

Die Vorteile bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Strom-Zcit-Auslösekennlinien in den verschiedenen Ebenen des Netzes bleiben ebenso erhalten, wenn statt der den Endverbrauchern vorgeschalteten Schmelzsicherungen teilweise oder ganz selbst-

tätige Netz- und Geräteschutzschalter vorgesehen werden, da deren Strom-Zeit-Auslösekennlinien in der Regel unterhalb der Strom-Zeit-Auslösekennlinien von vergleichbaren Schmelzsicherungen liegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   I. Schaltungsanordnung in elektrischen Versorgungsnetzen mit Leistungsschaltern in verschiedenen Ebenen, die selektiv gestaffelte Auslöseeinrichtungen aufweisen, mit Schmelzsicherungen in der letzten Ebene vor den Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem bei jedem Leistungsschalter zu überwachenden Hauptstrom entsprechendes normiertes Spannungssignal (6) mit einer stabilisierten Spannung als Sollwert für die Schwelle vergleichbar ist, daß das Spannungssignal (6) erst bei Überschreiten des Sollwertes eine einem Leistungsschalter zugeordnete elektrische Meß- und elektronische Auswerte- und Auslöseeinrichtung (8) mit einer vom Hauptstrom abhängigen, logarithmischen Strom-Zeit-Auslösekennlinie wirksam werden läßt und daß die Auswerteeinrichtung (8) ein Auslösesignal (12) erzeugt, das als Auslösekennlinie (1) darstellbar ist, die von einer verhältnismäßig langen Auslösezeit im Bereich des Nennstromes bei geringen Überströmen bis in den hohen Überstrombereich, beispielsweise bis lOfachen Nennstrom, mit sehr kurzer Auslösezeit reicht.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für die Schwelle zur Vorgabe der selektiven Staffelung der Strom-Zeit-Auslösekennlinien (1) zu größeren Auslösezeiten hin veränderbar einstellbar ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Sollwert für die Schwelle verglichene Spannungssignal (6) vor der Auswerteeinrichtung (8) eine weitere veränderbare Einstellung »Trägheit« erhält, die die Wirkung des Spannungssignals (6) auf die Auswerteeinrichtung (8) derart beeinflußt, daß damit eine veränderbare Einstellung der Sirom-Zeii-Auslösekennlinie zu höheren Strömen hin bewirkt wird.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (12) der mit einem veränderbaren Zcitglied versehenen Auswerteeinrichtung (8) über ein weiteres Zeitglied (13) mit konstanter Zeit in ein Auslösesignal (14) für den Leistungsschalter umgewandelt wird, wobei die konstante Zeit des Zeitgliedes einstellbar ist, um im untersten Kennlinienbereich, d. h. bei hohen Überströmen, eine selektive Kennlinieneinstellung zu ermöglichen.