DE2931440C2

DE2931440C2 - Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektrischen Starkstromkreises gegen Überlastung

Info

Publication number: DE2931440C2
Application number: DE2931440A
Authority: DE
Inventors: Shigenori Nagoya Hotta
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-08-08
Filing date: 1979-08-02
Publication date: 1985-08-29
Also published as: IT1122669B; CH648704A5; GB2028035B; DE2931440A1; JPS5840750Y2; FR2433232A1; BR7808103A; SE7906664L; JPS5524791U; IT7924836A0; NL7905476A; FR2433232B1; GB2028035A; SE444879B; US4240123A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektrischen Starkstromkreises gegen Überlastung mit einer Vielzahl von Iastseitigen Zweigstromkreisunterbrechern, mit einer stromquellenseitigen Reihenschaltung aus einem Hauptstromkreisunterbrecher und einer Strombegrenzungseinrichtung und mit einem Auslösemechanismus für den Hauptstromkreisunterbrecher. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 25 03 523 bekannt.

Aus der DE-OS 19 52 582 ist es weiterhin bekannt, einen Schaltkreisunterbrecher mit einer Verzögerungszeit anzusteuern.

Ein System mit einer derartigen Betriebscharakteristik ist jedoch schwierig für den Bereich hoher Ströme auszulegen, da der Hauptunterbrecher dazu eine hohe Stromkapazität und Belastbarkeit haben muß.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, die bekannte Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie für extrem hohe Fehlerstromstärken von bis zu 200 kA einsetzbar ist, ohne daß Stromunterbrecher mit einer verglcichsweise hohen Strombelastbarkeit und Kapazität verwandt werden müssen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Hauptstromkreisunterbrecher eine Meßeinrichtung zum Messen des Stromes im Haupt-Stromkreis sowie eine Steuereinrichtung umfaßt, die auf diis Alisgangssignal der Meßeinrichtung ansprechend den Auslösemechanismus für den Hauptstromkreisunterbrecher bei einem kleinen Fehlerstrom mit einer sich gegensinnig zum Fehlerstrom ändernden Verzögerungszeit und bei einem über einem vorbestimmten Schwellenwert liegenden Fehlerstrom mit einer voreingestellten konstanten Verzögerungszeit ansteuert, und die Strombegrenzungseinrichtung eine Parallelschaltung aus einer Permanentsicherung und einem Widerstand umfaßt, wobei das Innenelement der Perman~ntsicherung aus Natrium besteht.

Da bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Strombegrenzungseinrichtung aus einer Permanentsicherung und einem dazu parallel geschalteten Widerstand aufgebaut ist, fließt unter normalen Umständen zunächst der gesamte Strom über die Permanentäicheruiig, da deren Widerstandswert im Vergleich zu dem des Widerstandes klein ist. Wenn ein Kurzschluß auftritt, ändert sich die Phase des Natriums, das das Innenelement der Permanentsicherung bildet, so daß die Permanentsicherung einen hohen Widerstand darstellt und somit der Strom über beide Widerstände, nämlich die Permanentsicherung und den Widerstand fließt. Dadurch ergibt sich eine Begrenzung der Strombelastung und des dynamischen Stromes, der durch den Hauptstromkreisunterbrecher fließt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet sicher bis zu Stromstärken von 200 kA, wobei aufgrund der Strombegrenzung handelsüblicher Unterbrecher mit einer Stromkapazität von beispielsweise 10 bis 20 kA verwandt werden können, wie sie auch bei den bekannten Schaltungr.snordnungen vorgesehen sind.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung umfaßt vorzugsweise die Meßeinrichtung eine Schaltung zur Umwandlung des Fehlerstromes in ein entsprechendes Spannungssignal.

Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die Steuereinrichtung eine Halbleiterschaltung.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispie; der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine bekannte Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektrischen Starkstromkreises gegen Überlastung.

Fig.2 die Betriebscharakteristik der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung,

F i g. 3 und 4 die Betrie'oscharakteristika bekannter Schaltungsanordnung mit erweitertem Bereich der selektiven Stromunterbrechung,

Fig. 5 in einem Blockschaltbild das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 6 das Schaltbild des Hauptunterbrechers des in Fig.5 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 7 die Strombegrenzung bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 8 die Betriebscharakteristik des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und

Fig. 9 in einem Detailschaltbild ein Ausführungsbeispiel des Hauptunterbrechers bei der in Fig.5 dargestellten Schaltungsanordnung.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist es bekannt, bei einem Starkstromkreis einen Hauptstromkreisunterbrechcr M vorzusehen, der mit der Stromquelle verbunden ist. Es sind weiterhin lastseitige Zweigstromkreisunterbrecher Fi. Fi, ... F_n vorgesehen. Bei der bekannten in Fig. I dargestellten Schaltungsanordnung muß beim Auftreten eines Kurzschlusses in einem Iastseitigen Zweig-

Stromkreis ein Zweigstromkreisunterbrecher F_n betätigt werden, bevor der Hauptstromkreisunterbrecher M unterbrochen wird, so daß eine fortgesetzte Einspeisung des Stromes in die fehlerfreien Zweigstromkreise erfolgen kann und nur der fehlerhafte Zweigstromkreis unterbrochen wird. Daher ist der Hauptstromkreisunterbrecher M derart aufgebaut, daß er bei einem großen Unterbrecherstrom, der giößer als die Unterbrechersiröme der Zweigstromkreisunterbrecher Fi, F2... F_n ist, unterbrochen wird. Der Hauptstromkreisunterbreeher M kann durch diesen großen Unterbrecherstrom auch in Verbindung mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit betätigt werden.

Ais Hauptstromkreisunterbrecher für den Kurzschlußstrom einer bekannten Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektrischen Starkstromkreises gegen Überlastung wird beispielsweise ein thermischer Bimetallauslösemechanismus oder ein elektromagnetischer Auslösemechanismus verwandt. Es ist bei den bekannten Schaltungsanordnungen jedoch nicht möglich, für eine selektive Unterbrechung in allen Fehlerstrombereichen zu sorgen. F i g. 2 zeigt die Betriebscharaktwistik des Hauptstromkreisunterbrechers M und eines Zweigstromkreisunterbrechers Fi bei einem Kurzschluß in dem Zweigstromkreis, in dem der Zweig-Stromkreisunterbrecher Fj liegt Im Bereich großer Ströme wird der Hauptstromkreisunterbrecher M gleichzeitig mit dem Zweigstromkreisunterbrecher Fi betätigt, so daß der Bereich mit selektiver Unterbrechung auf kleine Ströme beschränkt ist

Es ist weiterhin eine Schaltungsanordnung mit der in F i g. 3 dargestellten Charakteristik bekannt Bei dieser Schaltungsanordnung weist der Hauptstromkreisunterbrecher Mein Auslöseverhalten mit zeitlich verzögerter Betätigung auf. Dadurch wird eine selektive Unterbrechung in einem bestimmten Fehlcrstrombereich erzielt. Dieser Bereich der selektiven Unterbrechung ist jedoch auf relativ kleine Ströme von beispielsweise 10 bis 20 kA begrenzt.

Es ist weiterhin eine Schaltungsanordnung mit der in Fi g. 4 dargestellten Betriebscharakteristik bekannt, die dazu dient, auch in Bereichen großer Ströme eine selektive Unterbrechung herbeizuführen. Dabei wird jedoch die Gesamtunterbrecherzeit t des Hauptunterbrechers M stark verlängert, so daß sie über der zulässigen Grenze von Pt (I — UnterbrecherstromJ der Belastbarkeit des Hauptstromkreisunterbrechers M liegt. Um ein Überschreiten des zulässigen Grenzwertes Pt zu verhindern, muß daher die Unterbrecherzeit t des Hauptstromkreisunterbrechers M begrenzt werden. Das verringen die Brauchbarkeit einer derartigen Schaltungsanordnung ^;n der Praxis.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Hauptsifornkreisunterbrecher M, einer Permanentsicherung FFund einem Widerstand R. Die Permanentsicherung FFund der Widerstand R sind parallel geschaltet und bilden eine Strombcgrenzungseinrichtung. Es sind weiterhin Zweigstromkreisunterbrecher Fi, F₂... F_n vorgesehen. Der Hauptstromkreisunterbreeher M hat den in F1 g. 6 in Form eines Blockschaltbildes dargestellten Aufbau. Die in Fig.6 dargestellte Schaltung umfaßt stromquellenseitige Anschlüsse 1 und lastseitige Anschlüsse 2 sowie einen Schaltmechanismus 3 und eine Auslösespule 4 und ferner einen Stromtransformator 5, der einen Zwischenstromtransformator 51 umfaßt. Ferner sind eine Maximalstrom-Detektorschaltung 6, ein Vollweggleichrichter 7, ein Spannungssensor 8, eine Langzeitgeberschaltung 9, eine Kurzzeitgeberschaltung 10 und eine Triggerschaltung 31 vorgesehen.

Im folgenden soll die Arbeitsweise des Ausführungs beispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beschrieben werden. Der Strom jeder Phase fließt im Hauptstromkreis zwischen den Anschlüssen 1 und 2. Dieser Strom wird durch die Primärseite des Stromtransformators 5 erfaßt Auf der Sekundärseite fließt z. B. ein Strom von 5 A, wobei dieser Strom durch den Zwischenstromtransformator 51 auf 50 mA verringert wird. Dieser verringerte Strom in der Größenordnung von Milliampere wird in die Maximalstrom-Detektorschaltung 6 eingespeist Dort wird der Maximalstromwert in jeder Phase erfaßt Anschließend erfolgt eine Vollweggleichrichtung durch den Gleichrichter?, wobei der gleichgerichtete Strom in den Spannungssensor 8 eingespeist wird, der das Eingangssignal in ein Spannungssignal umwandelt das als Betätigungssignal an der Langzeitgeberschaltung 9 und der Kurzzeitgeberschaltung 10 liegt Wenn das Spannungssignal sehr groß ist, d. h. wenn ein großer Überstrom ciirch den Hauptstromkreis fließt, wird die Kurzzeitgebccschaltung 10 derart betätigt, daß diese ein Triggersignal an die Triggerschaltung 11 legt Wenn der Überstrom nicht se groß ist, so wird die Langzeitgeberschaltung 9 betätigt so daß dieu; ein Triggersignal an die Triggerschaltung 11 legt

Wenn die Triggerschaltung 11 betätigt wird, wird die Auslösespule 4 erregt und der Schaltmechanismus 3 geöffnet, so daß der Stromkreis unterbrochen wird.

Im folgenden werden die Maximalstrom-Detektorschaltung 6, der Spannungssensor 8, die Langzeitgeberschaltung 9 und die Kurzzeitgeberschaltung 10 näher beschrieben.

Wie in Fig.9 dargestellt, umfaßt die Maximalstrom-Detektorschaltung 6 drei Diodenbrücken für jede Phase des Hauptstromkreises, wobei die Diodenbrücken so in Reihe geschaltet sind, daß der Maximalstrom durch den Spannungssensor 8 fließt. Im Spannungssensor 8 wird der Maximalstrom durch die Widerstände R]. Ri, Rt in eine entsprechende Spannung umgewandelt. Das Umwandlungsverhältnis des Maximalstromes in die entsprechende Spannung kann durch Verwendung eines variablen Widerstandes, beispielsweise als Widerstand R2, variiert werden. Dadurch kann der Mennstrcm des Stromunterbrechers eingestellt werden.

Die Langzeitgeberrchaltung 9 umfaßt eine Z-Diode Zt und Transistoren Qs, Qt. Wenn das Spannungssignal des Spannungssensors 8 im Normalzustand einen niedrigen Pegel hat, so ist der Transistor Qs durchgeschaltet, während der Transistor Q_b sperrt und somit kein Spannungssignal an der Triggerschaltung 11 iiegt Wenn irr. nicht normalen Zustand uer Pegel des Spannungssignaleo über dem Basispotential des Transistors <?₅ liegt, so sperrt der Transistor Q-, und ist der Transistor Q_b durchgeschaltet, so daß eine Aufladung des Kondensators C₂ beginnt. Wenn die Ladespannung des Kondensators C₂ einen bestimmten Wert erreicht, wird die Triggerschaltung U angesteuer.

Die Aufladegeschwindigkeit des Kondensators C₂ wird durch die Spannung des Spannungssensors 8 geändert, so daß eine umgekehrte Zeitcharakteriitik erhalten wird. Das heißt, daß mit steigendem Spannungssignal der durch den Transistors Qt fließende Strom erhöht wird, während c;e. Zeit der Abgabe des Signales an die Triggerschaltung 11 verkürzt wird.

Wenn das Spannungssignal des Spannungssensors 8 über einen vorbestimmten Pegel ansteigt, kommt in der

Kurzzeitgeberschaltung 10 die Z-Diode Z₅ in den durchgeschalteten Zustand, wobei gleichzeitig der Transistor Q\n durchschaltet und somit ein Strom über den Widerstand Λ,? und die Diode D₂₃ fließt, wodurch der Kondensator G aufgeladen wird. Der Ladestrom wird durch eine Konstantspannungsquelle, die durch eine Z-Diode Zio gebildet wird, geliefert, so daß die Ladezeit konstant ist. Sobald die Aufladung des Kondensators C₈ beendet ist, wird das Signal an die Triggerschaltung 11 ausgegeben, ,n

Die Triggerschaliung 11 umfaßt einen steuerbaren Transistor mit pn-übergang Q₇ und einen Thyristor Q₁. Wenn die Lu despannung des Kondensators C; oder des Kondensators C« in der Triggerschaltung einen vorbestimmten Spannungswert erreicht, wird der Transistor ι > Qi durchgeschaltet und der Thyristor Q, gezündet, so daß ein Strom durch die Auslösespule 4 fließt. Dadurch wird der Auslösemechanismus betätigt und der Hatiptstromkreisunterbrecher Mgeöffnet.

Im Normalzustand fließt andererseits der Strom vom Hauptstromkreisunterbrecher M durch die Permanentsicherung PF und durch die Zweigstromkreisunterbrecher F], Fj... F_n zu den Lasten. Der Widerstandswert ist derart gewählt, daß der Strom im wesentlichen nicht durch den Widerstand R fließt. Wenn ein Kurzschluß im Stromkreis des Zweigstromkreisunterbrechers F\ auftritt, so ändert das aus Natrium bestehende Innenelement der Permanentsicherung PF seine Phase. Durch diesen Fehlerstrom /,,„„ wird die Phase des Natriums in der Reihenfolge fest — flüssig — gasförmig geändert, so jo daß die Permanentsicherung PF einen sehr hohen Widerstandswert bekommt und dadurch eine Strombegrenzung erfolgt. In diesem Fall wird gemäß Fi g. 7 der Fchlerstrom auf den sirombcgrcnztcn Spitzenwert l,,u begrenzt, und zwar durch die Permanentsichcrung PF. Der Widerstandswert der Permanentsicherung PFIiegt über dem Widerstandswert des Widerstandes R. der dazu parallel geschaltet ist. Der Fehlerstrom l_pm fließt durch den Widerstand R und die Permanentsicherung PF, während der Strom /_p/r als dynamischer Strom fließt.

Auf diese Weise wird der Fehlerstrom durch die Strombegrenzungseinrichtung begrenzt. Wenn der Fehlerstrom von 200 kA auf 10 bis 20 kA begrenzt wird, können ein Hauptstromkreisunterbrecher A-/ mit einer Stromkapazität von 10 bis 20 kA und Zweigstromkreis- 45 unterbrecher Fi, F₂... F_n mit ähnlicher Stromkapazität für die selektive Stromunterbrechung, und zwar für einen hohen Fehlerstrom von bis zu 200 kA verwandt werden. Dadurch wird die gleiche Wirkung wie bei einer Erweiterung des Bereiches selektiver Unterbrechung $0 erzielt. Darüber hinaus wird die Gesamtunterbrecherzeit des Auslösemechanismus des Hauptstromkreisunterbrechers verzögert, so daß eine selektive Unterbrechung erzielt wird und der selektive Unterbrechungsbereich erweitert wird. Anstelle des beschriebenen Haupt- 55 siromkreisunterbrechers kann auch ein Niederspannungs-Luftunterbrecher oder ein Vakuumunterbrecher verwandt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 60

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektrischen Starkstromkreises gegen Überlastung mit einer Vielzahl von iastseitigen Zweigstromkreisunterbrechern, mit einer stromquellenseitigen Reihenschaltung aus einem Hauptstromkreisunterbrecher und einer Strombegrenzungseinrichtung und mit einem Auslösemechanismus für den Hauptstromkreisunterbrecher, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstromkreisunterbrecher (M) eine Meßeinrichtung (6 bis 8) zum Messen des Stromes im Hauptstromkreis sowie eine Steuereinrichtung (9,10) umfaßt, die auf das Ausgangssignal der Meß- is einrichtung (6 bis 8) ansprechend den Auslösemechanismus (11) für den Hauptstromkreisunterbrecher (M) bei einem kleinen Fehlerstrom mit einer sich gegensinnig zum Fehlerstrom ändernden Verzögerungszeit und bei einem über einem vorbestimmten Schwellenwert liegenden Fehlerstrom mit einer voreingestellten konstanten Verzögerungszeit ansteuert, und daß die Strombegrenzungseinrichtung eine Parallelschaltung aus einer Permanentsicherung (PF) und einem Widerstand (R) umfaßt, wobei das Innenelement der Permanentsicherung (PF) aus Natrium besteht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (6 bis

8) eine Schaltung (8) zur Umwandlung des Fehlerstromes in ein mitsprechendes Spannungssignal umfaßt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dali die Γ feuereinrichtung (9,10) eine Halbleiterschaltung ist.