DE1074132B - Auslösest stern fur Wechselstromschaltgerate - Google Patents

Description

DEUTSCHES

In elektrischen Netzen gibt es im wesentlichen drei Anlässe zur Ausschaltung von Schaltgeräten, nämlich die willkürliche Abschaltung aus betrieblichen Gründen, wobei in der Mehrzahl der Fälle der Strom zwischen Null und etwa dem 1- bis l,5fachen Nennstrom liegt. Diese Art der Auslösung wird meist mit Hilfe eines Steuerschalters herbeigeführt, durch den die Auslösespule des Schalters unter Strom gesetzt wird. Es ist aber auch möglich, den Schalter mechanisch durch Lösen einer Verklinkung auszuschalten.

Zum Schütze der hinter dem Schalter liegenden Leitungen, Geräte und Maschinen werden Überstromschutzeinrichtungen vorgesehen, entweder in Form einfacher Überstromauslöser mit unabhängiger oder abhängiger Zeitauslösung oder es werden Quotientenrelais in Form von Impedanz.- oder Reaktanzrelais vorgesehen, die bewirken, daß insbesondere bei Kurzschluß nur diejenigen Schalter ausschalten, die der Kurzschlußstelle am nächsten liegen. Man. erkennt hieraus, daß dem Überlastungsschutz meist auch der Überstrom-, insbesondere Kurzschluß schutz zugeordnet ist. Charakteristisch für diese Schutzart ist der Umstand, daß immer der Effektivwert von Strom oder Strom, und Spannung als Auslösekennzeichen verwendet werden., wobei es heute möglich ist, bereits nach Ablauf einer vollen Periode, also bei 50 Hz nach 20 ms beispielsweise den Quotienten Uli zu messen und das Auslösekommando zu geben. Hieraus folgt aber, daß diese Schutzsysteme nicht in der Lage sind, den Schalter schon beim Einsetzen eines Überstromes auszulösen; der Schalter muß vielmehr zunächst die volle Amplitude des Kurzschluß stromes führen, bevor der Unterbrechungsvorgang einsetzt.

Inzwischen sind Schalter entwickelt worden, die gestatten, die Unterbrechung bereits nach Ablauf von (1 ... 2) · 10—* Sekunden einzuleiten, wobei dann eine Impedanz in, Form einer Sicherung, eines veränderbaren Widerstandes oder auch eines Lichtbogens, dessen Brennspannung sehr schnell anwächst, in den Stromkreis eingefügt wird, und zwar derart, daß der Kurzschlußstrom sich nur noch mit einem Bruchteil seines sonst zu erwartenden Höchstwertes auswirken kann. Schalter dieser Art verlangen nun aber neben Einrichtungen zur willkürlichen Auslösung und Schutzmaßnahmen gegen Überlastung noch eine dritte zusätzliche Einrichtung, die es gestattet, den Momentanwert und/oder die Steilheit des zu überwachenden Stromes praktisch verzögerungsfrei zu erfassen.

Es ist eine Überstromschutzeinrichtung bekannt, die dann, anspricht, wenn sowohl der Momentanwert als auch die Steilheit des zu überwachenden Stromes einen vorgegebenen Wert überschreiten. Zu diesem Zweck sind in dem zu überwachenden Stromkreis eine Induktivität und ein ohmscher Widerstand angeord-

Auslösesystem
für Wediselstromschaltgeräte

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr,-Ing. Fritz Kesselring, Küsnacht, Zürich (Schweiz), ist als Erfinder genannt worden

net, an deren Klemmen je ein Relais liegt. Beim Ansprechen beider Relais wird auf elektromagnetischem Wege eine Klinke gelöst, und dadurch ein strombegrenzender Widerstand in den Stromkreis eingeschaltet.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Auslösesystem für Wechselstromschaltgeräte bei Kurzschluß, Überlastung oder willkürlichen Schalthandlungen. Das Auslösesystem nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Stromwandlers mit auf vorgegebene Werte einstellbarer ohmscher oder ohmisch-induktiver Bürde eine von dem Momentanwert bzw. additiv von dem Momentanwert und von der Steilheit des zu überwachenden Stromes abhängige Spannung erzeugt wird, die einen elektronischen Schalter steuert, daß ferner in Reihe zu der genannten Bürde die Stromwicklung eines Überstrom- oder Impedanzrelais liegt und daß parallel zum Relaiskontakt ein. Betätigungskontakt zur willkürlichen Auslösung liegt, wobei beim Ansprechen des elektronischen Schalters, des Relais oder beim Schließen des Betätigungskontaktes mindestens ein elektrischer Energiespeicher wirksam wird, der die Ausschaltung des Schaltgerätes herbeiführt. Diese Auslöseanordnung unterscheidet sich von der bekannten Schaltung durch die Verwendung eines Stromwandlers mit einer Bürde, an der eine Spannung auftritt, die zur Steuerung eines elektronischen Schalters (Funkenstrecke, Kaltkathodenröhre od. dgl.) ausreicht. Mit Hilfe des elektronischen. Auslöseschalters lassen sich wesentlich kürzere Zeiten ereichen als mit den relaisartigen AuslöseschaTtern. und elektromagnetisch betätigten. Klin-' ken der bekannten Überstromschutzeinrichtung. Dies

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ist in besonderem Maße der Fall, wenn, wie weiter unten erläutert, in Verbindung mit dem elektronischen Auslöseschalter ein elektrodynamischer Antrieb für die Strombegrenzung bzw. -unterbrechung verwendet wird. Auf diese Weise läßt sich, wie Messungen bestätigt haben, eine Verringerung der Ansprechzeit um etwa den Faktor 10 erreichen.

Die ohmsche Bürde bzw. der ohmsche Anteil einer ohmisch-induktiven Bürde bewirkt, daß Überströme, sobald sie einen vorgegebenen Momentanwert überschreiten, erfaßbar sind und zur Auslösung führen, während dies bei der bekannten Anordnung nur dann der Fall ist, wenn zugleich auch die Steilheit einen vorgeschriebenen Wert erreicht. Durch einen induktiven Anteil der Bürde wird weiterhin erreicht, daß ein Kurzschlußstrom in seinem Anfangsstadium, d. h. bei noch geringen Momentanwerten, die Auslösung in Gang setzt. Dadurch ergibt sich ein Zeitgewinn, der die Begrenzung des Kurzschluß stromes erheblich erleichtert.

Die zusätzliche Anordnung eines Überstrom- oder Impedanzrelais bietet den Vorteil, daß auch Überströme erfaßbar werden, die unter dem Ansprechstrom, bei dem der elektronische Schalter gezündet wird, liegen. Beispielsweise kann es vorkommen, daß in schwach belasteten Hochspannungsnetzen der Überstrom in der Größe des Nennstromes oder sogar darunter liegt. Ein geeignetes Impedanzrelais vermag auch diese Art von Störungen zu erfassen.

In den Fig, 1 und 2 sind zwei beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar in

Fig. 1 die übliche Art der Unterbrechung von Betriebs-, Überlast- und Kurzschlußströmen, während

Fig. 2 eine Anordnung für synchronisierte Unterbrechung darstellt.

In Fig. 1 bedeuten 1 die Starkstromleitung, 2. ein im Zuge dieser Leitung angeordnetes Wechselstromschaltgerät, bestehend aus den feststehenden Kontakten 3 und 4, die sich zwecks Erzielung einer rasch ansteigenden Lichtbogenspannung hornartig längs Widerstandsstäben 3' und 4' erweitern. 5 ist die Schaltbrücke, die über eine Isolierstange 6 mit dem beweglichen Ring 7 eines dynamischen Auslösers verbunden ist. 8 ist dessen feststehende Spule. 9 bedeutet einen Energiespeicher in Form eines aufgeladenen Kondensators. 10_ eine Funkenstrecke mit den Hauptelektroden 11 und 12, der Hilfselektrode 13 und dem Überbrückungsschalter 14. 15 ist ein Stromwandler mit der Primärwicklung 16 und der Sekundärwicklung 17 mit hoher Windungszahl. 18 ist ein Widerstand, 19 ein Überstromzeitrelais mit der Auslösewicklung 20 und dem Auslösekontakt 21.

Im gezeichneten Zustand fließt der Stom / durch die Primärwicklung 16 des Stromwandlers 15 und über den Schalter J2. Soll nun eine willkürliche Abschaltung herbeigeführt werden, so wird mit Hilfe der Schaltbrücke 14 die Funkenstrecke _10 überbrückt, worauf sich der Kondensator 9 über die Primärspule 8 des dynamischen Auslösers entlädt, was die öffnung des Schalters.2 zur Folge hat. Der Lichtbogen wird nach oben geblasen und erlischt dann, wo; durch die Abschaltung vollzogen ist.

Tritt während des Betriebes eine Überlastung ein, so spricht das Relais 19 an und schließt den Auslösekontakt 21 nach einer gewissen Zeit. Hierdurch wird wiederum die Funkenstrecke JlO überbrückt und die Auslösung herbeigeführt. Im Grenzfall kann dies, wie eingangs erläutert wurde, bereits nach etwa 20 ms der Fall sein.

Tritt jedoch ein Kurzschluß auf, so entsteht am Widerstand 18 eine Spannung, die proportional dem Momentanwert des Kurzschlußstromes ist. Bei einer ganz bestimmten Größe dieses Momentanwertes entsteht ein Überschlag zwischen der Hilfselektrode 13 und der Hauptelektrode 11 der Funkenstrecke .10 mit anschließendem Überschlag zwischen den Hauptelektroden 11 und 12. Hierdurch kann sich der Kondensator 9 wiederum über die Spule 8 entladen. Der

ίο Schalter öffnet sich etwa 10~⁴ Sekunden nach Auftreten des Überschlages zwischen der Hilfselektrode 13 und der Hauptelektrode 11. Bei geeigneter Konstruktion des Schalters^, wächst der Lichtbogenwiderstand so schnell an, daß eine erhebliche Kurzschlußstrombegrenzung zustande kommt.

In Fig. 2 ist ein Auslösesystem für einen Strombegrenzer dargestellt. Im einzelnen bedeuten .31. einen bei Überstrom, insbesondere bei Kurzschluß ansprechenden Strombegrenzer, bestehend aus den feststehenden Kontakten 32 und 33, der Strombrücke 34, dem beweglichen Teller 35 eines dynamischen Auslösers, der über die Isolierstange 36 mit der Schaltbrücke 34 verbunden ist, und der feststehenden Spule 37. Parallel zu den feststehenden Kontakten 32, 33 liegt ein veränderlicher Widerstand 38 aus einem Material mit hohem positivem Temperaturkoeffizienten, z. B. Eisen oder Wolfram. .39. ist ein Widerstandsschalter zur Vornahme betriebsmäßiger Ein- und Ausschaltungen und zur Abschaltung von Überlastungen. Er besteht aus den Hauptkontakten 40 und 41 und der Schaltbrücke 42. Durch den dynamischen Auslöser, bestehend aus dem Teller 43, der Spule 44 und der isolierenden Betätigungsstange 45 werden sowohl die Schaltbrücke 42 als auch das U-förmige Isolierstück 46 bewegt. 47 und 48 sind Strombrücken, bei deren Verschiebung nach oben die Widerstände 49 und 50 eingeschaltet werden. Zur Auslösung dient ein Stromwandler 51 mit der Primärwicklung 52 und der Sekundärwicklung 53. Letztere speist die Reihenschaltung, bestehend aus dem einstellbaren ohmschen Widerstand 54, der einstellbaren Induktivität 55, der Primärwicklung 56 einer kleinen Schaltdrossel 57 und der Wicklung 58 des Überstromlelais 59, dessen Schaltkontakt mit 60 bezeichnet ist. 61. ist eine KaItkathodenröhre mit den Hauptelektroden 62, 63 und der Zündelektrode 64. 65 bedeutet einen von außen aufgeladenen kleinen Kondensator. 66 ist die Primär-, 67 die Sekundärwicklung einer Zündspule, deren Enden mit der Hauptelektrode 68 und der, Zündelektrode 69 der Funkenstrecke 70 verbunden sind. Die zweite Hauptelektrode ist mit 71 bezeichnet. 72 und 73 sind jeweils von außen aufgeladene Kondensatoren zur Betätigung der dynamischen Auslöser. Die Se-' kundärspule 74 der Drossel 57 steht über den Betätigungsschalter 75 mit der Hauptelektrode 76 und der Zündelektrode 77 der Funkenstrecke 78 in Verbindung, deren zweite Hauptelektrode mit 79 bezeichnet ist. Nachstehend werden nun die Ausschaltvorgänge bei Kurzschluß, Überlastung und willkürlicher Betätigung getrennt beschrieben.

Tritt eine hohe Überlastung, insbesondere ein Kurzschluß auf, so entsteht an der Reihenschaltung" des Widerstandes 54 und der Induktivität 55 ein Spannungsabfall, der um so größer ist, je größer der Momentanwert des Stromes und seine Steilheit sind. Erreicht diese Spannung beispielsweise den Wert von 120 V, so zündet die Kaltkathodenröhre 61. Der kleine Kondensator 65 entlädt sich über die Primärwicklung 66 der Zündspule, wodurch in ihrer Sekundärwicklung 67 eine so hohe Spannung entsteht, daß die

Funkenstrecke _70^ anspricht. Nun entlädt sich der Kondensator 72 über die feststehende Spule 37 des dynamischen Auslösers; die Schaltbrücke 34 bewegt sich nach oben, wobei der Strom auf den Widerstand 38 kommutiert wird. Infolge des mit der Temperatur stark ansteigenden Widerstands wertes kann der Kurzschlußstrom leicht auf beispielsweise den doppelten Nennstrom begrenzt werden. Dies hat aber zur Folge, daß nun auch das Relais 59 anspricht, wodurch der Steuerschalter 75 überbrückt wird. Die gesättigte kleine Schaltdrossel J57 erzeugt bei jedem Stromnulldurchgang des Stromes i und damit auch des Stromes / einen Spannungsimpuls, der die Zündung der Funkenstrecke 78 und damit die Entladung des Kondensators 73 und .in der Folge die Ausschaltung des Schalters 39 bewirkt. Da die Trennung der Schaltbrücke 42 von den Hauptkontakten 40 und 41 praktisch beim Stromnulldurchgang erfolgt, macht die Kommutation des Reststromes auf die Widerstände 49 und 50 keinerlei Schwierigkeiten. Nach Einschaltung dieser Widerstände wird der Strom entweder auf einige Ampere herabgesetzt oder vollständig unterbrochen. Selbstverständlich ist es auch möglich, beim Ansprechen des Schalters 3_i unmittelbar einen Hilfskontakt, der parallel zum Betätigungsschalter 75 liegt, zu schließen. Hierdurch kann der zeitliche Abstand der Ausschaltbewegungen der Schalter 31. und 39 wesentlich verringert werden.

Bei Überlastung spricht das Relais J59 an. Es wird dann aber nur der Schalter 39_ geöffnet, während der Schalter 31 geschlossen bleibt. Das gleiche gilt für den Fall einer willkürlichen Abschaltung, die durch Schließen des Betätigungsschalters 75 bewirkt wird. In beiden Fällen setzt die Widerstandseinschaltung des· Schalters 39 praktisch beim Stromnulldurchgang ein.

Beim Einschalten wird zunächst der Schalter J(I^ geschlossen, und erst anschließend werden die Widerstände 49 und 50 des Schalters j$9 verringert, und zwar zweckmäßig so langsam, daß sich z. B. beim Einschalten eines leerlaufenden Transformators kein unzulässig hoher Ausschaltstromstoß ausbilden, kann. Hierzu ist es. nötig, daß sich das Einschalten dieser Widerstände über ein bis zwei Halbwellen des Wechselstromes erstreckt, also bei 50 Hz 10 bis 20 ms dauert.

Der Übersichtlichkeit halber ist parallel zu dem Widerstand 54 und der Induktivität 55 nur eine Kaltkathodenröhre 61 eingezeichnet worden. Um beide Halbwellen des Wechselstromes erfassen zu können, ist selbstverständlich eine Gegentaktanordnung notwendig. An Stelle des Widerstandsschalters .39 kann auch irgendein anderer Lastschalter, z. B. ein ölarmer oder Preßgasschalter, verwendet werden, wobei es aber zweckmäßig sein wird, auch dann von einer Synchronsteuerung Gebrauch zu machen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Auslösesystem für Wechselstromschaltgeräte bei Kurzschluß, Überlastung oder, willkürlichen Schalthandlungen, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Stromwandlers mit auf vorgegebene Werte einstellbarer ohmscher oder ohmisch-induktiver Bürde eine von dem Momentanwert bzw. additiv von dem Momentanwert und von der Steilheit des zu überwachenden Stromes abhängige Spannung erzeugt wird, die einen elektronischen Schalter steuert, daß ferner in Reihe zu der genannten Bürde die Stromvvicklung eines Überstrom- oder Impedanzrelais liegt und daß parallel zum Relaiskontakt ein Betätigungskontakt zur willkürlichen Auslösung liegt, wobei beim Ansprechen des elektronischen Schalters, des Relais oder beim Schließen des Betätigungskontaktes mindestens ein elektrischer Energiespeicher wirksam wird, der die Ausschaltung des Schaltgerätes herbeiführt.

   ' In Betracht gezogene Druckschriften:
   Schweizerische Patentschrift Nr. 312 416;
   französische Patentschrift Nr. 1 075 218;
   USA-Patentschrift Nr. 2 607 029.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   909 727/403 1,60