DE1911202B2 - Elektronische ueberstromausloesung fuer elektrische schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Überstromauslösevorrichtung für elektrische Schalter, mit unverzögerter Auslösung bei Kurzschlußströmen und verzögerter Auslösung bei Überströmen unter Verwendung elektronischer Meß-, Verzögerungs- und Schdltglieder, die von einer eigenen Stromversorgung gespeist und von der an der Bürde eines Stromwandlers auftretenden Spannung gesteuert werden, wobei für die verzögerte und für die unverzögerte Auslösung getrennte Schaltungsteile vorhanden sind, die auf je eine Schaltvorrichtung wirken. Eine Überstromauslösevorrichtung dieser Art ist durch die US-PS 33 29 870 bekannt.

Überstromauslösevorrichtungen für elektrische Schalter haben die Aufgabe, über die Schalter fließende Ströme zu messen und beim Auftreten bestimmter, über dem Nennstrom liegender Stromwerte die Abschaltung des Schalters zu vermitteln, um den Stromkreis zu unterbrechen. Es kann sich hierbei sowohl um unverklinkte Schalter (Schütze) oder verklinkte Schalter (Selbstschalter) handeln. Treten sehr hohe Überströme, z. B. Kurzschlußströme auf, so ist es zum Schutz der elektrischen Anlagen erwünscht, daß die Abschaltung sehr rasch, d. h. unverzögert erfolgt. Überströme, die im Bereich oberhalb des Nennstromes liegen und geringer als Kurzschlußströme sind, sollen dagegen verzögert abgeschaltet werden. Hierbei ist es erwünscht, daß die Auslösezeit umgekehrt proportional dem Quadrat des Stromes ist.

Während die Überstromauslöser herkömmlicher Bauart elektromagnetische und elektrothermische Bauteile enthalten, sind auch Auslösevorrichtungen mit elektronischen Bauelementen bekanntgeworden. Die A.us!ösevorrichtungen der letztgenannten Bauart haben den Vorzug der geringeren Wärmeentwicklung und des auf einfache Weise in weiten Grenzen veränderbaren Ansprechbereiches. Wegen der geringeren Wärmeentwicklung eignen sich die elektronischen Überstromaus-Iftspr heisDielsweise zum Einbau in druckfeste Kapselungen für Schlagwetter- und explosionsgefährdet*; Betriebsräume.

Es kommt hinzu, daß die elektronischen Überstromauslösevorrichtungen ein geringeres Bauvolumen aufweisen als die herkömmlichen Auslöser und daß die Möglichkeit der räumlichen Trennung von Stromwandlern und Auslösegeräten besteht. Daher können die Stromwandler an einer günstigen Stelle des Leitungszuges angeordnet werden, während die Auslösegeräte mit

ίο ihren Einstellelementen in einer für den Bedienenden übersichtlichen und leicht zugänglichen Stellung angeordnet werden können.

Der Erfindung !liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gefährdung der Sicherheit der durch die Überstromaus-

lösevorrichtung zu schützenden elektrischen Anlage zu verhindern, falls die Stromversorgung der Überstromauslösevorrichtung ausfällt.

Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß die Schaltvorrichtung für die verzögerte Auslösung ein Relais im Ausgangskreis eines Schmitt-Triggers umfaßt und bei Ausiall der Stromversorgung in den auslösenden Zustand übergeht und daß als Schaltvorrichtung für die unverzögerte Auslösung ein mechanisch oder magnetisch verklinkbares Relais dient. Hierdurch wird

sichergestellt, daß der elektrische Schalter, dem die Überstromauslösevorrichtung zugeordnet ist, nur dann eingeschaltet werden kann, wenn die Versorgungsspannung für die Auslösevorrichtung vorhanden ist. Ein Ausfall der Stromversorgung hat den Übergang der Schaltvorrichtung für die verzögerte Auslösung in den ausgelösten Zustand zur Folge, wodurch der im Einschaltzustand befindliche Schalter ausgeschaltet wird. Dies geschieht dadurch, daß im Ausgangskreis des Schmitt-Triggers bei gesperrtem Eingang ein Strom fließt und infolgedessen das in den Ausgangskreis des Schmitt-Triggers eingeschaltete Relais angezogen ist. Bei gestörter Stromversorgung fällt das Relais ab und geht damit in die Stellung über, die dem ausgeschalteten Zustand des Schalters zugeordnet ist.

Ferner bleibt beim Auftreten eines Kurzschlußstromes der Auslösebefehl für den Schalter auch bei Ausfall der Stromversorgung der Überstromauslösevorrichtung infolge der Verklinkung des Relais erhalten. Der Schalter kann somit nicht unbeabsichtigt wieder eingeschaltet werden. Als verklinkte Relais eignen sich für die Zwecke der Erfindung beispielsweise Haftrelais, die einen Permanentmagneten enthalten und ihre jeweilige Schaltstellung im stromlosen Zustand beliebig lange beibehalten.

so Zur Steuerung des Schmitt-Triggers kann mit Vorteil ein Miller-Integrator verwendet werden, dessen Eingangstransistor ein Feldeffekt-Transistor ist. Diese Anordnung erlaubt es, für die verzögerte Auslösung Kondensatoren mit verhältnismäßig geringer Kapazität zu verwenden und trotzdem große Verzögerungszeiten bis zu 10 Min. zu erreichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. t zeigt eine Überstromauslösevorrichtung im Blockschaltbild.

In F i g. 2 ist das Schaltbild der Überstromauslösevorrichtung gemäß F i g. 1 ausführlicher dargestellt.
Das Blockschaltbild gemäß F i g. i läßt erkennen, daß

b5 die Überstromauslösevorrichtung einen Stromwandler 1 enthält, der mit einer Bürde 2 belastet ist. Die an der Bürde 2 auftretende Spannung dient zur Steuerung der elektronischen Glieder, die im folgenden beschrieben

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werden. Damit die Auslösevorrichtung in einfacher Weise an verschiedene Netzströme angepaßt wtrden kann, ist die Bürde 2 veränderlich ausgebildet.

Die an der Bürde 2 abgegriffene Wechselspannung wird durch einen Gleichrichter 3 gleichgerichtet Bei 5 Auslösevorrichtungen für mehrphasige Netze sieht man zweckmäßig je einen Stromwandler für jede Phase vor, denen je ein Gleichrichter zugeordnet ist. Durch gleichstromseitiges Parallelschalten dieser Gleicnrichter erhält man ein gemeinsames Ausgangssignal, dessen Höhe von dem jeweils höchsten Einzelstrom bestimmt ist. Infolgedessen benötigt man anschließend an die Gleichrichter nur eine gemeinsame Schaltung für alle Phasen des Netzes.

Am Ausgang des Gleichrichters 3 gabelt sich die Schaltung in zwei Schaltungsteile für die verzögerte und für die unverzögerte Auslösung. Der Schaltungsteil für die verzögerte Auslösung enthält ein Netzwerk 4, einen Integrator 5, einen Schmitt-Trigger 6 und eine Schaltvorrichtung 7. Der Schaltungsteil für die unverzögerte Auslösung enthält einen Spannungsteiler 10, einen Multivibrator 11 und eine Schaltvorrichtung 12.

Das Netzwerk 4 besteht aus Widerständen und Z-Dioden (Zenerdioden) und hat die Aufgabe, das Ausgangssignal des Gleichrichters 3 so aufzubereiten, daß man die gewünschte Kennlinie erhält. Die Verwendung von Z-Dioden in Überstromauslösevorrichtungen ist beispielsweise in der DT-AS 12 52 305 beschrieben.

Das im Netzwerk 4 geformte Signal wird dem Integrator 5 zugeführt, der eine in Abhängigkeit von der Zeit ansteigende Spannung erzeugt. Beim Erreichen eines Schwellwertes spricht der Schmitt-Trigger 6 an und betätigt die Schaltvorrichtung 7, die einen im Ruhezustand geschlossenen Kontakt 8 öffne t.

Der Spannungsteiler 10 im Schaltungsteil für die unverzögerte Auslösung gestattet die Einstellung des Vielfachen des Nennstromes, bei dem die unverzögerte Auslösung stattfinden soll. Der Multivibrator 11 ist ein Schwellwertschalter unter Verwendung einer Z-Diode, durch deren Ansprechen die Schaltvorrichtung 12 betätigt wird, wodurch deren im Ruhezustand ebenfalls geschlossener Kontakt 13 geöffnet wird.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Schaltung sind die Kontakte 8 und 13 der Schaltvorrichtungen 7 und 12 in Reihe geschaltet und im Ruhezustand der Auslösevorrichtung geschlossen. Diese Schaltung ist beispielsweise zur Abschaltung von Schützen geeignet, die über Hilfsschütze gesteuert werden. Tritt beispielsweise ein Kurzschlußstrom auf, so wird der Kontakt 13 geöffnet und damit der Stromkreis für das Hilfsschütz unterbrochen. Das Hilfsschütz unterbricht seinerseits den Haltestromkreis des Hauptschützes. Zur Verwendung in Verbindung mit Selbstschaltern ist die beschriebene Vorrichtung ebenfalls geeignet, wenn die Kontakte 8 und 13 im Ruhezustand geöffnet und parallel geschaltet sind. Auf diese Weise kann beim Ansprechen der Auslösevorrichtung ein Stromkreis für ein Auslösemagnetsystem des Selbstschalters geschlossen werden.

Die Überstromauslösevorrichtung gemäß F i g. 1 «) besitzt ein eigenes Netzteil 14, das die Energie für den Betrieb der elektronischen Bauteile zur Verfügung stellt. Die Einzelheiten der Schaltung der Überstromauslösevorrichtung werden im folgenden anhand der F i g. 2 erläutert. w-,

Die Auslösevorrichtung gemäß Fig.2 besitzt den anhand der F i g. 1 beschriebenen prinzipiellen Aufbau, in P j ^. 2 ist ein dreiphasiges Netz angenommen, dessen Phasen je ein Stromwandler 1 zugeordnet ist. Die von den Bürden 2 dieser Stromwandler abgenommene Spannung wird drei Gleichrichtern 3 zugeführt, die gieichstromseitig parallel geschaltet sind. An diese Parallelschaltung schließt sich ein aus einem Widerstand r 4 und einem Kondensator ArI bestehendes Glied zur Unterdrückung von Einschaltströmen an, wie sie z. B. beim Einschalten von Transformatoren auftreten können. Dieses Glied kann eine Zeitkonstante von etwa 25 ms besitzen. Die sich anschließenden Widerstände r5 und r7 haben die Aufgabe, die temperaturabhängige Schleusenspannung der Gleichrichter 3 zu kompensieren.

Die Z-Dioden π 4, π 5 und die Widerstände rl2 und r 13 bilden das Netzwerk zur Erzeugung der Charakteristik für die verzögerte Auslösung. Erst wenn der eingestellte Nennstrom überschritten wird, ist die Z-Diode η 4 durchlässig. Etwa bei dreifachem Nennstrom wird die Z-Diode π 5 durchlässig und schaltet den aus den Widerständen rl2 und rl3 bestehenden Spannungsteiler ein, so daß die sich ergebende Abschaltzeit für Ströme, die größer als der dreifache Nennstrom sinJ, eine geringere Stromabhängigkeit besitzt. Dadurch erhält man eine Charakteristik der Überstromauslösevorrichtung, wie sie benötigt wird, damit der Schweranlauf von Antriebsmotoren nicht zum Ansprechen der Auslösevorrichtung führt.

Von der in dem Netzwerk geformten Spannung wird ein Miller-Integrator gesteuert, der zwei Transistoren 71 und T2 enthält, von denen der Transistor 71 ein Feldeffekt-Transistor ist An die Basis des Transistors 71 ist als aufzuladende Kapazität ein Kondensator kl angeschlossen, der zweckmäßig ein Kunststoffolien-Kondensator ist, der auch bei erhöhter Umgebungstemperatur eine große Eigenzeitkonstante besitzt. Der Kondensator A: 2 wird über einen Widerstand rl4 aufgeladen. Eine Diode π 6 dient dazu, eine zu schnelle Entladung des Kondensators A: 2 über die Widerstände des vorgeschalteten Netzwerkes zu verhindern. Wie Versuche ergeben haben, erlaubt es der hohe Eingangswiderstand des Feldeffekt-Transistors 71 in Verbindung mit der Verstärkungseigenschaft des Miller-Integrators, für Verzögerungszeiten bis zu 10 Min. mit einem Kondensator Ar 2 von etwa 5 μΡ auszukommen. rl5 ist ein hochohmiger Ableitwiderstand für den Transistor 71.

Da die Kennlinien der im Handel erhältlichen Feldeffekt-Transistoren stark streuen, sind Schaltungselemente für die Einstellung des Arbeitspunktes vorgesehen. Dies geschieht durch den Spannungsabfall an einem Widerstand r 16, der über einen Stromregeltransistor 76 mit einem Widerstand r26 eingestellt werden kann. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Widerstand r 16 in der Schaltung gemäß F i g. 2 keine verstärkungsmindernde Gegenkopplung verursacht.

An einem Arbeitswiderstand rl7 des Miller-Integrators wird ein Signal gebildet, das über einen Impedanzwandler, der aus einem Transistor 73 und einem Widerstand r20 besteht, dem Schmitt-Trigger zugeführt wird. Der Schmitt-Trigger besteht aus den Transistoren 74 und 75 sowie Widerständen r21, r 22, r23 und r24. Die Ansprechspannung des Schmitt-Triggers ist durch den gemeinsamen Emitterwiderstand r21 und den Teuer r23, r24 festgelegt, !m Kollektorstromkreis des Transistors 75 befindet sich die Spule eines Relais d 1 mit dem Kontakt 8, das der in F i g. 1 gezeigten Schaltvorrichtung 7 mit dem Kontakt 8 entspricht. Im Ruhezustand ist der Transistor 75 leitend

und das Relais dl deshalb angezogen. Fällt die Versorgungsspannung für die Auslösevorrichtung und damit auch für den Schmitt-Trigger aus, so fällt das Relais d 1 ab, und der Schalter, dem die Überstromauslösevorrichtung zugeordnet ist, geht in die Ausschaltstellung. Parallel zur Spule des Relais d\ liegt eine Diode π 9 zur Entlastung des Transistors T5 beim Schalten des Relais d 1.

Der Schaltungsteil für die unverzögerte Auslösung bei Kurzschlußströmen wird durch eine Spannung gesteuert, die an dem Spannungsteiler r9 abgegriffen wird. Diese Spannung wird einem Mulivibrator zugeführt, der mit komplementären Transistoren TT, TS, einer Z-Diode π 8 und einer weiteren Diode η 10 aufgebaut ist. Der Multivibrator spricht an, wenn die Spannung an dem Spannungsteiler r9 größer wird als die Spannung an der Z-Diode π 8 zuzüglich der Schleusenspannungen der Diode π 10 und des Transistors TT. Im Kollektorstromkreis des Transistors T% befindet sich ein Haftrelais dl mit dem Kontakt 13, das der in F i g. 1 gezeigten Schaltvorrichtung 12 mit dem Kontakt 13 entspricht. Das Haftrelais enthält einen Permanentmagneten und behält deshalb seine jeweilige Stellung auch im stromlosen Zustand bei. Nach dem Ansprechen der Auslösevorrichtung durch einen Kurzschlußstrom kann das Haftrelais dl mechanisch zurückgestellt werden, nachdem die Betriebsspannung der Überstromauslösevorrichtung allgeschaltet worden ist.

Die beschriebene Überstromauslösevorrichtung besitzt eine eigene Stromversorgung, deren Anschlüsse mit 0 sowie + υ und — u bezeichnet sind. Die Spannungen + u und — u können z. B. durch einen Transformator in Verbindung mit Gleichrichtern und Z-Dioden erzeugt werden. Wie bereits erwähnt, führt der Ausfall der Spannung zum Abfallen des Relais d 1 und damit zur Abschaltung des Schalters, dem die Überstromauslösevorrichtung zugeordnet ist Das Haftrelais dl bleibt bei Ausfall der Stromversorgung ir seiner jeweiligen Stellung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Oberst romauslöse Vorrichtung für elektrische Schalter, mit unverzögerter Auslösung bei Kurzschlußströmen und verzögerter Auslösung bei Überströmen unter Verwendung elektronischer Meß-,, Verzögerungs- und Schaltglieder, die von einer eigenen Stromversorgung gespeist und von der an der Bürde eines Stromwandlers auftretenden Spannung gesteuert werden, wobei für die verzögerte und für die unverzögerte Auslösung getrennte Schaltungsteile vorhanden sind, die auf je eine Schaltvorrichtung wirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung für die verzögerte Auslösung ein Relais (d 1) im Ausgangskreis (75) eines Schmitt-Triggers (74, 75) umfaßt und bei Ausfall der Stromversorgung (14) in den auslösenden Zustand übergeht und daß als Schaltvorrichtung für die unverzögerte Auslösung ein mechanisch oder magnetisch verklinkbares Relais (Halterelais dl) dient

2. Überstromauslösevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmitt-Trigger (74, TS) von einem Miller-Integrator (71, 72) gesteuert wird, dessen Eingangstransistor (71) ein Feldeffekt-Transistor ist.