DE19825383A1 - Elektronische Auslöseeinrichtung für einen Leistungsschalter mit einem Rogowski-Stromwandler - Google Patents

Abstract

Eine elektronische Auslöseeinrichtung für einen Leistungsschalter (1) verarbeitet mittels einer Mikroprozessoreinrichtung (7) ein Stromsignal eines Rogowski-Stromwandlers, der eine Stromerfassungsspule (10) und einen Integrationsverstärker (11) aufweist. Eine Prüfung der Stromerfassungsspule (10) im Betrieb des Leistungsschalters (1) wird dadurch ermöglicht, daß durch Parallelschaltung einer Kapazität (13) ein hochfrequenter Schwingkreis (14) gebildet und diesem mittels einer Hilfswicklung (16) eine hochfrequente Hilfsenergie zugeführt wird. Durch Auswertung der Energieaufnahme des Schwingkreises (14) in Abhängigkeit von der Frequenz der Hilfsenergie können Fehler wie Drahtbruch und Windungsschluß zuverlässig ermittelt und angezeigt werden. Die beschriebene Prüfschaltung kann im Leistungsschalter untergebracht werden und eignet sich sowohl für eine ständige, periodische oder auf Anforderung erfolgende Prüfung der Stromerfassungsspule.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Auslöseeinrichtung für einen Leistungsschalter mit einer in einer Hauptstrombahn des Leistungsschalters angeordneten Stromerfassungsspule eines Rogowski-Stromwandlers, wobei das Ausgangssignal der Stromerfassungsspule nach Verarbeitung in einer Verstärker­ schaltung der Auslöseeinrichtung zur Auswertung anhand vorgegebener Parameter und zur Erzeugung eines Auslöse­ signales zwecks Unterbrechung der Hauptstrombahn des Leistungsschalters beim Überschreiten von Grenzwerten eines in der Hauptstrombahn fließenden Stromes zugeführt wird.

Eine Auslöseeinrichtung der genannten Art ist z. B. in der DE 195 23 725 A1 beschrieben. Der Rogowski-Stromwandler wird dabei durch eine z. B. der DE 195 05 812 C2 entsprechende Stromerfassungsspule in Verbindung mit einer integrierten Verstärkerschaltung gebildet. Gegenüber konventionellen Stromwandlern mit Eisenkern hat ein Rogowski-Stromwandler den Vorteil, daß eine lineare Umsetzung eines in der Haupt­ strombahn fließenden Stromes in ein zur Auswertung in der Auslöseeinrichtung geeignetes Signal über einen sehr großen Bereich von Strömen möglich ist. Daher werden Systeme zur Stromerfassung mit Rogowski-Spulen vorzugsweise dort eingesetzt, wo eine präzise Auslösung sowohl bei geringen als auch bei sehr hohen Überströmen (niedriger Überlast- bzw. Kurzschlußbereich) gefordert wird und darüber hinaus die über den Leistungsschalter fließende Energie mit angemessener Genauigkeit erfaßt werden soll (Leistungsmessung).

In dem vorstehend beschriebenen Anwendungsgebiet von Auslöseeinrichtungen bzw. Leistungsschaltern kann darüber hinaus die Forderung nach einem erhöhten Maß von Zuver­ lässigkeit des Schutzes erhoben werden. Dies bedeutet, daß neben einer Überwachung der Auslöseeinrichtung auf ordnungsgemäße Wirksamkeit auch sichergestellt sein muß, daß Strömungen bei der Stromerfassung und ggf. bei der Energie- bzw. Leistungsmessung sofort erkannt werden.

Offensichtlich würde es keine Schwierigkeit bereiten, durch eine Messung des ohmschen Widerstandes und/oder der Induktivität der Stromerfassungsspule und Vergleich der Meßwerte mit Sollwerten den Nachweis der Funktionsfähigkeit der Stromerfassungsspule zu erbringen. Zur Durchführung einer solchen Messung muß aber der Leistungsschalter außer Betrieb genommen werden. Damit hängt die Sicherheit des Schutzes einer elektrischen Anlage von einer mit nicht unerheblichem Aufwand verbundenen Maßnahme ab. Als zuverlässiger wird demgegenüber eine selbsttätige Überwachung angesehen, die in festgelegten Abständen oder bei sehr hohen Anforderungen ständig stattfindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überwachung einer Stromerfassungsspule im laufenden Betrieb eines Leistungsschalters zu ermöglichen.

Die Erfindung löst die vorstehende Aufgabe durch folgende Merkmale:

• - der Stromerfassungsspule ist eine Kapazität solcher Größe parallelgeschaltet, daß ein Schwingkreis mit einer erhöhten, wesentlich über der Frequenz des in der Hauptstrombahn fließenden Stromes gebildet ist,
• - durch einen Generator ist eine Hilfsenergie mit der genannten erhöhten Frequenz bereitstellbar,
• - es sind Zuführungsmittel zur Einspeisung der Hilfsenergie in die Stromerfassungsspule vorgesehen,
• - dem Zuführungsmittel ist eine Auswertungsschaltung zur Erfassung der von dem Schwingkreis aufgenommenen Energie und zur Abgabe eines entsprechenden Steuersignales zugeordnet, und
• - durch das Steuersignal ist ein Anzeigemittel steuerbar.

Durch diese Merkmale wird ermittelt, ob der aus der Strom­ erfassungsspule und der Kapazität gebildete Schwingkreis unter dem Einfluß der zugeführten Hilfsenergie zu Resonanz­ schwingungen angeregt werden kann. Ist dies der Fall, so steht fest, daß die Stromerfassungsspule keine Unterbrechung aufweist. Zweckmäßig wird dabei die Frequenz der von dem Generator bereitgestellten Hilfsenergie so gewählt, daß sie der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bei ordnungsgemäßer Beschaffenheit der Stromerfassungsspule entspricht. Die erhöhte Energieaufnahme des Schwingkreises bei Resonanz ermöglicht eine sichere Erkennung dieses Zustandes. Die Auswertungsschaltung gibt dann ein dem fehlerlosen Zustand entsprechendes Steuersignal ab. Wird dagegen nach Zuführung der Hilfsenergie keine Resonanz erzeugt, d. h. wird keine erhöhte Energieaufnahme festgestellt, so bleibt das Steuer­ signal als Anzeichen für einen Fehler in der Stromerfassungs­ spule aus.

Durch eine Weiterbildung der vorstehend erläuterten Auslöse­ einrichtung ist darüber hinaus zu erreichen, daß nicht nur ein Drahtbruch in der Stromerfassungsspule, sondern auch eine störende Veränderung der Eigenschaften durch Windungsschluß erkannt wird. Dies geschieht dadurch, daß die Frequenz der von dem Generator erzeugten Hilfsenergie veränderbar ist und daß die Auswertungsschaltung zusätzlich die jeweilige Frequenz erfaßt und ein entsprechendes weiteres Steuersignal erzeugt.

Obwohl es möglich ist, die Veränderung der Frequenz der Hilfsenergie durch einen Benutzer nach individueller Anforderung vorzunehmen, erweist es sich nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft, wenn die Veränderung der Frequenz der von dem Generator abgegebenen Hilfsenergie durch eine Programmsteuerung selbsttätig erfolgt und die Auswertungsschaltung ein Steuersignal für die von dem Schwingkreis aufgenommene Hilfsenergie nur bei einer Über­ schreitung eines Grenzwertes abgibt. Dies erleichtert dem Benutzer die Erkennung eines Fehlers.

Wie eingangs dargelegt, ist ein Zuführungsmittel vorgesehen, um der Stromerfassungsspule eine hochfrequente Hilfsenergie zuzuführen. Dieses Zuführungsmittel kann im Rahmen der Erfindung als zusätzliche Wicklung ausgebildet sein, die auf einem Tragkörper der Stromerfassungsspule aufgebracht ist.

Ferner kann gleichfalls im Rahmen der Erfindung die Programmsteuerung des Generators und die Messung der von dem Schwingkreis aufgenommenen Hilfsenergie durch eine zu der Auslöseeinrichtung gehörende Mikroprozessoreinrichtung erfolgen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Figur zeigt ein einpoliges Blockschaltbild eines Niederspannungs-Leistungsschalters mit einer elektronischen Auslösevorrichtung und einem Rogowski-Stromwandler.

Zu dem Leistungsschalter 1, der nur mit einer Umrißlinie angedeutet ist, gehört eine Hauptstrombahn 2, die in bekannter Weise eine Stromschiene 3 und eine Schaltkontakt­ anordnung 4 aufweist. Durch ein Schaltschloß 5 ist die Schaltkontaktanordnung 4 im geschlossenen Zustand verklink­ bar. Ein Auslösemagnet 6 dient zur Lösung der Verklinkung des Schaltschlosses 5, wenn durch eine zu der Auslöseeinrichtung des Leistungsschalters 1 gehörende Mikroprozessoreinrichtung 7 ein Schaltbefehl für einen im Stromkreis des Auslöse­ magneten 6 liegenden Lastschalter 8 abgegeben wird.

Eine Stromerfassungsspule 10, die als Toroidwicklung mit einem unmagnetischen Träger ausgebildet ist, und ein Integrationsverstärker 11 bilden gemeinsam einen Rogowski- Stromwandler. Ein Ausgangssignal dieses Stromwandlers wird über einen Normierverstärker 12, der zur Anpassung des Rogowski-Stromwandlers an den Bemessungsstrom des Leistungs­ schalters 1 vorgesehen ist, der Mikroprozesseinrichtung 7 zugeführt.

Parallel zu der Stromerfassungsspule 10 ist ein Kondensator 13 mit solcher Kapazität geschaltet, daß ein gestrichelt angedeuteter Schwingkreis 14 mit einer Eigenfrequenz gebildet ist, die wesentlich höher als die Frequenz eines in der Hauptstrombahn 2 fließenden Stromes ist. Diese beträgt 50 oder 60 Hz, je nach dem Einsatzgebiet des Leistungsschalters 1. Die Eigenfrequenz des Schwingkreises 14 liegt dagegen im Bereich von Kilo- oder Megaherz. Daher stellt der Kondensator 13 einen sehr hohen Widerstand für das von der Stromerfas­ sungsspule abgegebene Meßsignal dar.

Wie schon eingangs erläutert, dient der beschriebene Schwing­ kreis 14 dazu, die ordnungsgemäße Beschaffenheit der Stromer­ fassungsspule 10 zu prüfen. Hierzu ist auf einem Träger 15, der schematisch als strichpunktierte Linie dargestellt ist, zusätzlich zu der Wicklung der Stromerfassungsspule 10 eine Hilfswicklung 16 angeordnet. Die Hilfswicklung 16 ist über einen Meßwiderstand 17 mit einem Generator 18 zur Erzeugung einer hochfrequenten Hilfsenergie verbunden. In dem gezeigten Beispiel ist der Generator 18 so ausgebildet, daß seine Frequenz veränderbar ist, und zwar durch Zuführung einer Steuergleichspannung, die von einem Signalwandler 20 abge­ geben wird, der seinerseits durch Impulse mit unterschied­ lichem Tastverhältnis steuerbar ist, die von der Mikro­ prozessoreinrichtung 7 an einem hierfür vorgesehenen Port 21 abgegeben werden. Eine Unterroutine im Programmablauf der Mikroprozessoreinrichtung 7 sorgt dabei für die Erzeugung einer Folge der genannten Impulse, derart, daß der Generator 18 hochfrequente Hilfsenergie mit veränderlicher Frequenz erzeugt. Der Frequenzbereich der Hilfsenergie ist dabei entsprechend der Resonanzfrequenz des Schwingkreises in den möglichen Zuständen der Stromerfassungsspule 10 bemessen. Dabei kann zwischen einem Standardzustand, einem Ausfall­ zustand und einer Anzahl hiervon unterschiedlicher Fehler­ zustände unterschieden werden. Der Standardzustand ist die einwandfreie Stromerfassungsspule mit enger Toleranz ihres ohmschen Widerstandes und ihrer Induktivität. Den hiervon am stärksten verschiedenen Zustand stellt der Ausfallzustand bei Drahtbruch der Stromerfassungsspule dar, da hierbei keine definierten Werte für den ohmschen Widerstand und die Induktivität feststellbar sind und somit kein wirksamer Schwingkreis vorhanden ist. Die übrigen Fehlerzustände treten auf, wenn ein Windungsschluß in der Stromerfassungsspule aufgetreten ist. Hierbei sind gegenüber dem Standardzustand der ohmsche Widerstand und die Induktivität verändert. Damit ändern sich auch die Resonanzfrequenz und die Energieaufnahme des Schwingkreises 14.

Die Ermittlung der beschriebenen möglichen Zustände der Stromerfassungsspule geschieht durch eine Auswertungs­ schaltung, zu der neben dem in der Speiseschaltung der Hilfswicklung 16 enthaltenen Meßwiderstand 17 ein Hoch­ frequenzgleichrichter 22 und ein Verstärker 23 gehören. Ein Ausgangssignal des Verstärkers 23 wird einem hierfür vorbehaltenen Kanal eines zu der Mikroprozessoreinrichtung 7 gehörenden Analog-Digitalwandlers (A/D-Wandler) 24 zugeführt. Außerdem wird die Frequenz der von dem Generator 18 erzeugten und der Hilfswicklung 16 zugeführten Hilfsenergie einem Frequenzteiler 25 zugeführt, dessen Ausgangssignale an einen für die Frequenzmessung vorgesehenen Eingangsport 26 der Mikroprozessoreinrichtung 7 angelegt sind.

Die Mikroprozessoreinrichtung 7 verarbeitet die mittels des A/D-Wandlers 24 und des Eingangsports 26 zugeführten Signale und vergleicht diese mit vorzugsweise in den Arbeitsspeicher der Mikroprozessoreinrichtung 7 eingelesenen Vergleichs­ werten. Die Ausgabe von Meldungen für einen Benutzer des Leistungsschalters 1 kann entweder so erfolgen, daß nur ein Ausfall- oder anderer Fehlerzustand der Stromerfassungsspule angezeigt oder gemeldet wird, oder daß zusätzlich eine Anzeige für den Standardzustand erfolgt. Entsprechende Steuersignale zur Betätigung einer Anzeigevorrichtung 27 werden an einem Ausgangsport 28 der Mikroprozessoreinrichtung 7 bereitgestellt. Als Anzeigevorrichtung kann eine bereits vorhandene, zu der Auslöseeinrichtung gehörende Anzeige­ vorrichtung, z. B. ein Flüssigkristalldisplay, benutzt werden.

Die erwähnte Unterroutine im Programmablauf der Mikro­ prozessoreinrichtung 7 kann so gestaltet sein, daß sie selbsttätig in bestimmten vorbestimmten Zeitabständen gestartet wird oder daß die beschrieben Prüfsequenzen fortlaufend durchgeführt werden, so daß praktisch eine ständige Überwachung der Stromerfassungsspule 10 erfolgt. Gleichfalls kann das Prüfprogramm auf Anforderung eines Benutzers des Leistungsschalters 1 durch Betätigung eines Test-Tasters 30 zum Ablaufen gebracht werden, der einen entsprechenden Startbefehl für das Prüfprogramm an die Mikroprozessoreinrichtung 7 abgibt Bei einem mehrpoligen Leistungsschalter können die den Hauptstrombahnen der Pole zugeordneten Stromerfassungsspulen nacheinander geprüft werden. Dies hat den Vorteil, daß nur eine Auswertungsschaltung und nur ein Generator für die Hilfsenergie benötigt werden.

Wesentlich für alle beschriebenen Prüfungen ist die Durch­ führung im laufenden Betrieb des Leistungsschalters 1. Die benötigte Hilfsenergie ist gering und kann aus einer ohnehin zum Betrieb der Auslöseeinrichtung benötigten Stromver­ sorgungseinrichtung entnommen werden. Auch stellt die benötigte Hilfswicklung auf dem Träger 15 der Stromer­ fassungsspule 16 einen nur geringen Aufwand dar, da nur wenige Windungen benötigt werden. Die übrigen erwähnten elektronischen Komponenten sind preiswerte Standardbauteile mit geringen Abmessungen, die auf einer Leiterplatte der elektronischen Auslöseeinrichtung untergebracht werden können. Daher können Leistungsschalter ohne eine Vergrößerung ihrer Abmessungen mit der beschriebenen Überwachungs­ einrichtung ausgerüstet werden.

Claims (5)

1. Elektronische Auslöseeinrichtung für einen Leistungs­ schalter (1) mit einem in einer Hauptstrombahn (2) des Leistungsschalters (1) angeordneten Stromerfassungsspule (10) eines Rogowski-Stromwandlers, wobei das Ausgangssignal der Stromerfassungsspule (10) nach Verarbeitung in einer Verstärkerschaltung (11) der Auslöseeinrichtung zur Aus­ wertung anhand vorgegebener Parameter und zur Erzeugung eines Auslösesignales zwecks Unterbrechung der Hauptstrombahn (2) des Leistungsschalters (1) beim Überschreiten von Grenzwerten eines in der Hauptstrombahn (2) fließenden Stromes zugeführt wird, gekennzeichnet durch, folgende Merkmale:

• 1. der Stromerfassungsspule (10) ist eine Kapazität (13) solcher Größe parallelgeschaltet, daß ein Schwingkreis (14) mit einer erhöhten, wesentlich über der Frequenz des in der Hauptstrombahn (2) fließenden Stromes gebildet ist,
• 2. durch einen Generator (18) ist eine Hilfsenergie mit der genannten erhöhten Frequenz bereitstellbar,
• 3. es sind Zuführungsmittel zur Einspeisung der Hilfsenergie in die Stromerfassungsspule (10) vorgesehen,
• 4. dem Zuführungsmittel ist eine Auswertungsschaltung zur Erfassung der von dem Schwingkreis aufgenommenen Energie und zur Abgabe eines entsprechenden Steuersignales zugeordnet, und
• 5. durch das Steuersignal ist ein Anzeigemittel (27) steuerbar.

2. Auslöseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der von dem Generator (18) erzeugten Hilfsenergie veränderbar ist und daß die Auswertungsschaltung zusätzlich die jeweilige Frequenz erfaßt und ein entsprechendes weiteres Steuersignal erzeugt.

3. Auslöseeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Frequenz der von dem Generator (18) abgegebenen Hilfsenergie durch eine Programmsteuerung selbsttätig erfolgt und daß die Auswertungsschaltung ein Steuersignal für die von dem Schwingkreis (14) aufgenommene Hilfsenergie nur bei einer Überschreitung eines Grenzwertes abgibt.

4. Auslöseeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführungsmittel für die Hilfsenergie als eine auf einem Tragkörper (15) der Stromerfassungsspule (10) aufgebrachte Hilfswicklung (16) ausgebildet ist.

5. Auslöseeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmsteuerung des Generators (18) und die Messung der von dem Schwingkreis (14) aufgenommenen Hilfsenergie durch eine zu der Auslöseeinrichtung gehörende Mikroprozessoreinrichtung (7) erfolgen.