DE2617681A1

DE2617681A1 - Geraet zur unterbrechung von fehlstroemen, insbesondere erdstroemen, in einem elektrischen netz

Info

Publication number: DE2617681A1
Application number: DE19762617681
Authority: DE
Inventors: Alan B Shimp
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-04-29
Filing date: 1976-04-23
Publication date: 1976-11-11
Also published as: BR7602528A; PH11576A; ZA762181B; AU1290376A; JPS5526663B2; BE841136A; AR209164A1; JPS51133742A; US3959695A; YU97776A; ES447481A1; CH597707A5; FR2310004A1; NZ180655A; IN145862B; AU497430B2; GB1548745A; IT1086421B; CA1008961A

Description

Or.-tng. Ernst Stratmann Patentanwalt·

4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

•Düsseldorf, 21. April 1976

WE 45,406
7639

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh/ Pa'./ V." Sf." A.

Gerät zur Unterbrechung von Fehlströmen, insber sondere Erdströmen, in einem elektrischen Netz

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Unterbrechung von Fehlströmen, insbesondere Erdströmen, in einem elektrischen Netz.

In der US-PS 3 818 275 wird ein Schaltkreis-Unterbrechungssystem offenbart, das in der Lage ist, Fehlerströme in der zu schützenden Leitung festzustellen und aufgrund dessen Informationen über den Status der Fehlerströme zu erhalten und einen Schaltkreisunterbrecher auszulösen, wenn der gemessene Fehlerstrom eine vorbestimmte Höhe erreicht. Nach Beginn des Auslösevorgangs wird noch ausreichend Energie von dem Fehlerstrom entnommen, um den Auslösevorgang fortzusetzen und abzuschließen. Somit benutzt dieses bekannte Steuerungssystem vor dem tatsächlichen Auslösen zunächst die zur Verfügung stehende Energie, um Informationen hinsichtlich der richtigen Zeit zu erhalten, zu der ein Auslösevorgang eingeleitet werden muß, um nach Beginn des Auslösevorganges, wenn diese Informationen nicht mehr benötigt werden,

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keine Energie mehr für die Lieferung dieser Informationen zu verbrauchen, sondern statt dessen alle zur Verfügung stehende Energie dazu zu verwenden, den begonnenen Auslösevorgang fortzusetzen und abzuschließen.

Bei einigen Anwendungsbeispielen ist es wünschenswert, Verteilungsnetze nicht nur hinsichtlich gewöhnlicher Fehlerströme zu überwachen, wie sie z. B. durch Überlastungen oder Kurzschlüsse verursacht werden, sondern auch hinsichtlich von Erdfehlerströmen, die manchmal auch als Erdleckströme bezeichnet werden, um einen Schaltkreisunterbrecher aufgrund dieses Erdfehlerstromes auszulösen. Gewöhnlich sind jedoch die Fehlerströme nicht von ausreichender Höhe, um die Auslöseenergie zu liefern, wenn sie benötigt wird. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zu schaffen, um aus den Erdfehlerströmen ausreichend Energie abzuleiten, so daß nach Auslösung des Unterbrechungsvorganges dieser auch mit Sicherheit abgeschlossen werden kann.

Die Erfindung wird gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines mehrphasigen elektrischen Systems, das von. einem erfindungsgemäßen

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Gerät zur Unterbrechung des Schaltkreises geschützt wird;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm des Teils des in Fig. 1 dargestellten Schaltkreises, der für die Versorgung der Auslösespule mit Energie während der Erdfehlerunterbrechung verantwortlich ist; und

Fig. 3 eine andere Anordnung der Transformatoren zu Lieferung von Informationen und Erregungsleistung für den in Fig. 1 dargestellten Schaltkreis.

In Fig. 1.ist ein elektrisches Netzwerk oder System 10 dargestellt. Das elektrische System 10 kann zur Steuerung eines Schaltkreisunterbrechers CB benutzt werden, das wiederum ein dreiphasiges, einphasiges oder mehrphasiges Wechselstromnetzwerk schützen kann. Die drei Phasen können elektrische Leitungen L1, L2, L3 und eine neutrale Leitung N umfassen. Es kann ebenfalls eine Erdleitung G vorhanden sein. In jedem der Leiter L1, L2, L3 und N können entsprechende elektrische Ströme IL1, IL2, IL3 und IN fließen. Diese elektrischen Ströme sind in der vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung Wechselströme. Jede der Leitungen L1, L2, L3 und N kann mit zwischengeschalteten Stromwandlern oder anderen geeigneten Strommeßeinrichtungen CT1, CT2, CT3 und CTN versehen sein. Die Ausgänge der Stromwandler CT1, CT2 oder CT3 können in Serie zu Primärwicklungen P1, P2 und P3 von Transformatoren T1, T2 bzw. T3 geschaltet sein. Diese Serienschaltungen CTi/P1, CT2/P2 und CT3/P3 können parallel

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über den Ausgang des Stromtransformators CTN angeschlossen sein. Ebenfalls über dem Ausgang des Stromtransformators CTN kann die Primärwicklung PG eines Transformators TG liegen. Jeder Transformator T1 , T2 und T3 besitzt eine Sekundärwicklung S1, S2 bzw. S3. über der Sekundärwicklung S1 liegen die Eingangsanschlüsse eines Vollwegbrückengleichrichters DB1, der vier Dioden D1 - D4 aufweist. In ähnlicher Weise sind über der Sekundärwicklung S2 die Eingangsanschlüsse eines ähnlichen Vollwegbrückengleichrichters DB2 angeschlossen. Über der Sekundärwicklung S3 liegen die Eingangsanschlüsse eines Vollweggleichrichters DB3. Die Ausgangsanschlüsse der Vollwegbrückengleichrichter DB1, DB2 und DB3 können in Serie geschaltet sein, um einen vollständigen Brückenausgang an den Anschlüssen A und A¹ zu bilden. Die Leitung 15 kann zwischen dem positiven (+) Ausgangsanschluß der Brücke DB1 und dem Anschluß A verbunden sein. Die Leitung 16 liegt zwischen dem negativen (-) Ausgangsanschluß der Brücke DB3 und dem Anschluß A¹. Mit dem Anschluß A ist ein Ende eines Widerstandselementes R1 am Anschluß H verbunden. Ebenfalls mit dem Anschluß A verbunden ist das Steuerende eines Zenerdiodenelementes ZD3 und ein Ende einer Leistungsversorgungsleitung PL für die Auslösespule TC1. Mit dem anderen Ende des Widerstandselements R1 ist das Steuerende des Zenerdiodenelementes ZD1 verbunden, außerdem ein Ende eines Widerstandselementes R, ein Ende eines Kondensatorelementes C1 und ein Ende eines Leistungsversorgungsanschlusses 30a für einen Zeitsteuerschaltkreis 30 (der in Fig. 1 nur als Funktionsblock dargestellt ist). Mit der Anode des Zenerdiodenelementes ZD1 kann die Anode eines anderen Zenerdiodenelementes ZD2 und die Basis eines NPK-Transistors Q2 verbunden

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sein. An dem Steueranschluß des Zenerdiodenelementes ZD2 können der Emitter eines NPN-Transistors oder einer ähnlichen Einrichtung Q1 sowie zwei elektrische Leiter 42 und 42' angeschlossen sein. Der Kollektor des Transistors 01 ist mit dem Kollektor des Transistors Ql und mit der anderen Seite des Widerstandselementes R verbunden. Mit der zuletzt erwähnten Seite des Widerstandselementes R ist eine Leitung 40 verbunden. Die Basis des Transistors Q1 ist mit der anderen Seite des vorher erwähnten kapazitiven Elementes C1 sowie mit einem Eingangsanschluß 30b der Zeitsteuereinrichtung 30 verbunden. Ebenfalls mit der Basis des Transistors Q1 ist die Anode eines Diodenelementes D5 verbunden, dessen Kathode mit der anderen Seite der Auslösespule TC1 und mit der Anode eines Thyristors oder einer ähnlich gesteuerten Einrichtung Q3 verbunden ist. Mit der Steuerelektrode des Thyristors oder der ähnlich gesteuerten Einrichtung Q3 ist ein Ausgangsanschluß 30c der Zeitsteuereinrichtung 30 und die Anode der vorher beschriebenen Zenerdiodeneinrichtung ZD3 verbunden. An der Steuerelektrode des Thyristors Q3 ist auch eine Leitung 50 angeschlossen.

Mit dem Anschluß A¹ ist der Emitter des Transistors Q2 verbunden, außerdem der andere Leistungsversorgungsanschluß 3Od für die Zeitsteuereinrichtung 30, die Kathode des Thyristors Q3 sowie Teile des Erdauslöseschaltkreises GTC, der im folgenden noch genauer beschrieben wird.

Die Auslösespule TC1 kann eine mechanische Verbindung 34 steuern, die den beweglichen Kern der Auslösespule TC1 mit trennbaren

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Hauptkontakten a-a, b-b und c-c für die Leitungen L1, L2 bzw. L3 verbindet. Wenn demgemäß die Auslösespule TC1 in korrekter Weise erregt wird, veranlaßt die Verbindung 34 die trennbaren Hauptkontakte, sich zu öffnen und somit die vorher erwähnten elektrischen Leiter L1, L2 und L3 zu schützen.

Es ist eine Erdauslösesteuerungsschaltung GTC vorgesehen. Der Eingang zur Erdauslösesteuerungsschaltung GTC ist die sekundäre Wicklung SG des vorher beschriebenen Transformators TG. Über dieser Wicklung sind die Eingangsanschlüsse einer Diodenbrücke DB4 angeschlossen. Der positive Ausgangsanschluß (+) der Diodenbrücke ist mit einem Ende eines Widerstandselementes R2G und ir.it einem Ende eines Widerstandselementes R1G verbunden. Das andere Ende des Widerstandselementes R2G ist mit einem Ende eines Widerstandselementes oder Potentiometers R3G verbunden, dessen anderes Ende mit dem Emitter eines PNP-Transistors Q4 verbunden sein mag. Die Basis des Transistors Q4 ist mit dem anderen Ende des Widerstandselementes R1G und mit dem bereits beschriebenen Leiter 40 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q4 liegt an einem Ende eines Widerstandselementes R4G und an der Anode eines Diodenelementes D4G. Die Kathode des Diodenelementes D4G ist mit einem Ende eines kapazitiven Elementes C1G, einem Ende eines Widerstandselementes R5G und der Basis eines PNP-Transistors Q2G verbunden. Der Emitter des Transistors Q2G liegt an einem Ende eines Widerstandselementes R7G, einem Ende eines Widerstandselementes RlOG und am bereits beschriebenen Leiter 42'. Der Kollektor des Transistors Q2G ist mit dem einen Ende eines Widerstandselementes R6G und mit der Basis eines NPN-Transistors Q3G

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verbunden. Der Kollektor des Transistors Q3G ist an ein Ende eines Potentiometers oder einer Widerstandseinrichtung R8G, an ein Ende einer Kondensatoreinrichtung C2G und an der Anode eines steuerbaren Unijunction-Transistors (Schalttransistors) Q4G angeschlossen. Das andere Ende des Potentiometers R8G liegt am anderen Ende des bereits erwähnten Widerstandselementes R7G. Die Steuerelektrode des steuerbaren Schalttransistors Q4G ist mit dem anderen Ende des bereits erwähnten Widerstandselementes R10G und mit dem einen Ende eines Widerstandselementes R11G verbunden. Die Kathode des steuerbaren Schalttransistors Q4G liegt an einem Ende einer Widerstandseinrichtung R12G_f deren anderes Ende mit der bereits beschriebenen Leitung 50 verbunden ist. Das andere Ende des Widerstandselementes R4G, des kapazitiven Elementes C1G, der Widerstandselemente R5G und R6G_r des kapazitiven Elements C2G und des Widerstandselementes R11G wie auch der Emitter des Transistors Q3G sind mit einem Leiter 16¹ verbunden, der wiederum an der Leitung 16 liegt. Die bereits beschriebenen Zenerdioden ZD1 und ZD2, die Transistoren Q1 und Q2, der Widerstand R, die Kapazität C1 und die Diode D5 bilden ein Festkörper- oder statisches Steuerungssystem 12. Die Transistoren Q1, Q2 und die Zenerdiode ZD2 allein bilden eine gleichzeitig steuernde und schaltende Einrichtung 20.

Der Zeitsteuerschaltkreis 30 kann durch das statische Steuerungssystem 12 aufgrund eines Fehlers auf den Leitungen L1, L2 "ind/oder L3 betätigt werden, um eine Betätigung des Thyristors Q3 cüi seiner Steuerelektrode zu bewirken und eine Auslösung des Schaltkreisunterbrechers CB einzuleiten. Die Erdauslösewirkung

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erfolgt aufgrund der Anwesenheit eines Erdfehlerstromes zwischen irgendeiner der Leitungen L1, L2, L3 und/oder N zur Ableitung G. In ähnlicher Weise wird die Auslösespule TC1 für eine Unterbrechung des Schaltkreises durch den Schaltkreisunterbrecher CB von Energie erregt, die im Falle eines normalen Fehlers aus der Leitung P1 von der Leitung 15 oder für den Fall des Auftretens eines Erdfehlers vom Widerstandselement R1 geliefert wird, wie noch im folgenden erläutert wird.

Betrieb des Meßschaltkreises 12 für den gewöhnlichen Fehler vor dew Auslösen' ·

Die Stromtransformatoren CT1 - CT3 liefern an die Primärwicklungen Pl, P2 bzw. P3 der Transformatoren Tl, T2 bzw. T3 Strom. Der Strom ist in jedem Falle proportional zu den Strömen IL1, IL2 bzw. IL3. Die Anordnung der Diodenbrücken DB1 - DB3, die von den Sekundärwicklungen S1, S2 bzw. S3 versorgt werden, ist derartig, daß eine "Auktions"-Wirkung möglich wird. Eine "Auktions-Wirkung" führt dazu, daß der höchste Wert der Ströme ILl, IL2 und IL3 zur Spannung VB an den Anschlüssen A, A¹ in Beziehung gesetzt wird. Der durch die Anschlüsse A, A¹ fließende Strom wird mit Il bezeichnet. Dies ist ein gleichgerichteter pulsierender Strom. Der Strom Il bezieht sich auf den Wert des höchsten Stromes IL1 - IL3. Der Strom H wird dem messenden und leistungsliefernden Schaltkreis oder Netzwerk 12 zugeführt, wo ein Informationssignal über dem Widerstand R erzeugt wird, das proportional zur Höhe des Stromes IL ist, die natürlich zum Wert des höchsten Stromes IL1 - IL3 in Beziehung steht. Dieses Informationssignal wird verwendet, um Informationen an den Anschlüssen B

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und C der Fig. 1 zu liefern. Nimmt man an, daß in keiner der Leitungen L1 - L3 ein Fehlerstrom fließt, ist der Thyristor Q3 im wesentlichen nichtleitend und infolgedessen fließt im wesentlichen kein Strom durch die Auslösespule TC1. Aufgrund dessen wird im wesentlichen der gesamte elektrische Strom 11 zur Lieferung von Signal- oder Informationsenergie an den Zeitsteuerschaltkreis 30 verwendet, und zwar mittels des kombinierten messenden und Leistung liefernden Schaltkreises 12. Praktisch kein Anteil des oben erwähnten Stromes fließt durch die Auslösespule TC1.

Die steuernden Eigenschaften der vorstehend beschriebenen steuernden und schaltenden Kombinationseinrichtung 20 stellt sicher, daß die Spannung zwischen den Anschlüssen B und D der Fig. 1 sich auf einem vorbestimmten Gleichstromwert befindet, dessen Höhe ansteigt mit einem Anstieg des Spitzenwertes des Stromes 11. Die Steuerungseigenschaften, die mit der Steuer- und Schaltkombinationseinrichtung 20 verbunden sind, werden im folgenden vollständig beschrieben. Ein im wesentlichen fester oder vorbestimmter Spannungsbezugspegel existiert über den Anschlüssen C und D des Netzwerkes 12, gegenüber der die Spannung über den Anschlüssen B und C gemessen oder verglichen wird, die sich proportional zum Pegel des Stromes 11 verändern kann. Wenn infolgedessen zumindest einer der Ströme IL1 - IL3 einen vorbestimmten Wert überschreitet, beginnt eine ZeitSteueroperation innerhalb des Schaltkreises 30, die danach zur Erregung des Thyristors Q3 führt und damit den Schaltkreis zwischen dem Anschluß H und einem Anschluß D schließt, wodurch Strom durch die

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Auslösespule TC1 fließt, um diese Auslösespule in einer ausreichenden Höhe und für eine ausreichende Zeitdauer mit Leistung zu versorgen und damit den Öffnungsbetrieb für den Schaltkreisunterbrecher CB zu vollenden. Gleichzeitig wird ein Signal über eine Leitung 32 und die Diode D5 zur Steuer- und Schaltkombinationseinrichtung 20 geliefert, wodurch diese Einrichtung 20 veranlaßt wird, abzuschalten oder den Durchfluß von elektrischem Strom durch die Widerstandseinrichtung oder den Widerstand R zu verhindern. Dies bedeutet, daß vor dem Auslösen praktisch die gesamte Energie der Leitungen L1 - L3, wie sie von den Diodenbrücken DB1 - DB3 "auktioniert" wird, für die Meßzwecke verwendet wird. Wenn andererseits der Auslösevorgang begonnen hat, wird im wesentlichen der gesamte vorerwähnte Strom bzw. dessen Energie zu jedem Zeitpunkt benutzt, um die Auslösespule TC1 mit Leistung zu versorgen, bis der Auslösevorgang abgeschlossen wurde. Praktisch kein Strom 11 wird zu dieser Zeit für Meß- oder Informationszwecke verwendet. Der Meßteil des Schaltkreises oder Netzwerkes 12 ist somit zu dieser Zeit immer inaktiv oder unterdrückt .

Der Strom 11 fließt im wesentlichen vollständig durch das Widerstandselement oder den Widerstand R, da der Thyristor oder das Schaltelement Q3 zu dieser Zeit im wesentlichen nichtleitend oder geöffnet ist. Daher wird über dem Widerstandselement R zwischen den Anschlüssen T-T an seinen beiden Enden eine Spannung erzeugt. Diese Spannung ist im wesentlichen proportional zur Größe des Stromes 11, der durch das Widerstandselement R fließt. Der Spitzenwert dieser Spannung ist in jedem Augenblick im

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wesentlichen proportional zu dem höchsten Strom IL1 - IL3, der in den Leitungen IL1 - IL3 fließt. Das meiste des Stromes 11 fließt zu dieser Zeit durch das Widerstandselement R.

Ein Teil des Stromes 11 fließt über Kollektor und Emitter des Transistors Q1 und dann durch die Zenerdiode ZD2 über Basis und Emitter des Transistors Q2 zu einem gemeinsamen Punkt D. Es ist zu bemerken, daß unabhängig von der Höhe des fließenden Stromes 11 der Spannungsabfall des Basis-Emitter-Überganges des Transistors Q2 im wesentlichen konstant ist. In ähnlicher Weise ist auch der Spannungsabfall über der Zenerdiode ZD2 im wesentlichen konstant und von im wesentlichen vorbestimmtem Wert. Schließlich ist auch in ähnlicher Weise der Spannungsabfall über dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q1 im wesentlichen konstant. Infolgedessen ist der Spannungsabfall zwischen dem Anschluß C oder der Basis des Transistors Q1 und dem Anschluß D oder dem Emitter des Transistors Q2 im wesentlichen konstant und stellt die Bezugsspannung für den Zeitsteuerschaltkreis 30 dar.

Da das kapazitive Element C1 in Serienkombination mit dem Widerstandselement R und dem Emitter-Basis-Übergang des Transistors Q1 geschaltet ist, ist der Wert der Spannung über dem Kondensator C1 im wesentlichen gleich dem Spitzenwert der Spannung über dem Widerstand R. Während also die Spitze oder der Maximalwert der pulsierenden Spannung über dem Widerstand R ansteigt oder abfällt, ändert sich der Spannungspegel über der Kapazität C1, die im wesentlichen konstant ist, im wesentlichen proportional

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dazu. Diese Spannung ist das Eingangssignal für den Zeitsteuerschaltkreis 30 und wird mit dem Bezugssignal verglichen, das bereits beschrieben wurde, um festzustellen, wann eine Zeitauslösung beginnen sollte. Die Elemente (nicht gezeigt) des Zeitsteuerschaltkreises 30 können so eingestellt werden, daß die Spannung über dem Kondensator C1 einen Betrieb oder eine Auslösung des Zeitsteuerschaltkreises 30 verursacht, wenn ein vorbestimmter Spannungswert dem kapazitiven Element C1 aufgedrückt wird. Dies erzeugt ein Signal am Ausgangsanschluß 30c des Zeitsteuerschaltkreises 30 für die nachfolgende Auslösung des Schaltkreisunterbrechers CB durch Erregung der Steuerelektrode des Thyristors Q3.

Betrieb des Erdfehler-Auslöse-Steuerungsschaltkreises GTC vor dem Auslösebetrieb

Die Anordnung der Transformatoren CT1, CT2, CT3, CTN, T1, T2, T3 und TG ist bekannt. Zur letztgenannten Anordnung gehört das Prinzip, daß der Strom ITG, der in der Sekundärwicklung SG des Transformators TG fließt, proportional zum Wert des Erdfehlerstromes ist. Es ist zu bemerken, daß bei Fließen eines Erdfehlerstromes irgendeine der Leitungen L1, L2, L3 oder N oder eine Kombination dieser Leitungen diesen Erdfehlerstrom aufnehmen muß. Infolgedessen liefern die Stromtransformatoren CT1 - CT3 eine Anzeige dieser Tatsache an den Anschlüssen A und A' der Fig. 1. Wegen der Heimtücke von Erdfehlern ist es jedoch wahrscheinlich, daß der Erdfehlerstrom von geringer Größe ist, die nicht ausreicht, das Auslösen des Schaltkreisunterbrechers CB über die Einheit 12 zu bewirken und auch nicht ausreicht, um

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diesen vom Anschluß H über die Leitung PL mit Leistung zu versorgen, wie es vorgehend beschrieben wurde.

Der Strom ITG fließt durch die Eingangsanschlüsse der Diodenbrücke DB4_r wo ein entsprechender Strom IG für den Erdfehlerschaltkreis ITC geliefert wird. Eine Spannung, die proportional zum Erdfehlerstrom ist, erscheint über dem Widerstand R4G des Spannungsteilernetzwerkes, das diesen Widerstand und die Widerstände R2G und R3G wie auch den Transistor Q4 enthält. Die Spannung wird durch die folgende Gleichung gegeben:

V(R4G) = IG χ R1G χ (r4G/R3G + R2G)j

Die letztgenannte Spannung, die mit Hilfe der Diode D4G geliefert wird, wird dem Kondensator C1G aufgedrückt, der den Spitzenwert der Spannung speichert. Der Widerstand R5G ist ein Basistreiberwiderstand für den Transistor Q2G. In ähnlicher Weise ist der Widerstand R6G der Kollektorwideiitand für den Transistor Q2G. Die bereits beschriebene Bezugsspannung zwischen den Anschlüssen C und D wird zurück zum Erdauslöseschaltkreis GTC über die Leitungen 42' und 16' geschickt. Wenn diese Spannung höher ist, als die Spannung über dem kapazitiven Element C1G, befindet sich der Transistor Q2G in eingeschaltetem Zustand und infolgedessen der Transistor Q3G ebenfalls im eingeschalteten Zustand. Da der Transistor Q3G eingeschaltet ist, wird das kapazitive Element C2G kurzgeschlossen. Wenn jedoch die vorbestimmte Beziehung zwischen der Spannung über dem Kondensator C1G und der vorher beschriebenen Bezugsspannung einen derartigen Wert hat, daß sie anzeigt, daß ein vorbestimmter Wert eines Erd-

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fehlerStromes in dem zu schützenden Schaltkreis fließt, wird der Transistor Q2G durch die Vorwärtsvorspannung an dessen Basis-Emitter-Übergang abgeschaltet. Dies wiederum schaltet den Transistor Q3G ab und entfernt somit den Kurzschluß über dem Kondensator C2G. Dadurch wird dem Kondensator C2G ermöglicht, sich über die Widerstandselemente R7G und R8G aufzuladen, bis eine Spannung erreicht ist, die der Steuerelektrode des programmierten Schalttransistors Q4G (Unijunction-Transistor) aufgedrückt wird, wobei die letztgenannte Spannung größer ist als die Spannung an seiner Anode, die von dem Spannungsteilernetzwerk bestimmt wird, das aus den Widerständen RlOG und R11G besteht. Nachdem einmal der programmierte Unijunction-Transistor Q4G eingeschaltet ist, wird ein Erregungsstromimpuls mit Hilfe des Widerstandes R12G und einer Leitung 50 der Steuerelektrode des Thyristors oder einer ähnlichen torsteuernden Einrichtung Q3 zugeführt, um die Auslösewirkung für den Schaltkreisunterbrecher CB einzuleiten.

Betrieb des Auslöseschaltkreises 12 für den gewöhnlichen Fehler",· nachdem" eine' Auslösung· -eingeleitet· wurde"

Die Spannung über dem Thyristor Q3, das ist die Spannung zwischen der Leitung 32 und dem Anschluß D, fällt ungefähr auf 0 Volt ab, wenn der Thyristor Q3 eingeschaltet wurde. Dies bewirkt, daß der Steuerungsteil 20 des Steuerungssystems 12 vom Widerstand R wirksam abgeschaltet wird. Der vorher beschriebene Strom 11, der über die Anschlüsse A und A¹ fließt, wird vom Anschluß H durch die Leitung PL und die Auslösespule TCl geschickt, um diese Auslösespule ausreichend zu erregen und zu veranlassen,

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den Auslösevorgang des Schaltkreisunterbrechers CB zu vollenden. Die Spannung VB wird einen Wert besitzen, der gleich dem Produkt aus dem Strom 11 und dem Widerstand (nicht dargestellt) der Auslösespule TC1 ist, weil der Steuerungsteil des Schaltkreises, der die Transistoren Q1 und Q2 und die Zenerdiode ZD2 umfaßt, in wirksamer Weise wie vorbeschrieben abgeschaltet wurde. Wenn die Spannung VB die Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD1 aufgrund von hohen Werten des Stromes 11 erreicht, wird die Spannung VB auf einem maximalen Wert festgehalten, der in bezug steht zu der Steuerungsspannung der Zenerdiode ZD1. Hohe Werte des Stromes 11 werden den hohen Werten der Leistungsströme IL1 bis IL3 in den zu schützenden Leitungen L1, L2 bzw. L3 entsprechen. Wenn hohe Ströme in den Leitungen L1, L2, L3 und/oder N auftreten, werden die Stromtransformatoren CT1 - CTN versuchen, einen proportionalen Sekundärstrom und damit einen hohen Wert des Stromes 11 zu erzeugen, unabhängig von der Anwesenheit einer sekundären Last, die an den Stromtransformatoren anliegt. Die Leitung der Zenerdiode ZD1 besitzt eine Tendenz, einen Basisstrom für den Transistor Q2 zu liefern, um diesen einzuschalten und somit einen Nebenschluß für den überschüssigen Strom 11 durch den Widerstand R und den Transistor Q2 zu liefern. Dies hat die gegenteilige Wirkung wie die, die bei Reduzierung der Spannung über dem Thyristor Q3 auftritt. Die Steuerungseigenschaften stören jedoch nicht den Fluß von wesentlichem Strom durch die Leitung PL zu der Auslösespule TC1 für die Auslöung. Natürlich werden der Strom und die zugehörigen Spannungen weiterhin fließen, bis der Schaltkreisunterbrecher vollständig sich öffnet und somit die Ströme IL1 - IL3 unterbricht und damit die verschiedenen

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Ströme und Spannungen von dem Schaltkreis 12 und dem Schaltkreis GTC entfernt, bis der Schaltkreisunterbrecher wieder geschlossen wird.

Betrieb des Erdfehler-Auslöse-Steuerungsschaltkreises GTC nach Beginn des Auslösevorganges

Da der Wert des Stromes IG für einen gegebenen Erdfehlerstrom auf dem Strom beruht, der zum Betrieb der Auslösespule TC1 erforderlich ist, werden die Bauteile für den Erdauslöseschaltkreis GTC so gewählt, daß sie den gewünschten Einstellbereich für die Auslösehöhe und die Auslösezeit liefern. Das Potentiometer R3G steuert den Bereich des Erdfehlerstromes, bei dem der Schaltkreis GTC eine Erdfehlerauslösewirkung liefert, d. h. das Potentiometer steuert die Empfindlichkeit des Erdfehlerauslöse-Steuerungsschaltkreises gegenüber den gemessenen Erdfehlerströmen. Das Potentiometer R8G steuert den Bereich der Zeitverzögerung, da es die Ladezeit des Kondensators C2G beeinflußt. Der Widerstand R1G, der als Teil eines Nennwerteinschubes vorgesehen sein mag, d. h., der mit dem Widerstand R als eine Einschubeinheit für den Schaltkreis 10 vorgesehen sein kann, legt den Nennwert für die Erdfehlerauslösung des Schaltkreisunterbrechers CB fest. Bevor die Steuereinrichtung 20 von der Spannung über dem leitenden Thyristor Q3 abgeschaltet wurde, wurde der Strom IG, der durch das Widerstandselement R1G und Leitung 40 floß, über den mit einem verhältnismäßig niedrigen Impedanzwert versehenen Weg des Elementes 20 zu der rückführenden Leitung 16' für den Erdfehlerauslöseschaltkreis GTC geleitet. Nachdem jedoch die Steuereinrichtung 20 bei der Einleitung des Auslösens

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abgeschaltet wurde, fließt der Strom IG durch das Widerstandselement R, das Widerstandselement R1 und die Leitung PL zu der Auslösespule TC1 und zurück zur Rückführleitung 16', d. h., der Strom wird zu dem Strom IG hinzugefügt, um eine ausreichende Erregung der Auslösespule TC1 sicherzustellen, um den Auslösevorgang, der durch das Einschalten des Schaltelementes Q3 begonnen wurde, zu vollenden.

In Fig. 2 ist der Erregungsweg für die Auslösespule TC1 während einer Erdfehlerauslösung dargestellt, ohne daß die übrigen Schaltr kreiselemente wiedergegeben sind, um die Γ"utlichkeit zu erhöhen. Wie zu erkennen ist, liefert der Strom ITG auf der sekundären Wicklung SG des Transformators TC den Gleichstrom IG am Ausgang der Brücke DB4. Dieser Strom fließt durch das Widerstandselement RlG, die Leitung 40, das Widerstandselement R und das Widerstandselement Rl zum Anschluß H. Hier wird der Strom zu dem Reststrom 11 addiert, der vom Anschluß A abgeleitet wird. Die Summe der Ströme 11 und IG fließt durch die Leitung PL zur Auslösespule TCl, die ausreichend erregt wird, um eine Beendigung des Auslösevorganges sicherzustellen. Die kombinierten Ströme 11 und IG fließen durch den leitenden Thyristor Q3 zu der Verbindung der Leitungen 16 und 16' und von dort kehrt der Strom 11 durch die Leitung 16 zum Anschluß A¹ und der Strom IG durch die Leitung 16' zur negativen Seite der Diodenbrücke DB4 zurück. Es ist zu bemerken, daß die Steuerungs- und Schalteinrichtung 20 zu dieser Zeit "abgeschaltet" ist bzw. einen ausreichend hohen Widerstand verglichen mit dem Widerstand auf dem Weg des Erregungsstromes für die Auslösespule TC1 besitzt, so daß sicher-

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gestellt wird, daß im wesentlichen der gesamte Strom IG zur Leitung 16¹ durch die Widerstände R und R1 und die Leitung PL zurückkehrt, statt daß er direkt durch die Einrichtungen 20 und Leitung 16 fließt.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform für die messenden und Leistung liefernden Transformatoren und die Diodenbrücken dargestellt, die mit den Anschlüssen A und A¹ verbunden sind. In diesem Falle besitzen die vier Stromtransformatoren CT1, CT2, CT3 und CTN, die elektrisch und/oder magnetisch mit den Leitungen L1, L2, L3 bzw. N verknüpft sind, in Serie angeschlossene Primärwicklungen P1, P2, P3 und P4. Weiterhin ist die Diodenbrücke DBl an ihren Eingangsanschlüssen mit der Serienanordnung der Stromtransformatoren CT1 und der Primärwicklung P1 verbunden. In ähnlicher Weise ist die Diodenbrücke DB2 mit dem Stromtransformator CT2 und der Primärwicklung P2 verknüpft. Schließlich ist die Diodenbrücke DB3 mit dem Stromtransformator CT3 und der Wicklung P3 verbunden. Dies liefert den ¹¹ Aukt ions "-Strom II, der über den Anschlüssen A und A¹ fließen mag. Der Stromtransformator CTN besitzt keine Diodenbrücke. Die vorher beschriebenen primären Wicklungen P1, P2, P3 und P4 bilden jeweils eine primäre Wicklung eines Transformators TG2, der insgesamt vier Primärwicklungen sowie eine Sekundärwicklung SG2 aufweist. Die Sekundärwicklung SG2 ist in Serienschaltung mit einer Primärwicklung PG¹ eines Transformators TG¹ verbunden, der ähnlich zum Transformator TG in Fig. 1 ist« Der Ausgang des Transformators TG¹ versorgt den bereits beschriebenen Festkörper-Erdfehlerauslöseschaltkreis GTC mit dem Strom ITG, wie in Fig.

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dargestellt. In der letztgenannten Anordnung trägt jede einzelne Primärwicklung P1 bis P4 des Transformators TG fortlaufend den Ausgang eines der Leitungsstrom-Transformatoren. Dies führt gewöhnlich dazu, daß der Transformator TG in seinen Abmessungen größer ist als es bisher erforderlich war. Andererseits werden die drei Transformatoren T1, T2 und T3, die in Fig. 1 gezeigt wurden, nicht mehr benötigt.

Es sei erwähnt, daß hinsichtlich der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Betrieb des Schaltkreises GTC mit dem Betrieb des Schaltkreises 12 integral ist und daß viele Funktionen gemeinsame Schaltkreiselemente benutzen. Z. B. wird der Auslösestrom der Spule TC1 entweder während eines normalen Auslösebetriebes, wenn kein Erdfehlerstrom auftritt, oder während eines Erdfehlerauslösebetriebes durch die Leitung PL und den Thyristor Q3 zugeführt. Weiterhin steht die Bezugsspannung über den Anschlüssen C und D mit der Einleitung des Auslösebetriebes durch den Erdfehler-Auslöseschaltkreis GTC in Verbindung. Auch der Zustand des Steuerschaltkreises 20 beeinflußt den Betrieb des Erdfehler-Auslösespulenschaltkreises GTC. Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß nicht alle Operationen des Schaltkreises 10 genau in der dargestellten Weise ablaufen müssen, d. h., daß sie ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken auch anders vorgenommen werden können. Bei der bisherigen Benutzung des Schaltkreises 10 wurde beispielsweise Energie der Auslösespule TC1 direkt durch das Widerstandselement R1 zugeführt, was in der hier dargestellten Ausführungsform nicht der Fall ist. Weiterhin sei bemerkt, daß weder die besondere Anordnung der

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Stromtransformatoren, Diodenbrücken und Erdfehler-Abfühltransformatoren, wie sie hinsichtlich der Fig. 1 und 3 beschrieben wurde, noch die besondere Schaltkreisanordnung des zu schützenden Schaltkreises, noch die besondere Schaltkreis-Unterbrecheranordnung, die dargestellt wurde, den Schutzbereich beschränken soll. Die neue Auslöse-Steuerungsanordnung kann sowohl bei mehrphasigen als auch bei einphasigen Schaltkreisen benutzt werden, wobei sowohl eine Sternschaltung als auch eine Dreieckschaltung oder eine Kombination davon angewendet werden könnte. Weiterhin braucht eine neutrale Leitung wie die hier dargestellte Leitung N, nicht bei allen mehrphasigen Netzen vorhanden zu sein, in welchem Falle der Stromtransformator CTN nicht benötigt wird.

Das erfindungsgemäße Gerät besitzt mehrere Vorteile. Ein Vorteil liegt darin, daß die verschiedenen dargestellten Transformatoranordnungen viele Wahlmöglichkeiten hinsichtlich Anzahl und Größe der benutzten Transformatoren ermöglichen. Z. B. benutzt die in Fig. 1 dargestellte Transformatoranordnung kleinere Transformatoren, hat davon aber mehr als die Anordnung, die in Fig. 3 gezeigt ist, wo umgekehrt der Transformator TG¹ im allgemeinen größer als der Transformator TG der Fig. 1 ist, wofür aber die Gesamtzahl der Transformatoren, die für die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform benötigt wird, geringer ist als die Gesamtzahl, die für die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform erforderlich ist. Natürlich liegt der wesentlichste Vorteil des neuen Gerätes darin, daß eine schnelle Auslösung direkt aufgrund eines Erdfehlerstromes ermöglicht wird, indem alle zur Erregung der Auslösespule notwendigen Ströme zur

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Verfügung gestellt werden. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß das Erfordernis eines minimalen Auslösestromes während nur eines einzigen Zyklusses eines Fehlstromes nicht genug Zeit läßt, um einen Speicherkondensator dazu zu bringen, ausreichende Energie zu speichern, um eine Auslösung vorzunehmen, und daß das
erfindungsgemäße Gerät durch Ableitung von ausreichend Aulöseenergie von der geschützten Leitung oder dem geschützten Netzwerk die Notwendigkeit eines Speicherkondensators beseitigt,
der, nebenbei bemerkt, verhältnismäßig groß sein müßte, um die gleiche Menge von Äuslöseenergie zu liefern, die von dem erfindungsgemäßen Gerät geliefert wird.

' Patentansprüche;

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Claims

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P a t e η t ä η s ρ r ü c h e ;

1. ) Gerät zur Unterbrechung von Fehlströmen, insbesondere Erdströmen, in einem elektrischen Netz, bestehend aus Schaltkreis-Unterbrechungseinrichtungen mit einer strombetätigten Auslöseeinrichtung, ersten Meßeinrichtungen zur Messung des in dem Netz fließenden elektrischen Stromes und zur Lieferung eines Ausgangsstromes, der zum Wert des gemessenen Stromes in Beziehung steht, wobei die ersten Meßeinrichtungen mit der strombetätigten Auslöseeinrichtung in Verbindung stehen, um dieser einen Betätigungsstrom zu liefern, sowie aus Schalteinrichtungen, die mit der strombetätigten Auslöseeinrichtung in Schaltkreisbeziehung steht, um den Durchfluß von Betätigungsstrom zu steuern, gekennzeichnet durch zweite Meßeinrichtungen (CTN, DB4) zur Messung des in dem Netz fließenden Erdfehlerstromes und zur Lieferung eines Ausgangsstromes (IG), der zum Wert des gemessenen Erdfehlerstromes in Beziehung steht, wobei die zweiten Meßeinrichtungen (CTN, DB4) mit der strombetätigten Auslöseeinrichtung (TC1) in Verbindung stehen, um dieser Betätigungsstrom zuzuführen, und durch Steuereinrichtungen (12, 30, GTC), die mit den ersten (CT1-3, DB1-3) und den zweiten (CTN, DB4) Meßeinrichtungen und mit den Schalteinrichtungen (Q3) in der Weise in Verbindung stehen, daß die Schalteinrichtungen (03) veranlaßt werden, einen Betätigungsstrom durch die Auslöseeinrichtung (TC1) zu ermöglichen, wenn der von den ersten Meßeinrichtungen (CT1-3, DB1-3) gemessene Strom einen ersten vorbestimmten Wert

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erreicht, und Betätigungsstrom durch die Auslöseeinrichtung (TC1) zu ermöglichen, wenn der von den zweiten Meßeinrichtungen (CTN, DB4) gemessene Erdfehlerstrom einen zweiten vorbestimmten Wert erreicht, durch Einrichtungen, die die Ausgänge der ersten und der zweiten Meßeinrichtungen mit einem Stromrückkehrweg (Q2) verbineet, der die Auslöseeinrichtung nur dann umgeht, wenn weder die ersten Meßeinrichtungen einen Strom der ersten vorbestimmten Höhe noch die zweiten Meßeinrichtungen einen Erdfehlerstrom der zweiten vorbestimmten Höhe feststellen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreis-Unterbrechungseinrichtung (CB) einen Schaltkreisunterbrecher umfaßt, und daß die strombetätigte Auslöseeinrichtung (TC1) eine elektromagnetische Spule für die Auslösung des Schaltkreisunterbrechers bei Erregung der Spule umfaßt.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Meßeinrichtungen Stromtransformatoren (CTi-3j CTN) umfassen.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Auslöseeinrichtung (TCl) laufende Betätigungsstrom, wenn die zweiten Meßeinrichtungen einen Erdfehlerstrom feststellen, der den zweiten vorbestimmten Wert erreicht, im wesentlichen die Summe (I1+IG, Fig. 2) der Ausgangsströme darstellt, die

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von den ersten und den zweiten Meßeinrichtungen bei Durchfluß des genannten Erdfehlerstromes geliefert werden.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtung (TC1) und die Schalteinrichtung (Q3) in einem Betätigungsstromweg (Pl-16) enthalten sind, der mit dem Ausgang (A-A¹) der ersten Meßeinrichtungen (CT1-3, DB1-3) verbunden ist, und daß die Steuereinrichtungen eine Auslöse-Steuerschaltung (12) für gewöhnlichen Fehler umfassen, die mit den ersten Meßeinrichtungen verbunden ist und Einrichtungen (R, C1) umfaßt, um eine erste Spannung abzuleiten, die proportional zum Ausgangsstrom der ersten Meßeinrichtungen ist, und um die abgeleitete erste Spannung mit einer Bezugsspannung (C-D) zu vergleichen, daß ein schaltender Teil (20) vorhanden ist, der Teil des Stromrückkehrweges ist, sowie ein Steuerteil (30, D5), der die Schalteinrichtung (Q3) nichtleitend und den schaltenden Teil (20) leitend hält, wenn die erste abgeleitete Spannung geringer als die Bezugsspannung und der die Schalteinrichtung (Q3) leitend und den schaltenden Teil (20) nichtleitend macht, wenn die abgeleitete erste Spannung im wesentlichen der Bezugsspannung entspricht.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Meßeinrichtungen (CTN, DB4) mit ihrem Ausgang an den Betätigungsstrom (PL-16) in der Weise verbunden sind, daß Betätigungsstrom vom Ausgang der zweiten Meßeinrich-

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tungen zum Betätigungsstrom addiert wird, der vom Ausgang (A-A¹) der ersten Meßeinrichtungen (CT1-3, DB1-3) geliefert wird, und daß die Steuereinrichtungen (12, 30, GTC) einen Erdfehler-Auslösesteuerschaltkreis (GTC) umfassen, der mit den zweiten Meßeinrichtungen und mit dem Auslöseschaltkreis für den gewöhnlichen Fehler verbunden ist und Einrichtungen (R+G, C1G) umfaßt, um eine zweite Spannung abzuleiten, die proportional zum Ausgangsstrom der zweiten Meßeinrichtungen ist, und diese abgeleitete zweite Spannung mit einer Bezugsspannung zu vergleichen, und daß Auslöse-Einleitungseinrichtungen (Q2G, Q3G, C2G, Q4G) vorhanden sind, die mit den Schalteinrichtungen (Q3) so verbunden sind, daß die Schalteinrichtungen leitend gemacht werden, wenn die abgeleitete zweite Spannung im wesentlichen der Bezugsspannung entspricht, während der Auslöse-Steuerungsteil (D5, 30) des Auslöse-Steuerschaltkreises für den gewöhnlichen Fehler den Schaltungsteil (02+20) im wesentlichen nichtleitend macht aufgrund des Nichtleitendwerdens der Schalteinrichtung.

Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (Q3) eine torgesteuerte Festkörpereinrichtung ist, deren Steuerelektrode sowohl mit dem auslösesteuernden Teil (30, D5) des Auslöse-Steuerschaltkreises für den gewöhnlichen Fehler als auch mit der Auslöse-Einleitungseinrichtung (Q4G) des Erdfehler-Auslösesteuerechaltkreises verbunden ist.

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8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöse-Einleitungseinrichtungen ein kapazitives Element (C2G) umfassen, das in die Antwort der Auslöse-Einleitungseinrichtungen eine Zeitverzögerung einführt, und daß Einrichtungen (R8G) vorgesehen sind, um diese Zeitverzögerung selektiv zu ändern.

9. Gerät nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdstromfehler-Auslöse-Steuerschaltung eine einstellbare Einrichtung (R3G) aufweist, um die Empfindlichkeit des Erdfehler-Auslöse-SteuerSchaltkreises gegenüber den gemessenen Erdfehlerströmen zu verändern.

10. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite vorbestimmte Wert des gemessenen Erdfehlerstromes 5 bis 20 % des Vollast-Nennstromes der Schaltkreis-ünterbrechungseinrichtungen ausmacht.

ES/hs 5

Le e rs e i t e