DE2719774A1

DE2719774A1 - Erdschlussicherung

Info

Publication number: DE2719774A1
Application number: DE19772719774
Authority: DE
Inventors: Jun Otto Heinrich Schade
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1976-05-03
Filing date: 1977-05-03
Publication date: 1977-11-10
Also published as: JPS52133546A; JPS6112450B2; US4045822A; FR2350719B1; CA1070812A; FR2350719A1; GB1547097A

Description

RCA 68,829 Ks/Hi
U.S. Serial No: 682,4-56
Filed: May 3, 1977 % Dr. Dieter v. Bezold '>71Q7^rj/

^ Dipl.-Ing. Peter Schütz * ' f 3 / / 4

DIpI.-Ing. Wolfg-ng Houstor 6 München 86. Postfach 860668

RCA Corporation New York, N.Y., V.St.v.A,

Erdschlußsicherung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, die einen Stromkreis beim Auftreten unerwünschten Erdschlusses unterbricht.

Einrichtungen dieser Gattung unterbrechen den Fluß von Strömen durch eine Gruppe von Wechselstromleitungen immer dann, wenn aufgrund eines Erdschlusses eine genügend anhaltende Differenz zwischen dem zu einer Last hinfließenden Leitungsstrom und dem von der Last zurückfließenden Leitungsstrom gefühlt wird; sie werden daher häufig auch als Fehlstromsicherungen bezeichnet. Es ist zu wünschen, daß der den Stromfluß unterbrechende elektromagnetische Relaisschalter nicht "prellt", d.h. unmittelbar nach seinem ersten Öffnen nicht zwischen geschlossener und geöffneter Stellung hin- und herschwingt. Ein solches "Prellen" kann nämlich zu einer übermäßigen Beanspru-

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chung des Schalters führen und die Erosion der Schalterkontakte beschleunigen. Bei länger anhaltendem Prellen besteht die Gefahr, daß die Wicklung der Relaisschalterspule übererwärmt wird, wodurch der Schalter ausfällt.

Bei manchen Fehlstromsicherungen steuert ein gesteuerter Siliziumgleichrichter (Thyristor) die Zuführung des Betätigungsstroms von den Wechselstromleitungen zum Relaisschalter. Immer wenn ein Erdschluß auftritt, wird mittels eines Differenzstromtransformators das resultierende Ungleichgewicht der durch eine Gruppe von Versorgungs- oder Netzleitungen zu einer Last hinfließenden und von der Last zurückfließenden Ströme gefühlt. Der transformierte Fehlstrom wird gleichgerichtet, und zwar typischerv/eise durch Einweggleichrichtung mittels eines mit Netzfrequenz geschalteten Synchrondetektors, und das gleichgerichtete Signal wird einer Integrationsschaltung zugeführt, um ein integriertes Signal abzuleiten. Wenn eine Vergleichsschaltung feststellt, daß das integrierte Signal einen Schwellenwert überschreitet, liefert sie eine Erdschlußanzeige, aufgrund derer ein Steuersignal zum Thyristor gesandt wird, das den Thyristor leitend macht.

Es wurde gefunden, daß eine derartige Fehlstromsicherung zum Relaiskontaktprellen neigt, wenn ein Erdschluß auftritt, der das integrierte Signal gerade knapp über den Schwellenwert ansteigen läßt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein solches Kontaktprellen bei einer Fehlstromsicherung der beschriebenen Art zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Anlegen des Steuersignals an den Thyristor während des schnell zusammenbrechenden, späteren Teils der Halbwelle des Betätigungsstroms verhindert wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert, in denen Figuren 1 und 2 Schaltbilder erfindungsgemäßer Fehlstromsicherungen zeigen.

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In den Zeichnungen ist die Fehlstromsicherung in ihrer Anwendung bei einem Dreileitersystem mit Nulleiter gezeigt, das eine Gruppe von Leitern 11, 12 und 13 enthält, die durch den Kern 14 eines differenzstromfuhlenden Transformators (Differentialtransformator) 15 gefädelt sind. Die Leiter 11 und 13 führen entgegengesetzte Phasen und können während des Vorliegens eines Erdschlusses durch einen Relaisschalter 16 aufgetrennt werden· der Leiter 14 ist ein geerdeter Nulleiter. Die Fehlstromsicherung kann jedoch auch bei entsprechender geringfügiger Abwandlung in Verbindung mit andersartigen Stromversorgungssystemen, auch mehrphasigen Systemen, verwendet werden.

Die Sekundärwicklung 17 des Differentialtransformators 15» die auch als "Fühlspule" bezeichnet werden kann, fühlt jedes Ungleichgewicht zwischen den von links nach rechts in den Leitern 11, 12 und 13 fließenden Strömen einerseits und den von rechts nach links in den Leitern 11, 12 und 13 fließenden Strömen andererseits. Der entsprechende transformierte Fehlstrom wird einem Gleichrichter 18 zugeführt, der daraufhin ein gleichgerichtetes Signal liefert. Der Gleichrichter 18 besteht typischerweise aus einem für Einweggleichrichtung ausgelegten Synchrondetektor, der mit Netzfrequenz (d.h. mit der Frequenz des über die Leiter des Versorgungssystems fließenden Wechselstroms) geschaltet wird. Das gleichgerichtete Signal vom Gleichrichter 18 wird einer Integrationsschaltung 19 zugeführt und dort integriert. Das integrierte Signal vom Ausgang der Integrationsschaltung 19 wird auf einen Schwellendetektor 20 gegeben. Wenn der Schwellendetektor 20 feststellt, daß das integrierte Signal einen Schwellenwert übersteigt, liefert er eine Erdschlußanzeige.

Die Integrationsschaltung 19 bestehe wie herkömmlich aus einem Kondensator, der vom Gleichrichter 18 mit gleichgerichteten Strömen gespeist wird, und der Schwellendetektor 20 sei ein einfacher Spannungsvergleicher. Die Integrationsschaltung

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dient zur Herabsetzung der Wahrscheinlichkeit, daß die Fehlstromsicherung bei Einschwingvorgängen im Versorgungsnetz oder dergleichen die Netzleiter ungewollt auftrennt bzw. ein gewolltes Auftrennen versäumt, d.h. die Integrationsschaltung verhindert eine Falschauslösung ("nuisance tripping") des Relaisschalters 16. Damit verhindert wird, daß die Integration von Einschwingstößen und anderen Störkomponenten im Netz allmählich zu einem Anwachsen des integrierten Signals über den Schwellenwert hinaus führt, muß die Integrationsschaltung 19 so ausgelegt sein, daß sie die integrierte Information mit der Zeit verliert. Die Schaltung wird häufig so ausgebildet, daß dieser Verlust der integrierten Information während Jeder zweiten Halbwelle der Netzwechselfrequenz stattfindet, wobei diese Halbwellen mit denjenigen abwechseln, in denen die Einweggleichrichtung des Fehlstroms stattfindet.

Die Betätigungsspule 21 des Relaisschalters 16 liegt in Reihe mit einem gesteuerten Gleichrichter 22 (der im folgenden kurz mit Thyristor bezeichnet wird) zwischen dem Nulleiter 12 und einem der Phasenleiter (im dargestellten Fall dem Leiter 13). Wenn der Thyristor 22 leitend gemacht ist, fließt ein Betätigungsstrom durch die Spule 21 des Relaisschalters 16, der das Auftrennen der Leiter 11 und 13 bewirkt. Bei den bisher bekannten Fehlstromsicherungen wurde die Leitfähigkeit des Thyristors 22 durch ein Erdschluß-Anzeigesignal ausgelöst, das vom Schwellendetektor 20 abgenommen und direkt der Steuerelektrode des Thyristors 22 zugeführt wurde.

Es wurde nun gefunden, daß ein Prellen des Relaisschalters bei Fehlstromsicherungen dieser Art dann auftritt, wenn ein Erdschluß gerade so schwerwiegend ist, daß das durch ihn bewirkte integrierte Signal den Schwellenwert eben noch knapp übersteigt. Ferner wurde auch der Grund für das Prellen gefunden: Wenn nämlich das integrierte Signal nur knapp über den Schwellenwert hinausgeht, wird dem Thyristor das Steuersignal in denjenigen Teil der Periode des Betätigungsstroms zugeführt, in dem der

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Strom rasch zusammenbricht, d.h. spät innerhalb jeder welle des Betätigungsstroms. Dies liegt daran, daß der bei der vorangegangenen Halbwelle bewirkte Verlust der Information im Integrator während der früheren Teile der Betätigungsstromperiode, in denen der Strom entweder noch ansteigt oder langsam abfällt, aufgeholt werden muß. Es wurde gefunden, daß bei Leitendmachung des Thyristors spät innerhalb der Halbwelle des Betätigungsstrom, wenn der Strom rasch absinkt, der Thyristor nicht genug Energie liefert, um den Relaisschalter noch vollständig zu betätigen,bevor die Leitfähigkeit des Thyristors erlischt. Diese nur teilweise Betätigung des Relaisschalters neigt dazu, sich selbst Periode um Periode zu wiederholen, wodurch der Relaisschalter prellt.

Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Fehlstromsicherung ist dafür gesorgt, daß das Anlegen des Steuersignals an den Thyristor während der späten Teile der Halbwelle des Betätigungsstroms, wo der verfügbare Betätigungsstrom schnell zusammenbricht, verhindert wird. Dies stellt sicher, daß der Thyristor, wenn er leitend gemacht ist, dem Relaisschalter einen Betätigungsstrom ausreichender Amplitude und Dauer zuführt, um eine vollständige Betätigung des Relaisschalters zu garantieren und einem Prellen vorzubeugen. Ein sich als Begleiterscheinung ergebender geringfügiger Empfindlichkeitsverlust der Fehlstromsicherung kann leicht durch Maßnahmen an anderen Stellen der Anordnung ausgeglichen werden.

Um zu verhindern, daß das Steuersignal dem Thyristor während der späten Teile der Betatigungsstromhalbwelle angelegt wird, ist in der Anordnung nach Fig. 1 ein Feldeffekttransistor 23 vorgesehen, dessen Kanal den Ausgang des Schwellendetektors 22 selektiv mit der Steuerelektrode des Thyristors 22 verbindet. Die Spannung zwischen dem Nulleiter 12 und dem Phasenleiter 13 wird in einem aus zwei Widerständen 24-a und 24-b bestehenden ohmschen Spannungsteiler 24- heruntergeteilt, und wenn die geteilte Spannung die Summe der an einer Avalanche-

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Diode 25 und an einem damit in Reihe geschalteten sich selbst vorspannenden Transistor 26 (Transistor mit automatischer Vorspannung) erscheinenden Offsetspannungen übersteigt, was bei und in der Nähe des Scheitelwerts der Spannung zwischen Nulleiter und Phasenleiter geschieht, dann fließt Strom sowohl durch die Avalanche-Diode 25 und den automatisch vorgespannten Transistor 26 als auch durch die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 27, der mit dem Transistor 26 eine Stromspiegelschaltung bildet. Der Kollektorstrom des Transistors 27 überzieht den Strombedarf einer Stromquelle 28 und läßt die Gatespannung des Feldeffekttransxstors 23 positiver werden. Der Kanal des Feldeffekttransistors 23 wird leitend, und der Schwellendetektor 20 kann sein Steuersignal an den Thyristor 22 liefern, um ihn leitend zu machen· Mit Erhöhung des Werts des Widerstands 24b relativ zum Widerstand 24a verlängert sich derjenige Teil der Halbwelle der Spannung zwischen Nulleiter und Phasenleiter, über den der Feldeffekttransistor 23 leitend ist; in manchen Fällen kann an die Stelle des Widerstands 24b auch ein offener Stromkreis treten.

Zu den Zeiten bei und in der Nähe der Nulldurchgänge der Nullleiter—Phasenleiter—Spannung ist die Reihenschaltung der Avalanche-Diode 25 und des automatisch vorgespannten Transistors 26 und auch der Transistor 27 nicht in die Leitfähigkeit vorgespannt. Die Stromquelle 28 zieht das Potential der Gateelektrode des Feldeffekttransxstors 23 nach unten, so daß der Kanal des Feldeffekttransxstors nicht-leitend ist· Der Widerstand 29 hält die Steuerelektrode des Thyristors 22 auf demselben Potential wie seine Kathode.

Die vorstehend beschriebene Anordnung hat zur Folge, daß der Thyristor 22 weder früh noch spät innerhalb jeder Halbwelle des Betätigungsstroms in den Leitzustand geschaltet werden kann. Es bringt zwar keinen besonderen Vorteil im Betrieb, wenn das Einschalten des Thyristors auch zu früher Zeit innerhalb jeder Halbwelle verhindert wird; es ist einfach leichter,

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eine Schaltung zu bauen , die eine Auslösung der Leitfähigkeit sowohl früh als auch spät innerhalb jeder Halbwelle verhindert.

Die Fig. 2 zeigt einen anderen Weg, wie das Anlegen des Steuersignals an den Thyristor 22 während der Zeit des schnellen Stromabfalls innerhalb der Betätigungsstromhalbwelle verhindert werden kann. Da der Schwellendetektor 20 gewöhnlich aus einem Vergleicher 20' besteht, kann man den zur Abgabe des Steuersignals zu überschreitenden Schwellenwert so modulieren, daß er während der Zeit des schnellen Stromabfalls in der Betätigungsstromhalbwelle angehoben wird.

In der Anordnung nach Fig. 2 ist ein Spitzendetektor 30 vorgesehen, der aus einer Diode 31 und einem Speicherkondensator

32 besteht und eine Gleichspannung liefert, die im wesentlichen gleich der Offsetspannung ist, welche an einer Avalanche-Diοde

33 und an einer von zwei Dioden JA und 35 erscheint, wenn die Dioden durch die über einen Widerstand 36 zugeführte Spannung zwischen dem Nulleiter 12 und dem Phasenleiter 13 leitend gemacht werden. Zu den Zeiten bei und in der Umgebung der Nulldurchgänge der Spannung zwischen dem Nulleiter 12 und dem Phasenleiter 13 ist der transistor 27 nicht-leitend und liefert keinen Kollektorstrom, der einen zum Leitendmachen eines Transistors 38 notwendigen Spannungsabfall am Widerstand 37 verursachen könnte. Bei nicht-leitendem Transistor 38 wird die am Speicherkondensator 32 erscheinende Gleichspannung ohne merkliche Abschwächung über den Widerstand 39 auf den Spannungsvergleicher 20 gekoppelt, um dort einen relativ hohen Schwellenwert darzustellen. Dieser Schwellenwert kann so hoch sein, daß er auch durch das größtmögliche Signal vom Integrator 19 nicht überschritten werden kann, so daß zu den besagten Zeiten in der Umgebung der Nulldurchgänge des Betätigungsstroms dem Thyristor 22 kein Steuersignal zur Einschaltung seiner Leitfähigkeit zugeführt wird.

Während anderer Teile der Betätigungsstromhalbwelle, d.h. in

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der Umgebung des Scheitelwerts des Betätigungsstroms, ist der Transistors 27 leitend und liefert ausreichenden Kollektorstrom, um den Spannungsabfall am Widerstand 37 zu erhöhen und den Transistor 38 in die Sättigung vorzuspannen. Im gesättigten Zustand des Transistors 38 ist dessen Kollektorelektrode nahe an das Potential seiner Emitterelektrode geklemmt, so daß die am Speicherkondensator 32 erscheinende Spannung durch Spannungsteilerwirkung der Widerstände 39 und 40 geteilt wird und somit ein niedrigerer Schwellenwert am Vergleicher 20' eingestellt wird. Dieser relativ niedrige Schwellenwert wird vom integrierten Signal aus dem Integrator 19 leichter überschritten, so daß das Anlegen eines Steuersignals an den Thyristor 22 im Falle eines Erdschlusses ermöglicht wird.

Es sind Ausführungsformen der Schaltung möglich, bei denen die Erhöhung des Schwellenwerts in der Umgebung der Nulldurchgänge des Betätigungsstroms so bemessen ist, daß ein Anlegen des Steuersignals an den Thyristor 22 während dieser Zeiten nicht vollständig ausgeschlossen ist. Ein Anlegen des Steuersignals an den Thyristor 22 ist zulässig, falls der Erdschluß so schwerwiegend ist, daß das noch übrige integrierte Signal die Leitfähigkeit des Thyristors 22 mit Sicherheit früh in der nächstfolgenden Dämpfungshalbwelle des Betätigungsstroms auslöst. Mit der vorstehenden Beschreibung dürfte ein auf dem Gebiet elektronischer Schaltungen bewanderter Fachmann ohne weiteres in der Lage sein, auch eine Vielzahl anderer Schaltungen zu entwerfen, die das erfindungsgemäße Prinzip verwirklichen und von den Patentansprüchen gleichermaßen umfaßt werden sollen.

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Claims

2V 13/74

Patentansprüche

Anordnung zur Stromkreisunterbrechung beim Vorliegen eines Erdschlusses, die in Verbindung mit einer Mehrzahl von einen Wechselstromgenerator mit einer Last verbindenden Wechselstromleitungen anwendbar ist und folgendes enthält: einen elektromechanischen Relaisschalter, der bei Beaufschlagung mit einem Betätigungssignal den Stromfluß durch die Wechselstromleitungen unterbricht; eine von der Spannung zwischen zweien der Wechselstromleitungen abhängige Betätigungssignalquelle; einen gesteuerten Gleichrichter, der eine Steuerelektrode und einen gesteuerten Stromweg aufweist, welcher die Betätigung ssignalquelle wahlweise mit dem Relaisschalter zum ^wecke der Betätigung verbindet; einen Differenzstromfühler, der einen transformierten Fehlerstrom liefert, wenn die vom Wechselstromgenerator zur Last fließenden Ströme von den aus der Last zum Wechselstromgenerator zurückfließenden Strömen abweichen; eine Einrichtung, die den Fehlerstrom zur Gewinnung eines gleichgerichteten Signals gleichrichtet; eine Integrationseinrichtung, die aus dem gleichgerichteten Signal ein integriertes Signal erzeugt; eine Detektorschaltung, die anspricht, wenn das integrierte Signal einen Schwellenwert überschreitet, und die daraufhin ein Steuersignal an die Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters liefert, um dessen gesteuerten Stromweg leitend zu machen, dadurch gekennzeichnet , daß mit der Betätigungssignalquelle ((fo-Null) und mit der Detektorschaltung (20; 20') eine Einrichtung (23; 38) verbunden ist, die das Anlegen des Steuersignals an den gesteuerten Gleichrichter (22) während der schnell zusammenbrechenden Teile des Betätigungssignals verhindert.

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Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung aus einem Schwellendetektor (20) besteht, der anspricht, wenn das integrierte Signal einen vorbestimmten festen Schwellenwert überschreitet, und der daraufhin in einem Ausgangkreis ein Erdschluß-Anzeigesignal liefert, und daß die Einrichtung zum Verhindern des Anlegens des Steuersignals aus einem Schalter (23) besteht, der während der schnell zusammenbrechenden Teile der Halbwellen einer bestimmten Polarität des Betätigungssignals den besagten Ausgangskreis des Schwellendetektors von der Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters (22) abkoppelt und der während derjenigen Teile der Halbwellen der besagten einen Polarität des Betätigungssignals, die in der Umgebung der Scheitelwerte dieser Halbwellen liegen, den Ausgangskreis des Schwellendetektors mit der Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters koppelt.

Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung aus einem Spannungsvergleicher (20') besteht, der das integrierte Signal mit einem Schwellensignal vergleicht und das Steuersignal zur Steuerelektrodes des gesteuerten Gleichrichters (22) liefert, wenn das integrierte Signal das Schwellensignal überschreitet, und daß die Einrichtung (38) zum Verhindern des Anlegens des Steuersignals auf die Spannung zwischen zweien der Wechselstromleitungen (13, 12) anspricht, um ein relativ hohes Schwellensignal für den Spannungsvergleicher einzustellen, wenn diese Spannung niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, und um einen relativ niedrigen Schwellenwert für den Spannungsvergleicher einzustellen, wenn die besagte Spannung über dem vorbestimmten Wert liegt.

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